Hvad er sjældne jordarter, afgørende elementer i moderne teknologi? 4 spørgsmål besvaret

Anonim

De fleste amerikanere bruger sjældne jordarters elementer hver dag - uden at vide det eller ved at vide noget om, hvad de gør. Det kan ændre sig, da disse usædvanlige materialer bliver et omdrejningspunkt i den eskalerende handelskrig mellem USA og Kina.

Stanley Mertzman, en geolog, hvis speciale er røntgenanalyse af sten og mineraler for at bestemme deres kemiske sammensætning, og hvem lærer mineralogi på Franklin og Marshall College, forklarer mere om disse kendte og fascinerende elementer - og den moderne elektronik, de muliggør .

1. Hvad er sjældne jordarters elementer?

Strengt taget er de elementer som andre på det periodiske bord - såsom kulstof, brint og ilt - med atomnummer 57 til 71. Der er to andre med lignende egenskaber, som nogle gange er grupperet med dem, men de vigtigste sjældne jordarters elementer er dem 15. For at lave den første, lantan, start med et bariumatom og tilføj en proton og en elektron. Hvert efterfølgende sjældne jordartsmateriale tilføjer endnu en proton og en ekstra elektron.

Det er vigtigt, at der er 15 sjældne jordarters elementer: Kemistudenter kan huske, at når elektroner føjes til et atom, samler de i grupper eller lag, kaldet orbitaler, som er som koncentriske kredse af et mål omkring nøglens øje af kernen.

Den indre målkreds af ethvert atom kan indeholde to elektroner; Tilføjelse af en tredje elektron betyder at tilføje en i den anden målcirkel. Det er her også de næste syv elektroner går - hvorefter elektronerne skal gå til den tredje målcirkel, som kan holde 18. De næste 18 elektroner går ind i den fjerde målcirkel.

Så begynder tingene at blive lidt underligt. Selv om der stadig er plads til elektroner i den fjerde målcirkel, går de næste otte elektroner ind i den femte målcirkel. Og til trods for mere plads i den femte, går de næste to elektroner derefter ind i den sjette målcirkel.

Det er, når atomet bliver barium, atomnummer 56, og de tomme rum i tidligere målcirkler begynder at fylde. Tilføjelse af en ekstra elektron - for at gøre lantan, den første i serien af ​​sjældne jordarters elementer - sætter den elektron i den femte cirkel. Tilføjelse af en anden, for at gøre cerium, atomnummer 58, tilføjer en elektron til den fjerde cirkel. At gøre det næste element, praseodymium, bevæger faktisk den nyeste elektron i den femte cirkel til den fjerde og tilføjer endnu en. Herfra fylder yderligere elektroner den fjerde cirkel.

I alle elementer påvirker elektronerne i yderkredsen i høj grad elementets kemiske egenskaber. Fordi de sjældne jordarter har samme ydre elektronkonfigurationer, er deres egenskaber ret ens.

2. Er sjældne jordarters elementer meget sjældne?

Nej. De er meget mere rigelige i jordskorpen end mange andre værdifulde elementer. Selv den sjældneste sjældne jordart, thulium, med atomnummer 69, er 125 gange mere almindelig end guld. Og mindst sjældne sjældne jordarter, cerium, med atomnummer 58, er 15.000 gange mere rigelige end guld.

De er sjældne på en måde, selvom - mineralogister ville kalde dem "spredt", hvilket betyder at de overvejende strømmede over planeten i relativt lave koncentrationer. Sjældne jordarter findes ofte i sjældne gnister, der kaldes carbonatitter - intet så almindeligt som basalt fra Hawaii eller Island, eller andesit fra Mount St. Helens eller Guatemalas vulkan Fuego.

Der er et par regioner, der har mange sjældne jordarter - og de er hovedsagelig i Kina, der producerer mere end 80 procent af den globale årlige total på 130.000 tons. Australien har også et par områder, ligesom nogle andre lande. USA har en lille smule område med mange sjældne jordarter, men den sidste amerikanske kilde til dem, Californiens Mountain Pass Quarry, lukkede i 2015.

3. Hvis de ikke er sjældne, er de meget dyre?

Ja, helt. I 2018 er omkostningerne til et oxid af neodym, atomnummer 60, USD 107.000 pr. Ton. Prisen forventes at klatre til $ 150.000 inden 2025.

Europium er endnu dyrere - omkring 712.000 dollars pr. Ton.

En del af årsagen er, at sjældne jordarters elementer kan være kemisk vanskelige at adskille fra hinanden for at få et rent stof.

4. Hvad er sjældne jordarters elementer nyttige til?

I sidste halvdel af det 20. århundrede kom europium med atomnummer 63 til stor efterspørgsel efter sin rolle som farveproducerende fosfor i videoskærme, herunder computerskærme og plasma-tv. Det er også nyttigt til absorption af neutroner i kernestyrernes styrestænger.

Andre sjældne jordarter er også almindeligt anvendt i elektroniske enheder i dag. Neodym, atomnummer 60 er for eksempel en kraftfuld magnet, der er nyttig i smartphones, fjernsyn, lasere, genopladelige batterier og harddiske. En kommende version af Teslas elbilmotor forventes også at bruge neodym.

Efterspørgslen efter sjældne jordarter er steget støt siden midten af ​​det 20. århundrede, og der er ingen reelle alternative materialer til at erstatte dem. Lige så vigtige som sjældne jordarter er til et moderne teknologibaseret samfund, og så vanskeligt som de er til at minde og bruge, kan takstkampen sætte USA på et meget dårligt sted og gøre både landet og sjældne jordarters elementer selv til bonde i dette spil økonomisk skak.

Forrige Artikel «
Næste Artikel