Pierwiastki ziem rzadkich definicja i właściwości

Pierwiastki ziem rzadkich (REE - Rare Earth Elements) jest to grupa 17 pierwiastków chemicznych, do której zaliczane są wszystkie lantanowce (lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet) i dwa skandowce (skand i itr). Pierwiastki te zakwalifikowano do wspólnej grupy ze względu na podobne właściwości fizykochemiczne oraz częste współwystępowanie w minerałach. Należy jednak pamiętać, że skand i itr posiadają odmienne właściwości elektromagnetyczne. REE można dodatkowo podzielić na pierwiastki lekkie (LREE lub La-Eu) oraz ciężkie (HREE lub Gd-Lu i Y). 

Odkrycie

Pierwszym minerałem, który zawierał pierwiastki ziem rzadkich, był odkryty w 1787 r. w Szwecji gadolinit. W jego składzie znajdował się m.in. cer i itr, które zidentyfikowano dopiero w 1803 r. Po kolejnych 30 latach udało się wyodrębnić następny pierwiastek tj. lantan. Dokonał tego w 1839 r. szwedzki chemik Carl Gustav Mosander. Ten sam naukowiec po kolejnych 3 latach badań wyodrębnił i opisał 2 kolejne REE – erb i terb. Do identyfikacji kolejnych pierwiastków użyto technik spektroskopowych. I tak 1879 r. wyizolowano samar, w 1886 r. gadolin a w  1901 r. europ. Z czasem odkrywano nowe złoża metali ziem rzadkich, co pozwoliło na identyfikację kolejnych pierwiastków.

Występowanie

Pierwiastki ziem rzadkich wbrew nazwie, są dość powszechnie występującymi pierwiastkami. Cer i itr znajdują się kolejno na 25 i 28 miejscu najliczniejszych pierwiastków na Ziemi. Jedynie promet, który nie posiada stabilnego izotopu, jest niezwykle rzadki. Nazwa omawianej grupy wynika natomiast z trudności ich wydobycia, ponieważ są niezwykle rozproszone w skorupie ziemskiej.

Na przestrzeni lat różne kraje były potentatami produkcji metali ziem rzadkich m.in. Indie, Brazylia, Afryka Południowa. Obecnie ok. 80 % REE wytwarzanych jest w Chinach.

Właściwości

Wszystkie REE mają wysokie temperatury topnienia (od ceru 799ºC do lutetu 1663ºC) oraz wrzenia (od iterbu 1196ºC do prazeodymu 3520ºC). Metale ziem rzadkich mają zdolność do tworzenia tlenków o właściwościach zasadowych oraz amfoterycznych (cer). Najczęściej występują na III stopniu tlenienia, rzadziej na II lub IV.

Skand ma srebrzystobiały kolor i ulega reakcjom z tlenem, dając żółte lub różowawe tlenki. Rozpuszcza się w większości rozcieńczonych kwasów. Nie reaguje natomiast z mieszaniną kwasu azotowego (V) oraz fluorowodorowego – ze względu na proces pasywacji.

Itr jest srebrzystoszarym metalem, ulegającym pasywacji. Jest łatwopalny i bardzo wolno reaguje z wodą, dając wodorotlenki. Wodorki itru mają bardzo silne właściwości redukujące. Poza tym itr tworzy również tlenki i fluorki.

Lantan ma kolor srebrzystobiały. Jest stosunkowo miękkim metalem i ma dobrą kowalność. Ulega roztworzeniu w kwasach (poza stężonym kwasem siarkowym). Na powietrzu ulega utlenieniu.

Cer jest metalem o szarym odcieniu. Jest miękki, ciągliwy o dobrej kowalności. Tworzy sole z kwasami nieorganicznymi. Na powietrzu ulega utlenieniu. Jony ceru Ce⁴⁺ są silnym utleniaczem.

Prazeodym utlenia się na powietrzu, pokrywając się warstwą tlenków. Reaguje z wodą, dając wodorotlenek prazeodymu(III). Reaguje również ze wszystkimi fluorowcami. Ma zdolność do tworzenia związków metaloorganicznych.

Neodym ma srebrny kolor i duży połysk. Występuje w dwóch formach alotropowych. W temperaturze pokojowej ma właściwości paramagnetyczne. Szybko ulega utlenieniu w warunkach standardowych. Neodym reaguje również z wodą, dając wodorotlenek neodymu(III).

Promet występuje w dwóch odmianach alotropowych. Jest stabilny na III stopniu utlenienia i związki z nim trudno ulegają reakcjom redoks. 

Samar jest pierwiastkiem o srebrnym kolorze, posiadającym właściwości paramagnetyczne w temperaturze pokojowej. Na powietrzu ulega powolnemu utlenieniu. Reaguje również z wodą, dając wodorotlenek samaru (III). Występuje na II stopniu utlenienia, co jest rzadko spotykane wśród REE.

Europ ma najniższą gęstość wśród lantanowców. Silnie schłodzony wykazuje właściwości nadprzewodnictwa. Szybko utlenia się na powietrzu, pokrywając się żółtym tlenkiem europu(II). Ulega również roztworzeniu w rozcieńczonym kwasie siarkowym(VI).

Gadolin ma srebrzystobiały kolor. Ma dobrą ciągliwość. Poniżej 20ºC ma właściwości ferromagnetyczne, powyżej tej temperatury jest paramagnetykiem. Ulega utlenieniu w atmosferze wilgotnego powietrza. W wysokiej temperaturze tworzy związki m.in. z azotem, węglem, siarką, fosforem i krzemem.

Terb jest plastycznym, ciągliwym i dość miękkim srebrzystobiałym metalem. Podobnie jak ołów, można go ciąć nożem. Jest względnie stabilny na powietrzu. Występuje w dwóch formach alotropowych. Terb ulega utlenieniu w obecności większości kwasów oraz wody.

Dysproz jak pozostałe REE ma srebrny kolor. Podobne jak terb może być krojony nożem. Na powietrzu ulega utlenieniu do tlenku dysprozu(III). Reaguje również z wodą, dając wodorotlenek dysprozu(III), a w temperaturze powyżej 200ºC reaguje z fluorowcami. 

Holm jest również srebrzysty i dość miękki, by kroić go nożem. W atmosferze gorącego, wilgotnego powietrza ulega utlenieniu do tlenku holmu(III). Ma właściwości paramagnetyczne.

Erb, jak większość metali ziem rzadkich ma srebrny kolor. Na powietrzu ulega powolnemu utlenieniu. Tworzy sole o charakterystycznym różowym kolorze. Reaguje z wodą, dając wodorotlenek erbu(III). Reaguje również z fluorowcami i rozcieńczonym kwasem siarkowym(VI).

Tul ma srebrnoszary kolor. Jest plastyczny i ma dobrą kowalność. Wystawiony na działanie powietrza powoli matowieje, pokrywając się tlenkiem tulu(III). Reaguje również z wodą i fluorowcami. Roztwarza się w rozcieńczonym kwasie siarkowym(VI). 

Iterb również ma dobrą kowalność i srebrny kolor. Ulega reakcjom z tlenem i wodą. Roztwarza się w kwasach. Występuje w dwóch odmianach alotropowych.

Lutet ma ciemnoszarą połyskującą barwę. Posiada właściwości absorbujące – pochłania wodę oraz dwutlenek węgla. Ulega rozpuszczeniu w rozcieńczonym kwasie siarkowym(VI).

Zastosowanie

Pierwiastki ziem rzadkich są wykorzystywane w przemyśle samochodowym, ceramicznym i metalurgicznym. Są stosowane w produkcji katalizatorów samochodowych, magnesów stałych, silników elektrycznych, filtrów optycznych, wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, laserów czy luminoforów. Są składnikami m.in. proszków polerskich, nawozów, barwników.