יסודות נדירים

IUPAC מגדירה כ"יסודות נדירים" או "מתכות נדירות" (באנגלית: Rare Earth Elements או Rare Earth Metals) את 15 היסודות מקבוצת הלנתנידים (מס' אטומי 57-71) ובנוסף להם גם את הסקנדיום והאיטריום, הקרובים לקבוצה זו בטבלה המחזורית ודומים לה בתכונותיהם, ואשר נוטים להופיע בעפרות הכרייה ביחד עם הלנתנידים. היסודות הנדירים דומים זה לזה במראם ובתכונותיהם, הם מוליכים, מגנטיים, וזוהרים כשמחממים אותם.

למרות שמם, ניתן למצוא את היסודות הנדירים בשפע יחסי בקרום כדור הארץ, אולם בגלל תכונותיהם הגאוכימיות, הם מפוזרים ואינם מרוכזים במקום אחד שהוא נוח להפקה ולמיצוי, ועל כן הם יקרים יחסית.

היסטוריה וגילוי

היסודות הנדירים התגלו לראשונה בשנת 1787 עם גילוי המינרל איטרביט (ytterbite) אשר שמו שונה מאוחר יותר לגדוליניט, על ידי קרל אקסל ארניוס בתוך עפרה שנחצבה במכרה ליד הכפר איטרבי בשוודיה.

עד שנת 1803 בודדו וזוהו שני יסודות חדשים מתוך העפרה: איטריום וצריום, אולם לחוקרים נדרשו 30 שנים נוספות כדי לזהות יסודות נוספים.

בשנת 1839 הופקו לראשונה תחמוצות של יסודות חדשים, אולם רק בשנת 1842 הוכרז באופן רשמי על הגילוי והמיצוי הטהור של שישה יסודות חדשים: צריום, לנתן, דידימיום, איטריום, ארביום וטרביום, כששמות שלוש האחרונים גזורים משמה של העיירה אשר בקרבתה נמצאו.

במשך 30 השנים הבאות לא התגלו יסודות נוספים. בשנת 1879 התגלה באמצעות ספקטרוסקופיה כי היסוד דידימיום מכיל מספר קווים ספקטרלים חדשים כלומר מורכב מיסודות נוספים אשר לא התגלו. באותה השנה התגלה היסוד החדש סמריום כמרכיב של המינרל סמרסקיט. בשנת 1886 התגלה יסוד נוסף מתוך המינרל ונקרא גדוליניום על שמו של חוקר עפרות האיטרביט הראשון.

סדרת מחקרים ספקטרוסקופים נוספים שנערכו בין השנים 1886 עד 1901 העלו את האפשרות לקיומו של יסוד נוסף, ובשנת 1901 הוכרז על גילויו של היסוד אירופיום. בשלב זה טרם הוסכם בין החוקרים על מספרם המדויק של היסודות הנדירים הקיימים, אך ההערכות הגיעו למספר מקסימלי של 25 יסודות כאלו. תגליות שגויות, לעומת זאת, בגלל הקשיים בהפרדה וטיהור, נמנו בעשרות. הכנסת השימוש בספקטרוסקופיה בעזרת קרני רנטגן איפשר לקבוע באופן מוחלט את כמות הלנתנידים על 15 באמצעות קביעת מספרם האטומי.

פנס גז מסוג "מעטפת ולשבאך", המוצר הראשון ששילב יסודות נדירים. עד 1935 נמכרו 5 מיליארד ממנו לתאורה ביתית ותאורת רחוב

בסוף המאה ה-19 עדיין לא נמצא שימוש ליסודות החדשים שהתגלו. הראשון שהכניס יסודות נדירים לשימוש מסחרי הוא הממציא האוסטרי קארל אוור פון ולשבאך (Carl Auer von Welsbach) ב-1880. הוא ניצל את תכונת החומרים להפיץ אור כשהם מתחממים, ופיתח גוף תאורה לפנס גז. גוף התאורה נקרא "מעטפת ולשבאך" והיה בנוי ממעטפת של חוטי כותנה טבולים באוקסיד של היסודות הנדירים לנתן, איטריום, וכן מגנזיום שאינו מתכת נדירה. בשימוש הראשון בפנס היו חוטי הכותנה נשרפים, והאוקסידים היו מתחברים ויוצרים רשת מתכת (שבירה למדי). הגז שבפנס היה מחמם את הרשת, והיא הייתה מפיצה אור^[1].

במהלך שנות ה-40 של המאה העשרים פותח בארצות הברית במסגרת פרויקט מנהטן, תהליך טכנולוגי של החלפת יונים אשר איפשר להפריד ולזקק יסודות נדירים. בראשונה נעשה שימוש בטכניקה זו בקבוצת האקטינידים לצורך הפרדת פלוטוניום 239 ונפטוניום מתוך אורניום, תוריום ואקטיניום. הטכנולוגיה החדשה והיעילה להפרדת החומרים איפשרה את הכנסת היסודות הנדירים לשימוש תעשייתי ובמהלך עשרות השנים הבאות פותחו טכנולוגיות הפרדה ומיצוי נוספות אשר איפשרו את הרחבת השימוש בחומרים הללו לצרכים תעשייתיים ומסחריים.

הפקה

הפקת יסודות נדירים בין השנים 1950-2000 ועליית חלקה היחסי של סין עד כדי שליטה עולמית מוחלטת על הכמות המופקת בעשור הראשון של המאה ה-21

עד שנת 1948 רוב ההפקה של יסודות נדירים התבצעה בהודו וברזיל מתוך מאגרי חול. בשנות ה-50 תפסה דרום אפריקה את מקומה כמקור העיקרי לחומרים אלה לאחר שמרבץ גדול של המינרל מונזיט התגלה בה. בשנות ה-60 ועד שנות ה-80 שימשה ארצות הברית כמפיקה העיקרית של יסודות נדירים מתוך "מכרה מעבר ההרים" בקליפורניה. כיום, לאחר הידלדלות המקורות הללו משמשת סין כמפיקה העיקרית של יסודות נדירים, כאשר 97% מן התפוקה העולמית מקורם במכרות באזור מונגוליה הפנימית שבשטחה.

ב-2019 התגלו מרבצי־ענק של יסודות נדירים סמוך ליפן^[2]. עם זאת, טרם קיימות טכנולוגיות לכרייה בקרקעית הים. בשנת 2002 הקצתה ממשלת ארצות הברית תקציב של שני מיליון דולרים לבחינת תוכנית מחזור בוצת הפסולת ממכרי פחם, הכוללים את היסודות הנדירים. עד כה, עלות הפקת החומרים מתוך הפסולת לא השתלמה בשל עלות מיצוי החומרים מפסולת זאת. אך, חוקרים באוניברסיטת UVW מפתחים כיום דרכים זולות יותר להפקת חומרים אלה. מערב וירג'יניה היא אחת הספקיות העיקריות של פחם בארצות הברית, ולכן פוטנציאל ההפקה ממכרים קיימים גבוה ביחס למדינות נוספות ^[3].

הגידול בדרישה התעשייתית ליסודות הנדירים שנובע מעליה בשימוש בהם, מציב אתגר ייחודי להפקתם במטרה להימנע מיצירת תלות באספקת החומרים מסין. מדינות רבות בעולם החלו להשקיע בשנים האחרונות משאבים רבים במחקרים לגילוי ופיתוח של אתרי הפקה חדשים על מנת להימנע מן התלות הזו, אשר עלולה לשתק ואו להפחית את התפוקה במגזרי יצור רבים ובעיקר בתחומי הטכנולוגיה העילית.

מיחזור

מקור נוסף להפקת יסודות נדירים שהתפתח מתוך הצורך והאילוצים כאמור לעיל הוא חילוץ והפקת החומרים מתוך פסולת של מכשירים אלקטרונים שיצאו משימוש. טכנולוגיות חדשות של מיחזור אשר נכנסו לשימוש ביפן מאפשרות על פי הערכה הפקה של כ-300,000 טון של יסודות נדירים לשימוש חוזר.

פירוט

מספר אטומי	סימול	שם	מקור השם	יישומים
21	Sc	סקנדיום	על שם סקנדינביה שבה התגלו לראשונה.	רכיבים בתעשיית התעופה והחלל. תוסף למנורות כספית.
39	Y	איטריום	על שם הכפר איטרבי בשוודיה בו התגלו לראשונה.	רכיבים ביצור מכשירי לייזר, טלוויזיות ומסנני גלי מיקרו.
57	La	לנתן	"חבוי" ביוונית	זכוכית רפלקטיבית, מיכלי אחסון למימן, אלקטרודות לסוללות, עדשות למצלמות, קטליזטור בתעשיית הנפט.
58	Ce	צריום	הכוכב הננסי קרס	זרז בתהליכי חימצון, אבקת פוליש, צבען צהוב לזכוכית וקרמיקה, חומרי ניקוי, זרז בתהליכים כימיים שונים.
59	Pr	פרסאודימיום	"תאומים ירקרקים" ביוונית	לייזרים, נורות, מגנטים, צבען לזכוכית.
60	Nd	נאודימיום	"תאומים חדשים" ביוונית	מגנטים, לייזרים, צבען סגול לזכוכית וקרמיקה.
61	Pm	פרומתיאום	הטיטן פרומתאוס	סוללות גרעיניות
62	Sm	סמריום	על שם מגלה עפרת הסמרסקיט.	מגנטים, לייזרים, לוכד נייטרונים.
63	Eu	אירופיום	יבשת אירופה	זרחן אדום וכחול, לייזרים, נורות כספית.
64	Gd	גדוליניום	על שם חוקר היסודות הנדירים יוהאן גדולין	מגנטים, זכוכית רפלקטיבית, שפופרות לייזר וקרני-X, זיכרונות מחשב, מכשירי MRI.
65	Tb	טרביום	נגזרת משם הכפר השוודי איטרבי	זרחן ירוק, לייזרים, נורות פלואורסצנט.
66	Dy	דיספרוסיום	"קשה להשגה" ביוונית	מגנטים, לייזרים.
67	Ho	הולמיום	סטוקהולם בלטינית	לייזרים
68	Er	ארביום	נגזרת משם הכפר איטרבי	לייזרים, פלדת ונדיום.
69	Tm	תוליום	ארץ הצפון המיתולוגית תולה	מכשירי קרני-X ניידים.
70	Yb	איטרביום	הכפר השוודי איטרבי	לייזרים באינפרה אדום, מעכבים כימיים.
71	Lu	לוטציום	על שם לוטטיה, שמה הקדום של פריז	גלאי סריקה, זכוכית רפלקטיבית.

ראו גם

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא יסודות נדירים בוויקישיתוף

אנרגיה ירוקה? לעולם נגמרים החומרים שיאפשרו אותה, באתר וואלה, 21 במאי 2021
יסודות נדירים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
מתכות עפרות נדירות, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

[1] The History and Future of Rare Earth Elements

[2] Japan finds a huge cache of scarce rare-earth minerals

[3] From Pollutant to Resource

[1]

[2]

[3]