Lantanowe rodzeństwo

Zapewne większość z Was dobrze kojarzy, jak wygląda układ okresowy pierwiastków, które zostały w nim zestawione w grupy i okresy, czyli, dla mniej zorientowanych, na kolumny i rzędy. Jednak w dolnej części układu okresowego znajdują się dwa rzędy pierwiastków, 6 i 7 okres, które wydają się nieproporcjonalnie szerokie. Wiąże się to z tym, że w ich prawej części znajduje się po 15 pierwiastków, które nie są przyporządkowane do żadnej pionowej grupy. Czasem nawet, w niektórych wersjach graficznych układu okresowego, pomija się je i zbiorczo umieszcza w jednej komórce reprezentującej lantan (w 6 okresie) lub aktyn (w okresie 7).

Ta pierwsza z wymienionych grup, ta ukrywana czasem „pod” lantanem to jego bliskie rodzeństwo, czyli lantanowce. Może nie aż tak bliskie, jakby to były jego własne izotopy, ponieważ każdy z nich to odrębny pierwiastek, jednak ich właściwości fizykochemiczne są bardzo podobne do siebie, niemal jak bliźnięta. Lantanowe rodzeństwo liczy sobie 15 pierwiastków o liczbach atomowych od 57 do 71 i są to kolejno: lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet. Lantanowce wraz ze skandem i itrem (o których pisałem ostatnio) tworzą nieformalną grupę nazywaną metalami ziem rzadkich (po angielsku rare-earth metals). Zatrzymajmy się na chwilę przy tym określeniu.

Nie ulega wątpliwości, że wszystkie te pierwiastki są metalami. Wszystkie są srebrzyste i kowalne, a ich temperatura topnienia waha się od 824C dla iterbu po 1656C dla lutetu. W związkach chemicznych występują one zwykle na trzecim stopniu utlenienia (czyli uproszczając – mogą tworzyć trzy chemiczne wiązania z innymi pierwiastkami lub występować jako jony o ładunku +3), ale znane są ich związki na stopniu drugim lub czwartym. Znane są ich różnorodne związki, ale najczęściej występują w postaci tlenków.

Co do ich rzadkości to sprawa robi się dość skomplikowana. Wprawdzie nie są tak często spotykane w skorupie ziemskiej jak np. glin czy żelazo (których jest w niej po kilka procent), ale z drugiej strony występują statystycznie częściej niż np. złoto (0,000 000 4%) czy iryd (0,000 000 1%). Metale ziem rzadkich są podobnie rzadkie jak np. wolfram (0,000 125%) czy cyna (0,000 230%), a te dwa pierwiastki raczej nie kojarzą nam się z wybitną „rzadkością”.

Określenie ziemie rzadkie ma więc raczej historyczny charakter z czasów, kiedy odkrywano te pierwiastki i częstotliwość występowania była mocno niedoszacowana. Niemniej pierwiastki te występują w rozproszeniu na Ziemi, ale raczej w dość izolowanych złożach. W dodatku zwykle pojawiają się w skałach po kilka jednocześnie (pamiętacie ile ich się kryło w minerale gadolinicie?), co utrudnia izolacje ich w czystej postaci. To wszystko rzutuje na ich cenę, która sięga 60 000 zł/kg w przypadku skandu (to mniej więcej 3 razy tańszy od złota). Ale z drugiej strony kilogram lantanu kosztuje… 400 zł. Może to nie tyle co żelazo, ale szału nie ma, prawda? Ale faktem jest, że ceny tej grupy pierwiastków ostatnio rosną i ten trend był widoczny już przed pandemią.

Metale ziem rzadkich a w szczególności lantanowce są bowiem kluczowe dla współczesnej gospodarki. Lasery, źródła światła LED, magnesy i nadprzewodniki, wysokiej klasy soczewki i lustra – to tylko wybrane przykłady przedstawicieli zastosowań lantanowej rodzinki. Choć stosowane w różnych urządzeniach w, wydawałoby się, śladowych ilościach to właśnie one warunkują właściwości różnego rodzaju zaawansowanego sprzętu. Wynika to z dość szczególnej konfiguracji orbitali elektronowych, po których krążą wokół jąder atomowych ujemnie naładowane elektrony. Względne skomplikowanie i usytuowanie tych orbitali pozwala atomom tych pierwiastków na występowanie w specyficznych stanach energetycznych. A to z kolei rzutuje na ich zdolność do pochłaniania i uwalniania energii, np. w postaci kwantów promieniowania.

Można bez dużej przesady stwierdzić, że bez nich technologia i gospodarka musiałaby się cofnąć o ok. 50-70 lat. Głód by nam nie groził, ale zapomnijcie o smatrfonach i laptopach, komputerach samochodowych i dronach. Innymi słowy: elektroniko – żegnaj! Wcale nie dramatyzuję, to jest fakt.

I to wszystko tłumaczy dlaczego te pierwiastki są tak kluczowe i dlaczego przykuwają uwagę całego świata. Tak się bowiem składa, że większość poznanych zasobów znajduje się na terenie Chin lub ich bezpośrednich sąsiadów, a więc to Chiny są dystrybutorami 90% produkowanych na świecie lantanowców. To jedna z przyczyn, dla których Daleki Wschód stał się tak kluczowy dla światowej gospodarki. Niewielkie złoża zidentyfikowane w Afryce i obu Amerykach (w tym bardzo obiecujące na Grenlandii – to tak jakbyście pytali, dlaczego politycy z USA od czasu do czasu ponawiają propozycję odkupienia tej wyspy od Danii; zresztą powodów znalazło by się pewnie więcej). Relatywnie duże koncentracje metali ziem rzadkich zidentyfikowano w niektórych rejonach… Księżyca. Czyżby wzmożone ostatnio zainteresowanie naszym satelitą jakie przejawiają Chińczycy i Amerykanie miało także swoje „lantanowcowe” uzasadnienie?

Wydobycie lantanowców oznacza nie tylko gigantyczne zyski, ale i rosnące skażenie środowiska. Jak wspomniałem, wyodrębnienie tych metali, które występują w złożonych chemicznie złożach, jest niezwykle trudne. Wymaga ono stosowania bardzo agresywnych i trujących chemikaliów. W dodatku same te metale są wysoce toksyczne. Akumulują się w organizmach żywych prowadząc do przewlekłych chorób, w tym nowotworów. Podobnie rzecz się ma z recyklingiem tych pierwiastków – znane obecnie metody są mało wydajne w dużej skali i też wiążą się z emisją trujących pochodnych tych metali.

Na razie więc nic nie wskazuje na zmianę sytuacji. Alternatywnych technologii, które nie potrzebowały by metali ziem rzadkich nie widać, a potrzeby rosną i rosną. Nie zdziwcie się więc, kiedy w przyszłości wybuchnie jakiś kryzys lub konflikt w związku z zatonięciem jakiegoś kontenerowca pełnego pierwiastków o egzotycznych nazwach, takich jak lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb, lutet, itr lub skand.

Wojciech Smułek