Редкоземельные металлы представляют собой некоторую аномалию в периодической системе Менделеева, поскольку эти 15 химически подобных элементов (с порядковыми номерами от 57 - лантан до 71 - лютеций), называемых также лантаноидами, теоретически объединены в одной основной группе таблицы. В коммерческой практике в группу редкоземельных металлов включают еще два элемента, находящихся в таблице непосредственно над лантаном, - скандий с порядковым номером 21 и иттрий с порядковым номером 39.

Термин "редкие земли", введенный в конце XVIII столетия, также является аномальным, поскольку распространенность этих металлов в земной коре колеблется от 60 млн. долей (для церия) до примерно 0,5 млн. частей (для тулия и лютеция). Это значит, что все они содержатся в земной коре в большем количестве, чем серебро, а четыре наиболее распространенных элемента (иттрий, лантан, церий и неодим) имеются в более значительном объеме, чем свинец. Впоследствии оказалось, что термин "редкие" более применим к раздельно существующим лантаноидам, поскольку отделить и отличить их друг от друга весьма трудно.

Единственным исключением в этой группе является элемент прометий с порядковым номером 61, являющийся радиоактивным и встречающийся в природе в исчезающе малых количествах. Он может быть выделен из побочных продуктов деления ядер и имеет ряд специфических сфер применения.

Основными источниками редких земель являются минералы бастнезит (фторокарбонат редкоземельных металлов), монацит, лапорит и ионно-абсорбционные глины. Однако концентрации этих руд в природе распределены таким образом, что в мире существует лишь небольшое число рентабельных для разработки месторождений. Кроме того, в последнее время добыча и переработка монацита значительно сократились ввиду того, что содержание тория (и, что более важно, побочного продукта - радия) делает этот минерал радиоактивным.

Тем не менее, маловероятно, что имеется опасность возникновения нехватки редких земель. По оценке Геологической службы США, их выявленные мировые запасы и добыча (в пересчете на оксиды редкоземельных металлов - РЗО) составили соответственно 88 млн. и 105 тыс. тонн. При этом эксперты полагают, что невыявленные ресурсы весьма велики в сравнении с ожидаемым уровнем спроса.


Добыча редких земель в КНР началась в середине 80-х годов (тогда мировое производство составляло 40 тыс. тонн РЗО в год), а теперь эта страна является их доминирующим мировым продуцентом, на долю которого в 2005 г. приходилось 93% всех выпущенных в мире редких земель. Основные ресурсы в КНР сосредоточены на железо-ниобий-редкоземельных месторождениях во Внутренней Монголии и на месторождениях ионно-абсорбционных руд на юге страны. Последние ценятся благодаря относительно высокой доле содержания в них более тяжелых редкоземельных элементов.

Соотношение концентраций отдельных редкоземельных металлов в различных рудах может в значительной степени варьироваться, причем оно не соответствует соотношению уровней коммерческого спроса на них. Это приводит к тому, что для получения адекватного количества более редких, но важных элементов приходится выпускать значительные объемы других более распространенных металлов.

Для производства концентратов, содержащих 60 - 70% смешанных РЗО, добываемая руда обычно перерабатывается с использованием флотационной технологии и технологии разделения. Из концентратов могут быть получены промежуточные продукты, такие как смешанные хлориды редкоземельных металлов, которые обычно являются отправной точкой для наиболее простой технологии разделения - экстракции из раствора. Ввиду сходства металлов разделение первоначально производится на подгруппы, которые затем разъединяются на индивидуальные элементы путем дальнейшей экстракции из раствора.

Индивидуальные редкие земли обычно осаждаются в виде оксалатов, которые обжигаются до получения оксидов. Очень высокая чистота оксидов может быть достигнута с помощью применения ионно-обменной технологии.

Тогда как в форме химических соединений потребляются все редкие земли, только некоторые из них в промышленных масштабах используются в виде металлов (в частности, в производстве магнитов). Эти металлы могут быть получены из фторидов с применением кальцийтермического или электролитического восстановления, а также в некоторых случаях путем металлотермического восстановления оксидов.

Значение редких земель непрерывно растет благодаря их использованию во многих современных технологиях, в том числе в производстве каталитических фильтров-нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей, волоконной оптики, лазеров, кислородных сенсоров, люминофоров и сверхпроводников. В США, по данным Геологической службы, потребление редких земель в 2004 г. оценивалось в 1 млрд. долл., при этом в количественном выражении его отраслевая структура была следующей (%):


Церий, как наиболее распространенный и наименее дорогостоящий элемент рассматриваемой группы, имеет ряд установившихся сфер потребления, совершенно отличных от других металлов. Оксид церия используется для полировки стекла. Практически все высококачественно отполированное стекло, включая зеркала и прецизионные линзы, подвергается обработке с помощью оксида церия.

Церий является основным компонентом мишметалла, который представляет собой "природный сплав" наиболее распространенных редкоземельных металлов. Обычно он может содержать около 50% церия, 30% лантана, 15% неодима и 5% празеодима. Мишметалл используется в металлургии при очистке стали от свободного кислорода и серы (в форме устойчивых оксисульфидов), а также от примесей свинца и сурьмы.

Мишметалл, сплавленный с такими металлами, как железо и магний, применяется в производстве более легких сортов флинта и ряда других сплавов.

Крупной сферой потребления редких земель является производство различных видов катализаторов. Оксид церия используется для улучшения характеристик каталитических фильтров-нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей. Его присутствие способствует преобразованию оксида углерода, несгоревших углеводородов и оксида азота в углекислый газ, воду и азот. Полагают, что церий стабилизирует действие оксида алюминия, усиливает процесс протекания некоторых каталитических реакций и повышает активность родия для сокращения концентрации NOx в выхлопных газах. Он улучшает также характеристику "холодного старта" катализаторов.

Редкие земли используются для поддержания различных каталитических реакций углеводородов в нефтеперерабатывающей промышленности и производстве пластмасс. Церий и лантан применяются в FCC-катализаторах, содержащих цеолиты и используемых в процессе превращения сырой нефти в нефтепродукты. Редкие земли более устойчивы к таким катализа-торным ядам, как никель, ванадий и сера. Катализаторы, предназначенные для обессеривания и содержащие церий, используются для удаления примесей серы из сырой нефти.

Церий также находит применение в производстве каталитических систем, способствующих преобразованию метилбензола в стирол. Кроме того, редкие земли используются для усиления действия других промышленных катализаторов, предназначенных для осуществления процессов окисления, обезвоживания, увлажнения и полимеризации.

Важным рынком сбыта редких земель является производство люминесцирующих материалов (или люминофоров), в которых редкоземельные элементы могут включаться в основную матрицу вещества или являться центрами возбуждения. Электронная структура атомов редкоземельных элементов обеспечивает их особую эффективность при высокоэнергетическом возбуждении с помощью гамма-лучей, рентгеновского излучения, катодных лучей (электроны) или ультрафиолетового излучения с целью получения узкополосного люминесцентного свечения в видимой области спектра.

В телевизионных электроннолучевых трубках оксисульфид иттрия, активированный трехвалентным европием - Y2O2S:Eu3+, является стандартным красным люминофором, заменившим ранее применявшийся ZnS:Ag. В число других люминофоров, используемых в электроннолучевых трубках, входят Gd2O2S:Tb3+ и Y3Al5O12:Ce3+.

В новом поколении компактных "трехполосных" флуоресцентных ламп три люминофора используются для преобразования ультрафиолетовых лучей в красное, зеленое и синее свечения. Их сложение в результате дает "белое" излучение. Двухвалентный Eu-центр используется для получения синего свечения, Се- и Tb-центры - для зеленого и трехвалентный Eu-центр - для красного.

Аналогично этому в плоских плазменных экранах и экранах с автоэлектронной эмиссией применяются люминофоры на основе редкоземельных элементов, которые создают "белые" светодиоды.
В медицинской рентгенографии люминофоры на основе редких земель используются для преобразования рентгеновских лучей в синее или зеленое излучение, к которому фотоэмульсия более чувствительна.

Иттрий-алюминиевые гранаты (Y3A15O12, или YAG) являются синтетическими кристаллами, которые широко применяются в качестве активной лазерной среды в твердотельных лазерах. Обычно для получения лазерного излучения со специфической длиной волны они активируются, причем наиболее часто путем введения неодима.

В производстве постоянных магнитов применение редких земель привело к революционным преобразованиям в данной отрасли. Новые мощные магниты на основе самария-кобальта были разработаны в середине 60-х годов, при этом двумя основными используемыми сплавами являлись SmCo5 и Sm2Con. После этого продуценты сами осуществили совершенствование технологии изготовления магнитов, в частности самарий был частично заменен другими редкоземельными элементами. В 2005 г. суммарное мировое производство редкоземельных магнитов составило примерно 2,4 тыс. тонн.

До сих пор используемые наиболее мощные твердые магниты были введены в употребление в 1984 г. и основывались на неодим-железо-боровом сплаве Nd2FeJ4B. Они обладали вдвое большей магнитной силой, чем самарий-кобальтовые продукты, и имели высокую устойчивость к размагничиванию. Спрос на "neo''-магниты рос впечатляющими темпами, и в 2005 г. их мировые отгрузки превысили 40 тыс. тонн на сумму 3,7 млрд. долл., т. е. в стоимостном выражении на них приходилась наибольшая доля мирового рынка твердых магнитных материалов. Способность "neo''-магнитов генерировать сильное поле при их небольших размерах позволила этим продуктам внести свою лепту в осуществление процесса, направленного на миниатюризацию электронного оборудования.

К другим сферам потребления редких земель относится, в частности, производство перезаряжаемых лантан-никель-гидридных аккумуляторных батарей, обычно называемых никель-металл-гидридными. Благодаря своим более высоким характеристикам и экологическим преимуществам они постепенно вытесняют из употребления никель-кадмиевые батареи. Кроме того, редкие земли используются в пигментах и красках: красные/оранжевые/коричневые пигменты для пластмасс и краски на основе церия и лантана были разработаны в качестве альтернативы красителям на основе тяжелых металлов. Редкие земли также служат добавками к керамике, улучшающими ее свойства. Оптоволоконные кабели передают сигналы на большие расстояния, поскольку они содержат периодически расположенные участки волокна (активированного эрбием), действующие как лазерный усилитель.