Terre rare

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Se riscontri problemi nella visualizzazione dei caratteri, clicca qui.
Ossidi di terre rare
Minerale di una terra rara

Secondo la definizione della IUPAC, le terre rare (in inglese "rare earth elements" o "rare earth metals") sono un gruppo di 17 elementi chimici della tavola periodica, precisamente scandio, ittrio e i lantanoidi[1]. Scandio e ittrio sono considerate "terre rare" poiché generalmente si trovano negli stessi depositi minerari dei lantanoidi e possiedono proprietà chimiche simili.

Il termine "terra rara" deriva dai minerali dai quali vennero isolati per la prima volta, che erano ossidi non comuni trovati nella gadolinite estratta da una miniera nel villaggio di Ytterby, in Svezia. In realtà, con l'eccezione del promezio che è molto instabile, gli elementi delle terre rare si trovano in concentrazioni relativamente elevate nella crosta terrestre.

Vengono abbreviate in RE (Rare Earths), REE (Rare Earth Elements) o REM (Rare Earth Metals); generalmente vengono suddivise in terre rare leggere (LREE, dal lantanio al promezio), medie (MREE, dal samario all'olmio) e pesanti (HREE, dall'erbio al lutezio)[2].

Storia[modifica | modifica sorgente]

Le terre rare cominciano a essere note con la scoperta del minerale nero itterbite (noto anche come gadolinite) da Carl Axel Arrhenius nel 1787, in una cava nel villaggio svedese di Ytterby[3].

Z Simbolo Nome Etimologia
21 Sc Scandio Dal latino Scandia (Scandinavia), dove venne scoperto il primo minerale di terre rare.
39 Y Ittrio Dal villaggio di Ytterby, in Svezia, dove venne scoperto il primo minerale di terre rare.
57 La Lantanio Dal greco lanthanon ("sono nascosto").
58 Ce Cerio Da Cerere, dea romana della fertilità.
59 Pr Praseodimio Dal greco prasios ("verde") e didymos ("gemello").
60 Nd Neodimio Dal greco neo ("nuovo") e didymos ("gemello").
61 Pm Promezio Dal Titano Prometeo, che portò il fuoco agli uomini.
62 Sm Samario Da Vasilij Samarskij-Bychovec, che scoprì il minerale samarskite.
63 Eu Europio Dal continente Europa.
64 Gd Gadolinio Da Johan Gadolin (1760-1852), per onorare i suoi studi sulle terre rare.
65 Tb Terbio Dal villaggio di Ytterby.
66 Dy Disprosio Dal greco dysprositos ("difficile da arrivarci").
67 Ho Olmio Dal latino Olmia (Stoccolma), città natale dei suoi scopritori.
68 Er Erbio Dal villaggio di Ytterby.
69 Tm Tulio Dalla terra mitologica di Thule.
70 Yb Itterbio Dal villaggio di Ytterby.
71 Lu Lutezio Da Lutetia, città che divenne poi Parigi.

L'itterbite, rinominata gadolinite nel 1800, fu analizzata da Johan Gadolin, un professore dell'Università di Turku, che trovò un ossido sconosciuto che chiamò "ytteria". Anders Gustav Ekeberg isolò il berillio dalla gadolinite ma non riuscì a riconoscere gli altri elementi contenuti nel minerale. Dopo questa scoperta nel 1794 a minerale da Bastnäs vicino a Riddarhyttan, in Svezia, che si pensava fosse un minerale di ferro e tungsteno, fu riesaminato da Jöns Jacob Berzelius e Wilhelm Hisinger. Nel 1803 essi ottennero un ossido bianco che chiamarono "ceria". Martin Heinrich Klaproth scoprì indipendentemente lo stesso ossido, che chiamò "ochroia".

Nel 1803 erano quindi note due terre rare, l'ittrio e il cerio, e ci vollero 30 anni ai ricercatori per determinare gli altri elementi contenuti in quei minerali (la loro separazione era molto difficile a causa delle loro proprietà chimiche molto simili).

Dal 1839 fino ai primi anni del Novecento vennero così separati e scoperti gli altri elementi.

Applicazioni tecnologiche[modifica | modifica sorgente]

Le terre rare sono utilizzate in molti apparecchi tecnologici:

Produzione[modifica | modifica sorgente]

Le principali fonti di terre rare sono i minerali bastnasite, monazite e loparite, e le argille lateritiche. Nonostante la loro abbondanza relativamente alta, le terre rare sono più difficili da estrarre rispetto alle equivalenti fonti dei metalli di transizione (dovuto in gran parte alle loro proprietà chimiche molto simili), rendendole relativamente costose. Il loro uso industriale è stato molto limitato finché non si sono sviluppato efficienti tecniche di separazione, come lo scambio ionico, la cristallizzazione frazionata e l'estrazione liquido-liquido tra la fine degli anni cinquanta e l'inizio degli anni sessanta del Novecento[5].

Produzione globale 1950-2000

Dal punto di vista della distribuzione mondiale, fino al 1948 la maggior parte delle terre rare del mondo provenivano dai depositi di sabbia indiani e brasiliani[6]. Durante gli anni cinquanta il Sudafrica divenne la principale fonte di terre rare[6]. Furono scoperti anche notevoli giacimenti a Mountain Pass, in California (USA), che tra il 1965 e il 1985 circa furono i giacimenti più produttivi del mondo. Dopo il 1985 circa si impose sempre maggiormente la Cina, che produce oggi oltre il 95% della fornitura mondiale di terre rare[4].

L'utilizzo di terre rare nella tecnologia moderna è cresciuto notevolmente negli anni passati. Ad esempio il disprosio ha acquisito un'importanza significativa per il suo utilizzo nella costruzione di motori di veicoli ibridi[7]. Questa forte richiesta ha però incentivato a tal punto la produzione che ci potrebbe presto essere il rischio di un esaurimento dei giacimenti noti[8] (ci si aspetta infatti che per molti anni la richiesta mondiale di terre rare superi l'offerta di 40.000 tonnellate ogni anno), a meno che non vengano scoperte nuovi fonti[9]. Tutte le terre rare pesanti del mondo (come il disprosio) provengono da depositi cinesi come quello di Bayan Obo[10]. Miniere illegali di terre rare sono comuni nella Cina rurale e sono spesso note per rilasciare rifiuti tossici nelle risorse idriche[11].

Per evitare carenze e il monopolio cinese sono state cercate altre fonti di terre rare, specialmente in Sudafrica, Brasile, Canada e Stati Uniti[12]. Una miniera di terre rare in California sarà riaperta nel 2012, mentre altri siti importanti sono quelli a Thor Lake nei Territori del Nord-Ovest, in Quebec e nelle province occidentali (sviluppati dalla Quest Rare Minerals) e in alcune zone del Vietnam[9].

Distribuzione geologica[modifica | modifica sorgente]

A causa della contrazione lantanoidea l'ittrio, che è trivalente, ha dimensioni ioniche simili al disprosio e gli elementi vicini. A causa della diminuzione graduale nelle dimensioni ioniche all'aumentare del numero atomico, le terre rare sono sempre state difficili da separare. Perfino in eoni di tempi geologici, la separazione geochimica dei lantanoidi si è limitata a una non chiara separazione tra le terre rare leggere e quelle pesanti. Questo spartiacque geochimico si riflette nelle prime due terre rare che furono scoperte, l'ittrio nel 1794 e il cerio nel 1803. Il minerale originariamente trovato conteneva un'intera miscela delle altre terre rare associate.

I minerali delle terre rare generalmente sono costituiti per la maggior parte da un gruppo sull'altro, a seconda di quale dimensione sia ottimale per il reticolo strutturale. Così, tra i fosfati anidri delle terre rare, lo xenotime incorpora l'ittrio e le terre rare pesanti, mentre la monazite incorpora preferenzialmente il cerio e le terre rare leggere. Le dimensioni minori delle terre rare pesanti conferiscono loro una maggiore solubilità nei minerali che costituiscono le rocce del mantello terrestre, mentre presentano minore arricchimento nella crosta terrestre (rispetto alle terre rare leggere). Ciò ha delle conseguenze economiche: sono noti e molto sfruttati grandi depositi minerari delle terre rare leggere, mentre quelli delle terre rare pesanti tendono a essere più rari, piccoli e meno concentrati.

La maggior parte della fornitura attuale di ittrio si origina da depositi di argille della Cina meridionale. Alcune di queste argille forniscono concentrati contenenti circa il 65% di ossido di ittrio, con le terre rare pesanti presenti in rapporti che riflettono la regola di Oddo-Harkins: terre rare di numero atomico pari con abbondanza di circa il 5% ognuno, quelle di numero atomico dispari con abbondanza di circa l'1% ognuno. Composizioni simili si trovano nello xenotime o nella gadolinite.

Tra i minerali che contengono ittrio e le terre rare pesanti ci sono gadolinite, xenotime, samarskite, euxenite, fergusonite, ittrotantalite, ittrotungstite, ittrofluorite, thalenite, ittrialite. Piccole quantità si trovano anche nello zircone (che deve la sua tipica fluorescenza gialla da alcune terre rare pesanti) e nell'eudialite. Depositi di uranio in Ontario hanno occasionalmente prodotto ittrio come sottoprodotto.

Tra i minerali che contengono cerio e le terre rare leggere ci sono bastnasite, monazite, allanite, loparite, ancilite, parisite, lantanite, chevkinite, cerite, stillwellite, britholite, fluocerite-(Ce) e cerianite. Per anni la monazite (sabbie marine da Brasile, India o Australia; rocce dal Sudafrica), bastnasite (da Mountain Pass, in California, o da molte località della Cina) e loparite (penisola di Kola, in Russia) sono state le principali fonti di cerio e terre rare leggere.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ (EN) N G Connelly, T Damhus, R M Hartshorn e A T Hutton, Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005 (PDF), Cambridge, RSC Publ., 2005, ISBN 0-85404-438-8. URL consultato il 27 novembre 2009.
  2. ^ (EN) M. S. Navarro, Ulbrich H.H.G.J., Andrade S., Janasi V.A., Adaptation of ICP-OES routine determination techniques for the analysis of rare earth elements by cromatographic separation in geologic materials: tests with reference materials and granitic rocks in Journal of Alloys and Compounds, nº 344, 2002, pp. 40-45.
  3. ^ (EN) 1787-1987 Two hundred Years of Rare Earths in Rare Earth Information Center, IPRT, North-Holland, IS-RIC 10, Gschneidner KA, Cappellen, 1987.
  4. ^ a b c d e (EN) G Haxel, J Hedrick e J. Orris, Rare earth elements critical resources for high technology (PDF), 2006. URL consultato il 19 aprile 2008.
  5. ^ (EN) F. Spedding e A.H. Daane, The Rare Earths, John Wiley & Sons, 1961.
  6. ^ a b ER, Rose. Rare Earths of the Grenville Sub‐Province Ontatio and Quebec. GSC Report Number 59‐10. Ottawa: Geological Survey of Canada Department of Mines and Technical Surveys, 1960.
  7. ^ (EN) G. Nishiyama, Japan urges China to ease rare metals supply, Reuters Latest News, 8 novembre 2007. URL consultato il 10 marzo 2008.
  8. ^ (EN) Cox C. 2008. Rare earth innovation. Herndon (VA): The Anchor House Inc;. URL consultato il 19 aprile 2008.
  9. ^ a b (EN) As hybrid cars gobble rare metals, shortage looms, 31 agosto 2009.
  10. ^ Chao ECT, Back JM, Minkin J, Tatsumoto M, Junwen W, Conrad JE, McKee EH, Zonglin H, Qingrun M. Sedimentary carbonate‐hosted giant Bayan Obo REE‐Fe‐Nb ore deposit of Inner Mongolia, China; a cornerstone example for giant polymetallic ore deposits of hydrothermal origin. 1997. United States Geological Survey Publications Warehouse. 29 febbraio 2008 http://pubs.usgs.gov/bul/b2143/
  11. ^ (EN) Y. Lee, South China Villagers Slam Pollution From Rare Earth Mine, RFA, 22 febbraio 2008. URL consultato il 16 marzo 2008.
  12. ^ (EN) Canadian Firms Step Up Search for Rare-Earth Metals in NYTimes.com, Reuters, 9 settembre 2009. URL consultato il 15 settembre 2009.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

chimica Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia