Нещодавня заява президента США про можливість надання військових і економічних гарантій Україні в обмін на доступ до наших покладів рідкісноземельних елементів викликала неабиякий резонанс у суспільстві. Ідею Дональда Трампа публічно обговорюють і офіційні особи1, щоправда лише у гіпотетичному ключі. На сьогодні українська сторона відмовилася2 підписувати навіть рамковий договір, позаяк він не містив гарантій для України. У соцмережах точаться пристрасні дискусії прихильників і противників обміну доступу до надр на безпеку і технології. Проте чи їхні поклади унікальні, а самих цих елементів у природі так мало, що невдовзі саме боротьба за цей ресурс стане приводом для глобальної війни й локальних збройних конфліктів?
Справді, ще у 2022 році Міністерство енергетики США опублікувало звіт3, в якому одним із ключових викликів сьогодення для Сполучених Штатів названа відсутність безпечних джерел низки важливих мінералів, зокрема рідкісноземельних елементів. У документі наголошувалося, що залежність від Китаю у цій галузі підриває стратегічну стабільність США. На створення і розбудову надійних ланцюгів постачання рідкісноземельних елементів Конгрес виділив4 близько 800 мільйонів доларів. То що це за елементи, чий видобуток вартий спеціального фінансування законодавців США?
Хто сказав, що їх мало?
Новоспеченому лейтенанту шведської армії Карлу Акселю Арреніусу пощастило. В артилерійському полку Свеа на нього поклали обов’язок контролювати якість гарматних порохів, що прямою стежкою привело Арреніуса до пробірної палати Королівського монетного двору. Керівник цього поважного закладу, уславлений Петер , з ентузіазмом взявся навчати молодика основ хімічного аналізу і закохав того в хімію на все життя. Тож не дивно, що в 1787 допитливий лейтенант звернув увагу на дивного кольору породу в копальні поблизу містечка Іттербю, де був розквартирований його полк.
Арреніус вважав, що відкритий ним мінерал, якому він дав назву «іттербіт», мусить містити не відомі досі елементи, тому зробив усе можливе, щоб він потрапив до найкращих лабораторій тих часів. Х’єлм познайомив офіцера із видатними вченими Європи: , , . Саме останній сім років по тому спромігся виділити з Арреніусового мінералу нову «землю» — оксид невідомого доти металу ітрію Y₂O₃. На пропозицію Арреніуса ця сполука була названа «рідкісною», бо досі не траплялася природознавцям. Чистий ітрій виділив німецький хімік у 1800 році, а ще за два роки він додатково відкрив у «іттербіті» ще три елементи, які назвав ітербієм (Yb), тербієм (Tb) і ербієм (Er) — усі на честь села Іттербю, як того колись зажадав Арреніус. А мінерал перейменували на гадолініт, на згадку про непересічний внесок професора Ґадоліна у його дослідження. Згодом на честь Ґадоліна був названий ще один елемент цієї групи — гадоліній (Gd). Сам Карл Аксель Арреніус, вочевидь, не претендував на те, щоб увійти в історію як першовідкривач. За ці роки він встиг під керівництвом Спаррмана здійснити експедицію до Сенегалу, отримати майорський і генерал-інспекторський чини на театрі російсько-шведської війни 1788 року і навіть набути членства Королівських академій військових і природничих наук. А в наступному столітті поступився всією славою своєму тезці, відомому кожному школяреві , з яким вони ніколи не бачилися наживо, не мали родинних зв’язків і навіть не були земляками. Все, що нам залишив у спадщину Карл Аксель Арреніус, — це групова назва «рідкісноземельні» для низки елементів періодичної системи.
Не перші, але далеко не останні
Насправді ні скандій з ітрієм, ні група так званих лантаноїдів — п’ятнадцяти елементів, які всі помістилися в одній клітинці 6 періоду ІІІ групи періодичної системи, здебільшого не є рідкісними в природі. Наразі відома понад сотня мінералів, які містять сполуки цих елементів у певних кількостях. Наприклад, один із гадолінітів містить 23% церію оксиду Ce₂O₃, на тонну іншого різновиду цього мінералу припадає до 1 кг скандію оксиду Sc₂O₃. Більшість лантаноїдів також часто трапляються у природних копалинах і навіть утворюють поклади комерційного значення, тобто перспективні для видобутку заради сполук саме цих елементів. Зазвичай такими вважаються рудні поклади, які містять шукані метали у кількостях не менш ніж 5% за масою. Проте для деяких елементів рентабельним для видобутку є на порядок нижчий вміст. Наприклад, родовище Мессіна у Південноафриканській республіці вважається багатим, хоча вміст платини у руді ледь сягає 12 г/т, а паладію — 5 г/т, тобто 0,0012 і 0,0005% відповідно.
Питання поширеності елементів у природі набуло популярності серед науковців наприкінці ХІХ — на початку ХХ століть, вочевидь, внаслідок промислового буму і глобалізації економік. Уперше систематизувати дані хімічного аналізу численних гірських порід вдалося американському геохіміку . Його опублікована у 1908 році праця5 «Дані геохімії» містила оцінку поширеності 81 елемента і кількасот мінералів у земній корі різних континентів, Світовому океані й атмосфері. Кларк увів у загальний вжиток поняття «головних» і «розсіяних» елементів, якими науковці користуються досі. 700-сторінковий твір Кларка, який доповнювали і уточнювали новітніми даними, став настільною книгою геохіміків, а виражені у відсотках або кг/т усереднені частки елементів у літосфері, водному і повітряному океанах, біосфері назвали кларками на честь ученого.
Головних або петрогенних (від грецького «петрос» — камінь) елементів кори, які утворюють більшість гірських порід і зовнішній шар мантії, всього 12. Це силіцій (Si), алюміній (Al), кальцій (Ca), натрій (Na), карбон (C), магній (Mg), титан (Ti), калій (K), манган (Mn), залізо (Fe), гідроген (H) і оксиген (O). Їхні кларки значні: більше ніж 1%, а подекуди десятка відсотків за масою. Так, кларк оксигену6 в літосфері дорівнює 47%, кларк силіцію — 28%, кларк заліза — майже 5%. Це не дивно, позаяк гірські породи — це здебільшого силікати, карбонати, оксиди металів.
Всі інші елементи називають розсіяними. Вони і справді розсіяні серед головних невеликими вкрапленнями. Іноді це локальні самородні розсипи: золото, срібло, ртуть. Іноді вони містяться у покладах, як залізо, свинець, цинк чи мідь — а здебільшого присутні у вигляді домішок до основних елементів руд. Майже завжди домішки заважають металургійним процесам, тому їх або видаляють і викидають геть, або, якщо це вигідно, виділяють з відпрацьованої породи.
Утім, кларки рідкісноземельних металів6, порівняно із іншими розсіяними елементами, не такі вже й малі. Кларк «рідкісного» церію становить 0,0066% — майже такий, як у цілком «промислової» міді (0,0060%), і вчетверо більший за кларк свинцю (0,0014%). Неодиму, лантану і знайомого нам ітрію нарізно в літосфері вдесятеро більше, ніж олова. Щоправда, і свинцеві, і олов’яні руди добре відомі людству ще з бронзової доби, отже і самі метали вивчені достеменно. Інша річ — лантаноїди, які за хімічними властивостями схожі одне на одного, а тугоплавкість і стійкість їхніх оксидів до відновників сильно ускладнює розділення, виділення і аналіз металів. Недаремно титульний елемент цієї групи отримав назву лантан від грецького «прихований». Згадайте, що професору Велеру знадобилося аж два роки для того, щоби відкрити у гадолініті три різні лантаноїди. Це був неабиякий виклик для хіміка, єдиним інструментом якого були реакції ХІХ століття і аптекарські ваги.
Хімічні властивості елементів, зокрема їхня здатність вступати у реакції, розчинність їхніх сполук, залежать майже винятково від конфігурації зовнішньої електронної оболонки їхніх атомів: скільки на ній перебуває електронів, яку саме форму мають утворені ними електронні хмари, скільки електронів (1 чи 2) містить кожна хмара. Вплив оболонок, розташованих під зовнішньою, набагато слабший.
Так, наприклад, оксиген у хімічних перетвореннях разюче відрізняється від свого сусіда по періодичній системі нітрогену: один активно вступає в реакції, легко окиснює метали і загалом є основою для дихання, інший навіть за його грецькою назвою «азот — нежиттєвий» часто використовують як інертний газ. А різницю між ними зумовлює один-єдиний електрон на зовнішній p-оболонці. Інша ситуація з елементами 4 та нижчих періодів, так званими перехідними металами. Вони відрізняються один від одного за кількістю електронів на шарі (d-шар), що передує зовнішньому, на якому вони всі мають по два електрони. Їхні хімічні властивості теж майже однакові: подекуди хімікам доводиться докласти неабияких зусиль, щоби відрізнити чи розділити іони заліза від іонів нікеля чи хрома у розчині за допомогою хімічних реакцій.
Елементи групи лантану відрізняються кількістю електронів на ще більш глибокій f-оболонці. Отже, і різниця між їхніми хімічними властивостями мізерна. Всі вони демонструють ті самі реакції, що і лантан. Саме це допомогло їм так довго переховуватися від дослідників, ховаючись за спинами одне одного. Справжній бум відкриття лантаноїдів почався із появою спектральних методів аналізу речовини — наприкінці ХІХ століття, коли Франк Кларк збирав дані і писав свою фундаментальну працю. Тоді були відкриті й ідентифіковані доволі рідкісні лантаноїди лютецій, тулій, самарій, гольмій, празеодим і нині широко відомий неодим. Попри хімічну ідентичність, фізичні властивості лантаноїдів і їхніх штучних сполук значно відрізняються: вони мають різні магнітні, оптичні, термічні і механічні характеристики, що зумовлює інтерес до них і попит у різних галузях промисловості.
Як щодо рідкісноземельної кризи?
З огляду на унікальні фізико-хімічні характеристики рідкісноземельних елементів, зокрема магнітні й оптичні властивості, вони застосовуються у різних галузях промисловості7. Ітрій, європій і тербій здатні до люмінесценції червоним зеленим і блакитним кольорами, відтак саме ним ми завдячуємо різноманітними дисплеями RGB: комп’ютерними моніторами, екранами смартфонів. Вони ж надають різних відтінків і яскравості світлодіодним лампам.
Інша галузь індустрії, яка потребує рідкісноземельних елементів, — це оптичні пристрої. Домішки лантаноїдів зменшують поглинання світла лінзами цифрових фотокамер, їхні фториди створюють захисну плівку на поверхні об’єктивів, коригують передачу кольорів. Принаймні половина всіх цифрових камер у світі, зокрема встановлених у смартфонах, містять лантан8. Цей же елемент використовують як каталізатор для нафти. Сплави лантану застосовують як аноди в NiMH-акумуляторах, — такі акумулятори у гібридних автомобілях містять близько 10 кг лантану9. Каталізатори на основі церію знижують токсичність вихлопних газів сучасних автівок.
Потужні постійні магніти на основі неодиму, диспрозію, самарію і празеодиму використовують у генераторах вітряних електростанцій, вони стабілізують вібрацію комп’ютерних жорстких дисків. За даними американського журналу U.S. Geological Survey10, загалом близько 200 видів промислової продукції конче потребують рідкісноземельних елементів.
Видобувна галузь в цілому здатна забезпечити попит на ці метали. Минулоріч, за даними того самого журналу, США виробили 45 тисяч тонн рідкоземельних металів, Австралія — 13 тисяч тонн, Бірма — 31 тисячу тонн, Китай — 270 тисяч тонн, Нігерія і Таїланд — по 13 тисяч тонн. Водночас стратегічні резерви вже видобутих металів у США становлять 1,9 мільйона тонн, у Китаю — 44 мільйони тонн, у Бразилії, яка у видобутку пасе задніх, неабиякий заділ минулих років у 21 мільйон тонн, а загалом світові резерви становлять трохи менше ніж 90 мільйонів тонн при щорічному видобутку близько 380 тисяч тонн. Як бачите, «лантаноїдна криза» світові не загрожує принаймні років зо десять. Здається, причини зацікавленості президента Трампа покладами рідкісноземельних металів варто шукати в царині політики чи ринкових спекуляцій.
