Sjeldne jordarter

Sjeldne jordarter er en gruppe grunnstoffer bestående av de 15 lantanoider, yttrium og scandium. De har nokså liknende egenskaper, og er av stor betydning for dagens teknologi.

Om navnet
Begrepet sjeldne jordarter har vist seg å være feil. Men da disse grunnstoffer ble oppdaget, var det få kjente forekomster hvor det fantes mineraler som inneholdt dem. I tillegg var mengden av disse sjeldne jordartsmineraler svært begrenset. 

Videre klarte kjemikere ikke å fremstille de rene, metalliske grunnstoffene. De klarte kun å fremstille oksider av dem. Disse oksider var veldig lik jord. Det var ikke før i 1828 at tysk kjemiker Friedrich Wöhler (1800-1882) klarte å fremstille metallisk yttrium.

I virkeligheten er cerium, den mest vanlige i den gruppen, mer vanlig enn kobber. Og lutetium, den mest sjeldne, er mer vanlig enn gull og platina.

Historien om oppdagelsen av sjeldne jordarter
Den største utfordring for å kunne oppdage de sjeldne jordarter, var at de finnes sammen som blanding i sjeldne jordsartmineraler. På grunn av nokså like kjemiske egenskaper er de vanskelig å skille. Både yttrium og cerium, som var de første som ble oppdaget, viste seg å være blandinger med flere andre sjeldne jordarter. 

Ved hjelp av kjemiske metoder og spektroskopi var det mulig å oppdage at det skjulte seg andre sjeldne jordarter i det opprinnelig framstilte preparater.

Yttrium
Carl Axel Arrhenius (1757-1824) var offiser i den svenske hær, og var samtidig amatør geolog og kjemiker. I 1787 fant han en prøve av et ukjent mineral i et kvarts- og feltspatbrudd ved Ytterby, om lag 20 km nordøst for Stockholm. Prøven var et mørkt, nokså tung mineral. Han trodde at det inneholdt wolfram og kalte det ytterbitt. Etter hvert bestemte han seg for å sende prøver til noen kjemikere for videre studier. 

Johan Gadolin (1760-1852), finsk kjemiker, fysikker og mineralog, var en av dem som fikk tilsendt prøver av dette ukjente mineral i 1792. Etter å ha studert prøvene, kunngjorde han i 1794 at disse inneholdt et oksid av et nytt, hittil ukjent grunnstoff. Oksiden kalte han yttria etter Ytterby, mens selve grunnstoffet fikk navnet yttrium. Mineralet som Arrhenius fant, fikk etter hvert navnet gadolinitt.

Cerium
Vinteren 1803/4 oppdaget svensk kjemiker Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) og geolog Wilhelm Hisinger (1766-1852) cerium i et mineral fra Bastnäs gruve, noen kilometer vest for Skinskatteberg i Västmanland. Uavhengig av dem, oppdaget Tysk kjemiker Martin Klaproth (1743-1817) cerium bortimot samtidig. Grunnstoffet fikk navnet cerium etter en nyoppdaget dvergplanet som hadde fått navnet Ceres (og som da feilaktig ble klassifisert som asteroide). Metallisk cerium ble for første gang fremstilt i 1875 av to amerikanske forskere.

Lantan
Lantan ble oppdaget i 1839 av svensk kjemiker og mineralog Carl Gustav Mosander (1797–1858). Da han eksperimenterte med cerium-nitrat, utvunnet fra ceriummalm fra Bastnäs gruve, oppdaget han at den inneholdt en annen kjemisk substans som viste seg å inneholde et nytt grunnstoff. Den fikk navnet lantan, etter det greske lanthanein, som betyr å ligge skjult. Samtidig fremstilte han en lilla substans, som han kalte didymium (tvilling). Den skulle senere vise seg å være en blanding av flere andre, sjeldne jordarter.

Erbium og terbium 
Erbium og terbium ble samtidig oppdaget av Carl Gustav Mosander i 1843 i yttriumoksid. Erbiumoksid er rosa, mens terbiumoksid er gul. Begge to fikk sitt navn etter Ytterby.

Ytterbium
Ytterbium ble oppdaget i 1878 av den sveitsiske kjemikeren Jean Charles Galissard de Marignac (1817–1894). Han klarte å isolere grunnstoffet fra prøver av det tidligere oppdagede grunnstoffet erbium. Ytterbium ble oppkalt etter Ytterby.

Holmium
Holmium ble oppdaget i 1878 samtidig av de to sveitsiske vitenskapsmennene Marc Delafontaine og Jacques-Louis Soret, og den svenske kjemikeren Per Teodor Cleve (1840–1905). Holmium ble isolert fra prøver av erbium. Holmium ble oppkallt etter Holmia, det latinske navnet på Stockholm.

Samarium
Samarium ble oppdaget i 1879 av den franske kjemikeren Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912). Han ekstraherte Mosanders «didymium» fra mineralet samarskitt, og fant gjennom kjemiske eksperimenter ut at den besto av ulike typer sjeldne jordarter. Samarium ble oppkalt etter samarskitt.

Thulium
Thulium ble oppdaget i 1879 av den svenske kjemikeren Per Teodor Cleve (1840–1905) i erbiumprøver; han hadde oppdaget holmium i de samme prøvene året før. Thulium ble oppkalt etter Thule, et gammelt navn for Skandinavia.

Scandium
Allerede i 1869 foruyså Dmitrij Mendelejev, da han utviklet det periodiske system av grunnstoffer, at det ville bli oppdaget et nytt grunnstoff mellom kalsium (atomnummer 20) og titan (atomnummer 22). Han kalte det ekaboron. Den svenske kjemikeren Lars Erik Nilsen (1840–1899) oppdaget det nye grunnstoffet med atomnummeret 21 i 1879, i erbium. Det hadde blitt fremstilt fra euxenitt, et mineral som han trodde fantes kun i Skandinavia. Derfor fikk grunnstoffet navnet scandium.

Gadolinium
Gadolinium ble oppdaget i 1880 av den sveitsiske kjemikeren Jean Charles Galissard de Marignac (1817–1894). Han mistenkte at didymium, stoffet som Mosander hadde oppdaget, også kunne vise seg å inneholde andre sjeldne jordarter. Gadolinium ble oppkalt etter Johan Gadolin, som hadde oppdaget yttrium i 1894.

Neodym og praseodym
Neodym og praseodym ble oppdaget i Wien i 1885 av Carl Auer von Welsbach (1858–1929), i en substans som Mosander hadde framstilt av ceriummalm, og som hadde fått navnet didymium. Mosander hadde feilaktig trodd at det var et nytt grunnstoff. Det viste seg å være en blanding med flere sjeldne jordarter. Navnet neodym betyr «ny tvilling», mens praseodym er avledet av «prasios didymos», som er gresk for «grønn tvilling».

Dysprosium
Dysprosium ble oppdaget av den franske kjemikeren Eugène-Anatole Demarcay i 1886. Det viste seg at holmiumprøver inneholdt enda en ny og sjelden jordart: dysprosium. Demarcay måtte gjennomføre svært mange forsøk der han utløste forskjellige kjemiske reaksjoner for å separere dysprosium fra holmium. Grunnstoffet ble derfor avledet av det greske ordet «dysprositos», som kan oversettes med «vanskelig å få tak i».

Europium
I 1901 oppdaget den franske kjemikeren Eugène-Anatole Demarcay at samarium – som Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran hadde fremstilt i 1879 – inneholdt enda en ny sjelden jordart: europium. Grunnstoffet fikk navnet europium etter Europa.

Lutetium
Lutetium ble oppdaget i 1907 av den franske kjemikeren Georg Urbain (1872–1938) i Paris, og ble oppkalt etter Lutetia, som er det navnet romerne brukte på Paris. Det rene grunnstoffet ble ikke fremstilt før i 1953. Den østerrikske kjemikeren Carl Auer von Welsbach (1858–1929) og den amerikanske kjemikeren Charles James oppdaget lutetium i samme år, men det er Urbain som har fått æren v å regnes som den første som oppdaget dette grunnstoffet.

Promethium
Promethium er et radioaktivt grunnstoff. Halveringstiden for stoffets mest stabile isotop er kun 17,74 år. Følgelig har det som kanskje en gang har vært på jorda av dettee grunnstoffet, for lengst forsvunnet. Det har blitt oppdaget at noen av uranatomene som undergår fisjon blir til promethium. Det estimeres at det finnes 1 picogram (1x10-12 gram) av technetium pr. tonn uranmalm i naturen. Endelig bevis for eksistensen av promethium kom i 1945, da et amerikansk vitenskapsteam klarte å isolere prøver av dette grunnstoffet. Det var isotopen promethium 147, med en halveringstid på 2.6234 år.

Promethium ble oppkalt etter den greske guden Prometheus.

Sjeldne jordarter i mineralogien

I naturen finnes det hundrevis av mineraler med høyt innhold av sjeldne jordarter. I noen tilfeller er de det mest viktige kation, mens i andre tilfeller er innholdet så pass høyt, at det er en vesentlig kjennetegn.

Disse mineraler får på grunn av dette en suffiks som beskriver hvilken sjeldne jordart er dominerende. Da skrives det for eksempel gadolinitt-(Y) eller gadolinitt-(Ce).

I nesten alle tilfeller finnes det flere sjeldne jordarter i ett og samme mineral. Formelen til gadolinitt-(Ce) er derfor (Ce,La,Nd,Y)2Fe2+Be2Si2O10.

I ett og samme mineral kan det finnes soneringer med varierende innhold av sjeldne jordarter. For eksempel har monazitt-(Nd) blitt oppdaget i monazitt-(Ce)-prøver funnet i en gruve på Rostadheia i Iveland og i Lundekleiven gruve på Evje.

Forekomster av sjeldne jordarter

Yttrium ble oppdaget i mineralet gadolinitt, i en kvarts- og feltspatbrudd i Ytterby, Sverige. Slike forekomster kalles pegmatitt.

Over hele Skandinavia finnes det slike pegmatitter, og mange av dem inneholder sjeldne jordartsmineraler. I noen av dem finnes det såpass mye, at de var en viktig kilde til dem.

I Norge var det særlig i Evje/Iveland-området at sjeldne jordartsmineraler var en viktig biinntekt for bøndene som drev gruver i dette området.

Det var mineraler som gadolinitt-(Y), euxenitt-(Y), fergusonitt-(Y), thortveititt m.m. som ble solgt til atominstituttet i Kjeller og til utlandet. Pr. i dag har pegmatitter lite eller ingen betydning som kilde til sjeldne jordarter.

Forekomsten som førte til oppdagelsen av cerium, Bastnäs gruve i Sverige, var en såkalt skarnforekomst. I Bastnäs gruve har det blitt utvunnet 4,500 tonn cerium.

Fra slutten av 1800-tallet av ble utenlandske ceriumforekomster viktig. I Brasil ble det oppdaget steder hvor sandet langs stranda inneholdt store mengder monazitt, et mineral som inneholder både cerium og thorium i betraktelig mengder. Senere ble det oppdaget liknende forekomster i India, Sri Lanka, Australia m.m. I India er det aktiv gruvedrift etter monazitt.

I 1949 ble det oppdaget en forekomst av sjeldne jordarter i California som fikk navnet Mountain Pass Mine. Forekomsten er en karbonatitt med i snitt 7,06 % sjeldne jordartoksider (REO). Fra begynnelsen av 1960-tallet ble denne gruve en stor produsent, og med noen pauser er den i 2021 fortsatt i drift.

Kina har utviklet seg fra rundt 1980-tallet til å bli verdens viktigste produsent av sjeldne jordarter, fra både karbonatitter og sedimentære forekomster. I 2020 produserte landet 140,000 tonn av sjeldne jordartsoksider. I Kinas forekomster finnes det ca. 40% av sjeldne jordarter i verden.

I Norge er det Fensfeltet som blir ansett til å være Europas største forekomst av sjeldne jordarter, samt thorium, som kan være et kilde til energi. Denne forekomst er en karbonatitt.

Anvendelser av sjeldne jordarter gjennom tiden

Til å begynne var det bare noen få anvendelser for sjeldne jordarter.

I 1890 ble en gasslys-kappe introdusert av østerriksk vitenskapsmann og oppfinneren Carl Auer von Welsbach med thoriumdioksid tilsatt 1% ceriumoksid veldig populær. Samme mann fikk patentert "ferrocerium" som ble brukt som flintstein i lightere, til og med i dagens tid.

Siden det var veldig vanskelig og kostbar til å lage rene grunnstoffer av de sjeldne jordarter, stagnerte industriens interessen for dem. 

På 1940-tallet hadde en ny separasjonsmetode blitt utviklet, "ion-utveksling", som i utgangspunkt kun ble brukt til å separere neptunium, uran, thorium og actinium i forbindelse med Manhattan prosjektet. Men i etterkrigstiden begynte man å bruke samme metode til å separere sjeldne jordarter.

På 1960-tallet ble samarium-kobolt magneter utviklet, som hadde som gunstig egenskap, at de beholdt sin magnetkraft, selv om de ble veldig varmt. Det var viktig for å kunne gjøre radarinstallasjoner mer kraftig.

Scandium ble brukt etter WW2 i russiske jagerfly i en legering med aluminium.

Innenfor laser-forskning ble det utviklet laserstaver av yttrium-aluminium-granat. Disse var viktig i målsøkeren av missiler.

På 1970/80-tallet ble nikkel-metallbatterier utviklet, som brukte lantan og neodymium.

På 1980-tallet ble neodymium-jern-boronmagneter utviklet, som brukes nå særlig i vindmøller. På 1990-tallet var disse essensiell til harddisker i PC-ene. Disse neodymiummagneter, som man pleier å kalle dem, ble også brukt til å erstatte gammeldags magneter i eksisterende apparater og produkter, og gjøre dem mindre i størrelse og mer effektiv.

Bruken av sjeldne jordarter økte betraktelig gjennom 1900- og 2000-tallet med stadig nye anvendelsesområder. I en Iphone brukes det for eksempel lantan til å minimalisere forvrenging i de bitte små kameralinsene; neodymiummagneter til å forbedre lydkvaliteten av høyttalere og ørepropper, og yttrium og erbium til å gjøre skjermens fargene sterkere.

I dagens tid blir sjeldne jordarter brukt i alle industrigren. Alt fra kjemisk og alle andre typer industri, automobiler, fly, medisinske apparater, våpenindustrien til romfart.

2010 Stor mangel på sjeldne jordarter

Siden 2006 hadde Kina begynt å innføre ekstra avgifter og redusere eksportkvoter på sjeldne jordarter, men reduserte disse kvotene ytterlige med 40% i 2010. Kina argumenterte at dette var nødvendig for å beskytte sine forekomster av disse metaller. Det gjorde at prisene steg kraftig og Kina ble beskyldt å drive med proteksjonisme.

Høsten 2010 eskalerte situasjonen ytterlige.

En kinesisk fisker ble arrestert av den japanske kystvakten i omstridte farvann, det kalles den Senkaku-båtkollisjonshendelsen. Det oppsto en konflikt mellom Kina og Japan. Nyhetene om arrestasjonen førte til at kinesiske myndighetene holdt igjen en rekke forsendelser som var bestemt for Japan. Det eskalerte i en handelsembargo med uforutsette konsekvenser. 

Få visste at i disse forsendelsene var sjeldne jordartoksider, avgjørende for japansk høyteknologisk produksjon. I kort tid steg prisen på sjeldne jordartsmetaller på verdensmarked - i noen tilfeller med flere hundre prosent.

Plutselig innså verden at de sjeldne jordarter hadde blitt politikk. Regjeringer verden over begynte å bekymre seg for ressursene de trengte for våpenindustrien og andre viktige teknologier. De høye prisene på sjeldne jordarter - og frykten for ikke å ha dem – skapte frykt i vestlige land. 

I 2012 ble en klage til WHO fra USA, Japan og EU avgjort i fordel av de klagende partiet. Det ble argumentert at den store prisforskjell mellom sjeldne jordarter solgt i og utenfor Kina, ga kinesiske produsenter en urettferdig fordel. Kina ble pålagt å øke kvoter og senke priser. 

Innen 2015 hadde prisene gått ned så pass mye, at det igjen for andre enn de kinesiske produsentene ble vanskelig å tjene penger på å produsere sjeldne jordarter.

Sjeldne jordarter og konsekvensene for miljøet og helse

REE finnes naturlig i stort sett svært lav konsentrasjon i miljøet.

Gruver er ofte i land der miljømessige og sosiale standarder er svært lave, og forårsaker brudd på menneskerettighetene, avskoging og forurensning av land og vann.

Rund sjeldne jordartsgruver oppstår det som regel store forurensninger med høyere konsentrasjoner av sjeldne jordarter. Det har vært så langt lite studi etter konsekvensene av gruvedrift etter sjeldne jordarter, og langtidsvirkningene for miljøet er vanskelig å forutsi. 

Toksiteten av sjeldne jordarter for menneskene og dyre- og planteliv er ikke endelig bestemt, men de blir karakterisert til å være mildt giftig for menneskene.  Langtidsvirkningene av eksponering til dem er vanskelig å forutsi. 

Sjeldne jordartsmalm inneholder thorium og uran i varierende mengder og representerer en av de mest krevende miljømessige utfordringer. Disse radioaktive tyngmetaller er helseskadelig og inntak kan føre til alvorlige forgiftninger.

Thorium er ikke noe særlig løselig i vann, uansett forholdene. Det er derfor gruvestøv som utgjør den største trussel mot miljø og menneskene.

Uran er svært bra løselig i vann under oksiderende forhold. Det er derfor nødvendig å sikre seg at det ikke kan trenge inn uranholdige løsninger i drikkevannskilder eller ellers i naturen.

Oversikt over anvendelser av sjeldne jordarter

Noter

Litteratur
Emsley, J. (2001) Nature's Building Blocks. An A-Z guide to the elements. Oxford University Press. ISBN  0-19-850340-7. 539 pp.
Selbekk, R.S. (2010) Norges mineraler. Revidert utgave. Basert på Neumann (1985): Norges mineraler. UIO: Naturhistorisk museum. NGU. Tapir akademisk forlag. 552 pp.

Referanser

Sjeldne jordmetaller