יסודות נדירים

IUPAC מגדירה כ"יסודות נדירים" או "מתכות נדירות" (באנגלית Rare Earth Elements או Rare Earth Metals) את 15 היסודות מקבוצת הלנתנידים (מס' אטומי 57-71) ובנוסף להם גם את הסקנדיום והאיטריום, הקרובים לקבוצה זו בטבלה המחזורית ודומים לה בתכונותיהם, ואשר נוטים להופיע בעפרות הכרייה ביחד עם הלנתנידים.
למרות שמם, ניתן למצוא את היסודות הנדירים בשפע יחסי בקרום כדור הארץ, אולם בגלל תכונותיהם הגאוכימיות, הם מפוזרים ואינם מרוכזים במקום אחד שהוא נוח להפקה ולמיצוי, ועל כן הם יקרים יחסית.

היסטוריה וגילוי

היסודות הנדירים התגלו לראשונה בשנת 1787 עם גילוי המינרל איטרביט (ytterbite) אשר שמו שונה מאוחר יותר לגדוליניט, על ידי קרל אקסל ארניוס בתוך עפרה שנחצבה במכרה ליד הכפר איטרבי בשוודיה.
עד שנת 1803 בודדו וזוהו שני יסודות חדשים מתוך העפרה: איטריום וצריום, אולם לחוקרים נדרשו 30 שנים נוספות כדי לזהות יסודות נוספים.
בשנת 1839 הופקו לראשונה תחמוצות של יסודות חדשים, אולם רק בשנת 1842 הוכרז באופן רשמי על הגילוי והמיצוי הטהור של שישה יסודות חדשים: איטריום, צריום, לנתן, דידימיום, ארביום וטרביום, כששמות שני האחרונים גזורים משמה של העיירה אשר בקרבתה נמצאו.
במשך 30 השנים הבאות לא התגלו יסודות נוספים. בשנת 1879 התגלה באמצעות ספקטרוסקופיה כי היסוד דידימיום מכיל מספר קוים ספקטרלים חדשים כלומר מורכב מיסודות נוספים אשר לא התגלו. באותה השנה התגלה היסוד החדש סמריום כמרכיב של המינרל סמרסקיט. בשנת 1886 התגלה יסוד נוסף מתוך המינרל ונקרא גדוליניום על שמו של חוקר עפרות האיטרביט הראשון.
סדרת מחקרים ספקטרוסקופים נוספים שנערכו בין השנים 1886 עד 1901 העלו את האפשרות לקיומו של יסוד נוסף, ובשנת 1901 הוכרז על גילויו של היסוד אירופיום. בשלב זה טרם הוסכם בין החוקרים על מספרם המדויק של היסודות הנדירים הקיימים, אך ההערכות הגיעו למספר מקסימלי של 25 יסודות כאלו. תגליות שגויות, לעומת זאת, בגלל הקשיים בהפרדה וטיהור, נמנו בעשרות. הכנסת השימוש בספקטרוסקופיה בעזרת קרני רנטגן איפשר לקבוע באופן מוחלט את כמות הלנתנידים על 15 באמצעות קביעת מספרם האטומי.
במהלך שנות ה-40 של המאה העשרים פותח בארצות הברית במסגרת פרויקט מנהטן, תהליך טכנולוגי של החלפת יונים אשר איפשר להפריד ולזקק יסודות נדירים. בראשונה נעשה שימוש בטכניקה זו בקבוצת האקטינידים לצורך הפרדת פלוטוניום 239 ונפטוניום מתוך אורניום, תוריום ואקטיניום. הטכנולוגיה החדשה והיעילה להפרדת החומרים איפשרה את הכנסת היסודות הנדירים לשימוש תעשייתי ובמהלך עשרות השנים הבאות פותחו טכנולוגיות הפרדה ומיצוי נוספות אשר איפשרו את הרחבת השימוש בחומרים הללו לצרכים תעשייתיים ומסחריים.

הפקה

עד שנת 1948 רוב ההפקה של יסודות נדירים התבצעה בהודו וברזיל מתוך מאגרי חול. בשנות ה-50 תפסה דרום אפריקה את מקומה כמקור העיקרי לחומרים אלה לאחר שמרבץ גדול של המינרל מונזיט התגלה בה. בשנות ה-60 ועד שנות ה-80 שימשה ארצות הברית כמפיקה העיקרית של יסודות נדירים מתוך "מכרה מעבר ההרים" בקליפורניה. כיום, לאחר הידלדלות המקורות הללו משמשת סין כמפיקה העיקרית של יסודות נדירים, כאשר 97% מן התפוקה העולמית מקורם במכרות באזור מונגוליה הפנימית שבשטחה, וזאת למרות שמדובר רק ב-37% מן העתודות המוכחות של החומרים.
הגידול בדרישה התעשייתית ליסודות הנדירים שנובע מעליה בשימוש בהם, מציב אתגר ייחודי להפקתם במטרה להימנע מיצירת תלות באספקת החומרים מסין. מדינות רבות בעולם החלו להשקיע בשנים האחרונות משאבים רבים במחקרים לגילוי ופיתוח של אתרי הפקה חדשים על מנת להימנע מן התלות הזו, אשר עלולה לשתק ואו להפחית את התפוקה במגזרי יצור רבים ובעיקר בתחומי הטכנולוגיה העילית.

מיחזור

מקור נוסף להפקת יסודות נדירים שהתפתח מתוך הצורך והאילוצים כאמור לעיל הוא חילוץ והפקת החומרים מתוך פסולת של מכשירים אלקטרונים שיצאו משימוש. טכנולוגיות חדשות של מיחזור אשר נכנסו לשימוש ביפן מאפשרות על פי הערכה הפקה של כ-300,000 טון של יסודות נדירים לשימוש חוזר.