В предыдущей статье мы мельком разобрали редкоземельные элементы, но думаю это интересная тема, заслуживающая отдельной статьи.
Большинство химию помнит только из школьной поры, сразу вспоминается таблица Менделеева, клеточки, атомные номера. Да, пожалуй и всё. Но реальная природа элементов куда интереснее, чем это преподают в школах.
Например, взять редкоземельные элементы. Странности начинаются уже с названия. Они «редкоземельные», но при этом многие из них в земной коре встречаются не реже той же меди.
А где редкость-то? А редкость в том, что природа как будто специально всё перемешала.
Они не лежат аккуратными кусками, которые можно просто выкопать. Они растворены в породах, переплетены друг с другом, спрятаны так, что попробуй ещё их раздели. А без этих элементов невозможны современные высокие технологии, причём буквально. Сегодня разберём несколько самых показательных.

Неодим.
Этот металл содержится в половине современной техники. Самое интересное в нём - это его магнитные свойства. До неодима считалось, что мощный магнит это обязательно большой, тяжёлый, громоздкий. Типа здоровенного чугунного куска, который еле поднимешь. Неодим это правило сломал. С его помощью можно получить ту же силу, но в гораздо меньшем размере.
Электродвигатели, жёсткие диски, ветрогенераторы, наушники, смартфоны, электромобили, ракеты, это всё история про неодим.
Так почему неодим такой? Чтобы ответить на этот вопрос, школьной химии уже недостаточно, нужно проваливаться куда глубже, в квантовую физику.
У атома неодима особая конфигурация электронов, это так называемые f-орбитали (о них позже)
Они экранированы от внешнего мира, плохо взаимодействуют с окружением, но зато сильно взаимодействуют между собой. Это создаёт устойчивые магнитные домены и высокую коэрцитивность, то есть магнит не размагничивается от любого чиха.
Если упростить до человеческого уровня: в нём просто очень удачно совпало устройство атома и то, как эти атомы ведут себя в кристалле. И получился магнит, но очень мощный и компактный.
Но ложка дёгтя всегда существует, куда без неё. Добывать и перерабатывать неодим удовольствие сомнительное. Это сложно, грязно, экологически неприятно. Поэтому многие страны в какой-то момент просто сказали: «ну его». И в итоге производство сконцентрировалось в ограниченном числе регионов. Как думаете что это за регион?
Естественно, Китай. Более того, у Китая почти монополия на этом рынке. Страна обеспечивает около 70% мировой добычи неодима, и что ещё важнее, контролирует до 90% мощностей по его переработке. Добывать руду можно много где, и это делают другие страны, например Мьянма, Бразилия, США, но даже они большую часть сырья отправляют на переработку в Китай. Есть еще Австралия, она старается абстрагироваться от китайской зависимости, но до Китая ей далеко.
В общем, тот кто контролирует неодим, контролирует полмира.

Самарий
Самарий это редкоземельный металл, который почти не нужен в быту.
Его не встретишь в смартфоне или наушниках. Но он критически важен в ядерной физике. Почему? У самария есть одно интересное свойство - некоторые его изотопы очень хорошо «ловят» нейтроны. Прямо гораздо лучше, чем многие другие элементы.
Кстати, в Африке, в районе Окло, нашли следы естественного ядерного реактора. Да, без людей.
Без технологий, просто так сложились условия. И он работал, причём работал довольно долго.
И вот когда начали разбираться, что там вообще происходило, одним из ключевых элементов оказался как раз самарий. По соотношению его изотопов поняли, что реакция действительно шла, что она была стабильной, что она саморегулировалась.
Сегодня самарий используется в специальных магнитах (самарий-кобальт), которые работают при высоких температурах, а также в ядерных реакторах как поглотитель нейтронов. Он менее «попсовый», чем неодим, но там где нужны стабильность, предсказуемость, контроль - самарий вне конкуренции. Кстати, угадайте кто монополист и в добыче/производстве самария? Опять Китай, только с еще более уверенной монополией. По некоторым оценкам, доля Китая в мировом производстве оксида самария достигает 90-95%. Это связано с тем, что самарий побочный продукт при добыче других, более востребованных редкоземельных элементов, например того же неодима. Кстати, у нас, в России, дела с самарием получше, чем с неодимом.
Росатом даже разработал технологию получения самария высокой чистоты (99,8%) из своего сырья (лопаритовый концентрат). Но до Китая нам, как до Китая, простите за каламбур.

Иттербий
Редкоземельный металл, химически невыразительный, в быту неизвестен. Но именно он стал одним из ключевых элементов фотонной эпохи. У иттербия есть редкое качество, он очень эффективно поглощает энергию и почти без потерь передаёт её дальше. У него простая электронная структура, всего два основных энергетических уровня, между которыми легко «прыгать». И это делает его идеальным для волоконных лазеров. Таких, которые режут металл на заводах, работают в медицине, в военных системах, в фундаментальной науке.
И кто же у нас опять монополист на рынке? Естественно, Китай. Он контролирует практически всё, (Китаю принадлежит до 95-98% мирового рынка очищенного иттербия) от добычи ионно-адсорбционных руд (особенно в провинциях Южного Китая) до производства конечного продукта (оксида и металла иттербия). В России есть своя сырьевая база (например, Ловозерское месторождение на Кольском полуострове), но дальше ситуация прямо скажем, классическая для нашей страны. Мы только запускаем опытное производство, а Китай имеет промышленные масштабы и выдаёт продукцию вагонами.

Европий
А вот европий это уже про цвет. Если говорить совсем прямо, то он отвечает за нормальный красный цвет в современных экранах. До европия красные люминофоры (это такое вещество, которое умеет светиться под воздействием энергии) были тусклыми, нестабильными, быстро деградировали. Европий это изменил. Он даёт чистый, насыщенный красный свет, с узкой спектральной линией, с высокой стабильностью. Именно европий сделал возможными цветные экраны, LED-подсветку, качественные дисплеи, современные телевизоры и смартфоны. Без него картинка была бы бледной и грязной. И у него есть ещё один бонус, он светится под ультрафиолетом так, что это сложно подделать. Поэтому его используют в защите банкнот и документов. За правильное свечение нужно сказать спасибо f-орбиталям, которые изолированы от окружения. Его электроны переходят между уровнями так, что энергия излучается строго в нужной части спектра, почти без паразитных оттенков.
Ну и стандартный вопрос на засыпку, кто контролирует рынок европия? Думаю вы уже догадываетесь. Да, верно, Китай. Опять. У Китая примерно та же тотальная монополия, что и по самарию с иттербием. И в России ситуация схожая, тот же Ловозерский ГОК в Мурманской области. Это единственное предприятие в стране, которое добывает редкоземельную руду - лопарит, в принципе. В этой руде, помимо прочего, содержится и европий.

Тербий
Если европий это красный, то тербий это зелёный. Именно комбинация европий (красный) + тербий (зелёный) + синий источник создала полноценную цветовую палитру современных экранов. Да, ту самую RGB, которая у вас в телефоне. Но у тербия есть ещё одна интересная особенность, он умеет изменять спектр излучения в зависимости от среды, работать в магнитных и электрических полях. Это означает управляемый свет, переключаемые свойства, адаптивные материалы.
Китай тоже тут впереди планеты всей, как в принципе и по всем редкоземельным элементам.
И в России ситуация такая же, разработки технологий ведутся, но это такие лабораторные образцы. У нас есть Соликамский магниевый завод, но он пока производит, так скажем, полуфабрикат, в котором все полезные элементы (лантан, церий, неодим, и тот же тербий) находятся вперемешку. Но вся проблема в том, что технология разделения тяжёлых и среднетяжёлых элементов это очень высокая инженерия и колоссальные затраты, и получить каждый элемент по отдельности в чистом виде мы пока, в промышленных объемах, не можем.

И еще немного про f-орбитали.
Чтобы понять, почему вся эта компания так странно себя ведёт, нужно сделать шаг назад, на уровень устройства атома.
В школе нам рисуют довольно уютную картину: есть ядро, вокруг бегают электроны, они участвуют в химии, образуют связи, всё понятно, всё логично. Почти как планетарная система, только маленькая. Но у редкоземельных элементов есть одна особенность, о которой в школе обычно молчат. У них есть так называемые f-орбитали. Звучит страшно, но суть простая: эти орбитали сидят глубоко внутри атома. Они спрятаны за внешними оболочками, экранированы от всего внешнего мира, внешние атомы до них не дотягиваются. Поэтому химически атом ведёт себя прилично, как все нормальные металлы. Химия как химия, реакции, соединения, всё как у людей. А внутри какая-то отдельная квантовая тусовка. У обычных элементов электронные уровни зависят от всего: от температуры, от давления, от того, с кем атом рядом стоит.
У f-элементов нет. Потому что их самые важные электроны живут в своём защищённом бункере, и внешний мир им до лампочки. Именно поэтому европий всегда даёт чистый красный цвет. Не «примерно красный», не «с оттенками», а прям стабильный, как по линейке. Хоть холодно, хоть жарко, он не начинает внезапно «уходить в оранжевый». Или Тербий, с зелёным та же история.
Почему так? Да потому что вся эта история происходит не снаружи атома, а внутри, где условия почти не меняются.
Теперь второй момент. В обычных материалах энергия штука довольно неаккуратная.
Ты её в систему закинул, а она частично превращается в тепло, рассеивается, уходит в колебания решётки. Короче, половину потеряли по дороге. А у этих ребят всё не так. Из-за того, что
f-электроны слабо связаны с «движением» атомов, энергия не так легко утекает в тепло. Она скорее аккуратно переходит из одного состояния в другое, и в итоге выходит в виде фотона.
То есть не «нагрев», а «свет». Отсюда все эти люминофоры, лазеры, стабильные источники излучения.
В обычной химии мы управляем связями, молекулами, реакциями. А с f-элементами мы управляем вероятностями переходов, квантовыми уровнями, тем что разрешено, а что запрещено. Это уже не химия из школьного учебника, а квантовая инженерия. И отсюда вытекает простой, но неприятный вывод - эти элементы нельзя просто взять и заменить «чем-то похожим». Не потому что «технологии не доросли», а потому что у каждого из них своя квантовая архитектура. Можно улучшить конструкцию, можно что-то оптимизировать, можно даже обойти отдельные ограничения, но взять и сказать «давайте сделаем аналог европия из чего-нибудь подешевле» не получится. Потому что это не уровень «подобрать другой сплав».
Это уровень «переписать устройство атома». А с этим у нас пока не очень.

Редкоземельные металлы (группа лантаноидов + скандий, иттрий и лантан) – это, пожалуй, самые востребованные компоненты для микроэлектроники, в самолетостроении, в медицинской аппаратуре и приборах навигации, а также в других высокотехнологичных отраслях промышленности. На их физических свойствах, например, основан самый мощный на Земле магнит – неодимовый, – обладающий внушительной силой притяжения и неимоверной стойкостью к размагничиванию. Но будет сильным заблуждением считать, что эта группа металлов столь редко встречается на Земле, как можно подумать из названия. Суммарное содержание редкоземельных химических элементов в земной коре составляет ~100 грамм на тонну – и это очень внушительные показатели. Свинец, который никто и не думает называть «редким» металлом, встречается в 7 раз реже, а вольфрам и того меньше – в 52 раза реже редкоземельной группы! Для сравнения данные по содержанию в земной породе известных каждому из нас металлов:

• Вольфрам - 1,9 грамм на тонну;

• Свинец - 14 грамм на тонну;

• Цинк - 70 грамм на тонну;

• Никель - 80 грамм на тонну;

• Хром - 100 грамм на тонну;

• Цирконий - 130 грамм на тонну.

Как видно, часть из них встречается гораздо реже, но уровень их добычи более чем удовлетворяет потребности мировой экономики. А редкоземельных металлов всегда не хватает. В чем же подвох?

Это историческое название закрепилось из-за того, что найти крупное месторождение с большим содержанием «редкозёмов» в породе невозможно. Если сильно утрировать, то они равномерно распределены по поверхности планеты (и даже растворены в морской воде!) и обнаружение какого-то места, где их концентрация в 2-3 раза выше, чем средние значения, тут же приводит к присвоению статуса «месторождения редкоземельных металлов», несмотря на то, что для их извлечения нужно перерабатывать сотни тысяч кубометров земной породы практически варварским способом. И все это может быть ради одной тонны в год заветного элемента.

Исторически РФ обладает значительным потенциалом в сфере добычи и обработки редкоземельных металлов. Начав промышленную добычу с 1950-х годов, СССР к середине 1980-х годов достиг объемов в 8 500 тонн в год. Страна занимала второе место в мире по производству редкоземельных металлов, контролируя всю цепочку – от добычи до выпуска конечной продукции. С распадом Советского Союза распалась и кооперация предприятий – часть мощностей осталась за рубежом, а технологии были утеряны из-за ухода ценных специалистов на пенсию и по естественным причинам. Сегодня Российская Федерация вынуждена восстанавливать свои компетенции, ориентируясь по большей части на свои научные изыскания и вновь обретенные технологии производства на базе отечественного оборудования и станков. И России уже есть, чем похвастаться и на что опереться в рамках независимости от иностранных – прежде всего, западных – технологий.

Месторождения в России

На долю Российской Федерации приходится, по разным оценкам, от 20% до 25% запасов редкоземельных металлов. Однако добывается мало — доля в мировой добыче менее 1%. Потребляется и того меньше, около 0,6%.

Доцент кафедры экономики университета МИСиС Рафаэль Абдулов
(Источник: https://www.kommersant.ru/doc/7534511)

• Ловозерское месторождение в Мурманской области. Единственное на сегодняшний день месторождение в России, где производится товарная добыча редкоземельных металлов (празеодим, самарий, европий, лантан и гадолиний). Здесь происходит добыча лопаритовой руды, которая обогащается на месте и отправляется на переработку на Соликамский магниевый завод – уникальное предприятие в России, где происходит 100% добычи российского ниобия и тантала. После выделения ценных элементов, в оставшемся концентрате оставалось огромное (для «редкозёмов», конечно) количество ценнейший металлов, которые до недавнего времени Россия не извлекала. Этот концентрат – ценнейший экспортный продукт, который уходил на запад, где технологии позволяли использовать его полностью, извлекая из него все доступные редкоземельные металлы. Но так было до 2025 года, о чем будет сказано дальше по тексту.

• Томторское месторождение в Якутии. Считается одним из самых значимых в мире по запасам редкоземельных элементов (ниобий, скандий, иттрий). Месторождение в настоящее время готовится к разработке одной из дочерних структур корпорации «Ростех», но основная проблема проекта - отсутствие развитой инфраструктуры в регионе.

• Хибинские месторождения в Мурманской области. Группа уникальных месторождений апатит-нефелиновых руд. Являются одним из крупнейших в мире источников фосфатного сырья (апатита) и содержат значительные запасы редкоземельных элементов (Юкспорское месторождение). Разработкой месторождения занимается холдинг «ФосАгро», который на данный момент не вышел на промышленную добычу редкоземельных металлов (добыча носит экспериментальный характер с целью «обкатки» технологий).

Помимо этого, есть порядка шести локаций, в которых подтверждено повышенное содержание редкоземельных металлов на тонну грунта, но которые никак на данный момент не осваиваются. Это связано либо с отсутствием должной инфраструктуры для разработки (например, сильная удаленность от «цивилизации»), либо с отсутствием нужных технологий обогащения, которые обеспечивали бы экономическую рентабельность разработки месторождений. К таким в России относятся:

• Ярегское месторождение в Коми;

• Белозиминское месторождение в Иркутской области;

• Селигдарское месторождение в Якутии

• Чуктуконское месторождение в Красноярском крае;

• Катагинское месторождение в Забайкальском крае;

• Улуг-Танзекское месторождение в Туве;

• Шаргадыкское месторождение в Калмыкии.

Компетенции России по добыче редкоземельных металлов

• В 2021 году компания «РУСАЛ» первая в мире разработала и внедрила алюминиево-скандиевые сплавы (оксид скандия). Мировая добыча оксида скандия оценивается всего в 20 тонн, из которых на отечественную компанию приходится 1,5 тонны. Продукция РУСАЛа используется в судостроении. Алюминиево-скандиевые сплавы относятся к сверхлегким и позволяют снижать вес корабля, что в свою очередь дает сильную экономию топлива. Технология «РУСАЛа» также стала первой в мире, которая позволила использовать отходы глинозёмного производства для получения оксида скандия из отходов.

• В 2024 году по заказу Росатома в России запущено опытное производство по разделению редкоземельных металлов на Соликамском магниевом заводе. Суть технологии заключается в том, что обогащенную руду, после выработки из нее ниобия, тантала и титана, растворяют в азотной кислоте. Из получившегося раствора извлекают церий путем электроокисления и экстракции. А из оставшегося раствора — уже лантан, неодим, празеодим, самарий, гадолиний и европий. Опытная линия уже может обеспечить потребности России, например, в неодиме (напоминаю, что из него делаются самые мощные магниты в мире). Но мощность, по заверению Росатома, будет наращиваться, а глубина переработки руды увеличиваться с привлечением специалистов из корпорации «Ростех». Уникальность проекта для России заключается в использовании отечественного оборудования и технологий, что делает его полностью независимым от иностранных поставок.

• В 2025 году ученые Белгородского государственного университета разработали технологию извлечения редкоземельных металлов из фосфогипса — отхода производства минеральных удобрений. «В отвалах фосфогипса только на одной площадке в городе Балаково содержится около 100 тыс. тонн редкоземельных металлов, что позволяет обеспечить потребности отрасли на 50 лет. По итогам исследований нами запатентована технология переработки фосфогипса, позволяющая получать мелкодисперсный порошок, пригодный для экстракции суммы редкоземельных металлов с последующим их разделением без использования дорогостоящих органических кислот», - директор инжинирингового центра Белгородского госуниверситета Иван Никулин.