为什么稀土元素如此稀有

周期表上有17种稀土元素，但更贴切的称呼应该是“麻烦元素”。原因如下。

稀土元素具有许多独特的性质，使它们成为高科技和能源行业极为渴求的目标。这17种金属包括周期表底部的15种金属元素，以及钇和钪。

其中最具价值的是钕、镨、铽和镝，它们具有超强的磁性，是电子产品的关键材料，广泛应用于智能手机、电动车电池和风力发电涡轮机等。但是，它们有限的全球储量令各国政府和企业深感担忧，因为这些金属是继续生产各种现代必需品不可或缺的原料。

那为什么稀土元素这么稀有呢?

事实上，它们并不真的那么罕见。美国地质调查局对不同元素在地壳中的“结晶丰度”进行的一项研究发现，大多数稀土元素的含量“与铜和锌等常见金属相近”，弗吉尼亚理工大学矿业和矿产工程系主任Aaron Noble表示。“它们肯定不像白银、黄金和铂金那么稀少。”

尽管这些元素相当普遍，但从自然矿石中提取纯净的稀土元素却极为困难。

“‘麻烦元素’确实是一个更好的称呼，”西弗吉尼亚州水资源研究所所长Paul Ziemkiewicz说。“问题是，它们并不高度集中在某个地方。美国所有页岩中的稀土元素含量仅有300毫克/千克[0.005盎司/磅]。这相当于你在后院挖个洞获得的含量。”

通常，不同的地质作用，如熔岩流动、热液活动和山脉隆起，会使金属元素在地壳中富集。然而，稀土元素特殊的化学性质意味着这些金属不会在以上非同寻常的条件下聚集。因此，这些元素以痕量形式遍布地球各地，使得开采非常低效。

偶尔，地下极端酸性的环境可以略微提高某些地区稀土元素的含量。但找到这些难得的富集区仅仅是第一个挑战。

在自然界中，金属以矿石形式存在，其中金属粒子与其他非金属物质(称为配体)通过强离子键结合。为获取纯净的金属，必须打断这些强键，同时除去配体，但具体难易程度取决于金属和配体的组合。

所有金属都可形成矿石，例如铜和铁。

“铜矿石通常是硫化物形式。加热矿石到一定温度，硫化物会挥发，纯铜则留在反应容器底部。这个提取过程非常简单，”Ziemkiewicz解释说。“其他的，像铁的氧化物，需要添加剂促进金属的释放。但稀土元素的分离过程则复杂得多。”

稀土金属自然带有三个正电荷，且倾向与每个带三个负电荷的磷酸根离子形成极强的离子键。因此，提取过程必须克服金属和磷酸根之间极强的吸引力，难度非常大。

“提取纯金属需要非常冗长复杂的工序，”Noble表示。“稀土矿石是非常稳定的化合物，必须投入大量能量和强效试剂来分解它们。通常情况下，这种过程需要极低的pH值、高腐蚀性的条件和极高的温度，因为矿石内部的化学键极难打破。”

正是纯净提取的艰辛程度让稀土元素得名。一些研究人员正在研发从废旧电子设备和工业废料中回收稀土元素的新方法，以减缓当前的供应压力;另一些人则在尝试通过新化合物重现稀土元素的非凡磁性和电子特性，以期研发出更易获取、人造替代品。

当前，尽管全球需求激增，但没有任何东西能取代这些麻烦的稀土元素。

本文译自 Live Science，由 BALI 编辑发布。

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