چرا برخی عناصر روی زمین بسیار کمیاب هستند؟

عناصر کمیاب زمین به‌دلیل داشتن مجموعه‌ای از ویژگی‌های مفید، طرفدارهای زیادی در صنعت‌های انرژی و فناوری دارند. این عنصر‌ها شامل ۱۷ عنصر فلزی در بخش پایین جدول تناوبی و عنصرهایی مثل ایتریم و اسکاندیم هستند.

ارزشمندترین عنصرهای این گروه عبارت‌اند از: نئودیمیم، پرازئودیمیم، تربیم و دیسپروزیوم. این عنصرها به‌عنوان‌ آهن‌رباهای مینیاتوری در صنایع الکترونیکی به‌ویژه گوشی‌های هوشمند و باتری خودروهای برقی و توربین‌های بادی کاربرد دارند. بااین‌حال، منابع محدود جهانی این عنصرها به نگرانی بزرگی برای دولت‌ها و شرکت‌ها تبدیل شده است که برای تولید انواع اقلام پیشرفته به آن‌ها نیاز دارند؛ اما چرا این عناصر تا این اندازه کمیاب‌اند؟

عنصرهای یادشده در‌واقع چندان هم کمیاب نیستند. به‌گزارش لایوساینس، براساس بررسی زمین‌شناسی ایالات‌ متحده درباره‌ی فراوانی کریستالی عنصرهای مختلف یا به‌بیان بهتر مقدار دسترسی آن‌ها در پوسته‌ی زمین، اغلب عنصرهای کمیاب زمین به‌اندازه‌ی فلزهای رایجی مثل مس و روی در زمین پیدا می‌شوند. درحقیقت، این عنصرها به‌اندازه‌ی فلزهایی مثل نقره و طلا و پلاتین کمیاب نیستند.

گرچه‌ عنصرهای یادشده نسبتاً رایج هستند، استخراج آن‌ها از منابع طبیعی بسیار دشوار است. زمینی‌های دردسرساز می‌تواند نام بهتری برای این عنصرها باشد. مسئله این است که این عنصرها در جای مشخصی متمرکز نشده‌اند. برای مثال، تقریباً ۳۰۰ میلی‌گرم در هر کیلوگرم عنصر کمیاب زمین در سراسر شیل‌های ایالات‌ متحده پراکنده شده‌اند.

معمولاً فلزها به‌دلیل فرایندهای زمین‌شناختی مختلف مثل جریان‌های گدازه‌ای و فعالیت‌های گرمابی و شکل‌گیری کوه‌ها در پوسته‌ی زمین متمرکز می‌شوند. بااین‌حال، عنصرهای شیمیایی کمیاب در این شرایط در یک نقطه متراکم نمی‌شوند. همین پراکندگی استخراج عنصرهای کمیاب زمین را غیربهینه می‌سازد.

گاهی شرایط اسیدی زیرزمینی اندکی مقدار عنصرهای کمیاب زمین را در برخی مناطق افزایش می‌دهد؛ اما یافتن این مناطق غنی هم خود مسئله‌ای مهم است. فلزها در طبیعت به‌شکل ترکیب‌هایی به نام کانه وجود دارند که حاوی ذرات فلزی متصل به ماده‌های غیرفلزی دیگر (یون‌های مخالف) هستند که با پیوندهای یونی قوی به یکدیگر متصل می‌شوند.

تمام فلزها کانه دارند. برای مثال، مس و آهن هم می‌توانند کانه‌های خود را تشکیل دهند. کانه‌ی مس معمولاً به‌شکل سولفید به‌وجود می‌آید. با داغ‌کردن آن تا نقطه‌ای که سولفید‌ها به گاز تبدیل شوند، مس خالص به‌دست می‌آید. این روش استخراج نسبتاً ساده است. دیگر کانه‌ها مثل اکسیدآهن برای آزادسازی فلز به افزودنی نیاز دارند؛ اما استخراج عنصرهای کمیاب زمین پیچیده‌تر است.

فلزهای کمیاب زمین معمولاً سه بار مثبت دارند و پیوندهای یونی بسیار قوی را با یون‌های مخالف فسفات برقرار می‌کنند که هرکدام حاوی سه یون منفی هستند؛ بنابراین، فرایند استخراج باید بر پیوند قوی بین فلز مثبت و فسفات منفی غلبه کند که کار آسانی نیست.

استخراج فلزهای کمیاب، مستلزم زنجیره‌ی تأمین پیچیده و بسیار طولانی است. سنگ‌های معنی کمیاب ازنظر شیمیایی مواد معدنی بسیار پایداری هستند؛ بنابراین، تجزیه‌ی آن‌ها به انرژی شیمیایی فراونی نیاز دارد. اغلب اوقات در این فرایند از pH بسیار اندک و شرایط تهاجمی و دماهای بسیار زیاد استفاده می‌شود؛ زیرا پیوندهای کانه‌ای بسیار قوی هستند.

دلیل انتخاب نام عنصرهای کمیاب زمین، دشواری در فرایند استخراج است. برخی پژوهشگران در حال کار روی روش‌های جدیدی برای بازیافت و استخراج این فلزهای ارزشمند از مواد الکترونیکی قدیمی و ضایعات صنعتی هستند تا بدین‌ترتیب بتوانند فشار موجود بر تأمین‌کنندگان را کاهش دهند. برخی دیگر هم برای بازتولید ویژگی‌های الکترونیکی و مغناطیسی عجیب در ترکیب‌های جدید تلاش می‌کنند تا به جایگزینی برای این فلزهای فرّار برسند که دردسترس‌تر و شبیه‌تر به فلزهای کمیاب زمینی باشد. درحال‌حاضر، هیچ جایگزینی برای فلزهای کمیاب دردسرساز وجود ندارد.