יסודות נדירים המהווים חומרים חיוניים בטכנולוגיות מודרניות

היסודות אולי נדירים פחות מזהב אבל הם מפוזרים לרוחב ואורך כוכב הלכת בריכוזים נמוכים יחסית. יסודות נדירים נמצאים בדרך כלל בתוך סלעי יסוד נדירים המכונים בשם קרבונאטיטים (Carbonatites), למשל סלעי בזלת בהוואי או באיסלנד, או סלע וולקני כמו בהר הגעש סנט הלן. ישנם אזורים אחדים בלבד שבהם קיימת כמות גדולה של יסודות נדירים – והם לרוב נמצאים בסין

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

רוב האנשים משתמשים ביסודות נדירים מדי יום – מבלי לדעת זאת בכלל. מצב זה עשוי להשתנות, זאת לאור העובדה כי חומרים נדירים אלו הופכים לנקודת המוקד במלחמת הסחר שבין ארה”ב לבין סין.

1. מהם יסודות נדירים?
במובן הצר של הדברים, אלו יסודות כמו היסודות האחרים שבטבלה המחזורית – כגון פחמן, מימן וחמצן – בעלי מספרים אטומים של 57 עד 71. ישנם עוד שני יסודות (סקנדיום ואיטריום) בעלי תכונות דומות שלעיתים משויכים גם הם למשפחת היסודות הנדירים, אולם העיקרים הם 15 היסודות הללו. על מנת להגיע ליסוד הראשון במשפחה זו, היסוד לנתן (lanthanum), מתחילים עם היסוד באריום ומוסיפים לו פרוטון אחד ואלקטרון אחד. כדי להגיע ליסוד הנדיר הבא בתור, פשוט מוסיפים עוד אלקטרון ועוד פרוטון אחד.

יש משמעות לעובדה שישנם 15 יסודות נדירים: סטודנטים לכימיה עשויים לזכור שכאשר מוסיפים אלקטרונים לאטום, הם מסתדרים בקבוצות או בשכבות הקרויות בשם אורביטלות, מעין מסלולים מעגליים מסביב לגרעין האטום. המעגל הפנימי ביותר יכול להכיל עד 2 אלקטרונים; הוספת אלקטרון שלישי משמעותה יצירת מעגל שני שיכיל אותו, מעגל שיכול להכיל מספר מרבי של 8 אלקטרונים; בשלב הבא יש צורך במעגל נוסף, שיכול להכיל מספר מרבי של 18 אלקטרונים. המעגל הרביעי יכיל גם הוא 18 אלקטרונים. בשלב הבא, העניינים מתחילים להיות מוזרים במקצת. הגם שיש מספיק מקום לאלקטרונים במעגל הרביעי המתהווה, שמונת האלקטרונים הבאים יתמקמו דווקא במעגל החמישי. ולמרות המקום הרב שעדיין יש במעגל החמישי, שני האלקטרונים הבאים יתמקמו דווקא במעגל השישי. בשלב הבא האטום יהפוך להיות החומר באריום, בעל מספר אטומי 56, וכך מתחילות האורביטלות להתמלא מחדש. הוספת אלקטרון אחד נוסף, לקבלת היסוד לנתן, הראשון במשפחה של היסודות הנדירים, תביא לכניסתו של האלקטרון למעגל החמישי. עבור כל היסודות, האלקטרונים הנמצאים במעגל החיצוני ביותר הם אלו המשפיעים על התכונות הכימיות של אותו יסוד. מאחר שביסודות הנדירים מערך האלקטרונים במעגל החיצוני ביותר זהה, התכונות שלהם די דומות.

2. האם היסודות הנדירים באמת נדירים?
ממש לא; הם אפילו הרבה יותר נפוצים בקרום כדור הארץ מאשר הרבה יסודות שימושיים אחרים. אפילו היסוד הנדיר הנדיר ביותר, תוליום (מספר אטומי 69), שכיח פי 125 פעמים מהיסוד זהב. ואילו היסוד הנדיר הכי פחות נדיר, צריום (מספר אטומי 58), עדיין יותר שכיח מזהב פי 15 אלף.

בכל זאת, היסודות נדירים במובן אחר – מינרלוגים יכנו אותם ‘מפוזרים” כלומר, הם בעיקר מפוזרים לרוחב ואורך כוכב הלכת בריכוזים נמוכים יחסית. יסודות נדירים נמצאים בדרך כלל בתוך סלעי יסוד נדירים המכונים בשם קרבונאטיטים (Carbonatites), למשל סלעי בזלת בהוואי או באיסלנד, או סלע וולקני כמו בהר הגעש סנט הלן. ישנם אזורים אחדים בלבד שבהם קיימת כמות גדולה של יסודות נדירים – והם לרוב נמצאים בסין, המייצרת יותר משמונים אחוזים מהכמות השנתית העולמית. גם באוסטרליה נמצאים מספר אזורים כאלו, וגם במספר מועט של מדינות אחרות. לארה”ב יש אזורים מועטים שבהם נמצאים הרבה יסודות נדירים, אולם המקור האמריקאי האחרון מסוגם בקליפורניה נסגר לכרייה עוד בשנת 2015.

3. אם הם אינם נדירים, האם הם יקרים?
כן, די יקרים. בשנת 2018, המחיר של תחמוצת ניאודימיום (מספר אטומי 60) היה 107 אלפי דולרים לטון. המחיר צפוי להאמיר למחיר של 150 אלפי דולרים לטון עד שנת 2025. היסוד הנדיר אירופיום יקר אפילו יותר – כ-712 אלפי דולרים לטון חומר. חלק מהסיבה למחירים היקרים הוא העובדה שקשה מבחינה כימית להפריד את היסודות הללו מאחרים במטרה לקבל את החומר הטהור.

4. מהם השימושים המבוססים על יסודות נדירים?
במחצית השנייה של המאה העשרים, היסוד אירופיום (מספר אטומי 63) הפך למבוקש ביותר בזכות תפקידו בתור חומר פולט צבע במסכי וידאו, לרבות צגי מחשב וטלוויזיות פלזמה. בנוסף, החומר משמש גם עבור הספיגה של נויטרונים על ידי מוטות בקרה של כורים גרעיניים.

כיום, יסודות נדירים אחרים משמשים גם בהתקנים אלקטרוניים. היסוד ניאודימיום (מספר אטומי 60), למשל, הוא מגנט עוצמתי המשמש בסמארטפונים, טלוויזיות, לייזרים, סוללות נטענות וכונני מחשב. גם גרסה עתידית של הרכב החשמלי טסלה צפויה לעשות שימוש ביסוד זה. הביקוש ליסודות נדירים גאה בקביעות מאז מחצית המאה העשרים, ואין ממש חומרים חלופיים היכולים להמירם. לאור העובדה שיסודות נדירים חשובים לחברה מודרנית המתבססת על טכנולוגיה חדשנית, ולאור הקושי לכרות ולהשתמש בהם, מלחמת הסחר עלולה להציב את ארה”ב במקום גרוע ביותר, מצב שעשוי להפוך הן את המדינה והן את היסודות הנדירים עצמם לכלי משחק במסגרת המשחק הכלכלי העולמי.

לכתבה באתר The Conversation