العناصر النادرة التي تعتبر مواد أساسية في التقنيات الحديثة

قد تكون العناصر أقل ندرة من الذهب، لكنها منتشرة على طول الكوكب وعرضه بتركيزات منخفضة نسبيًا. وتوجد العناصر النادرة عادة في صخور أساسية نادرة تسمى الكربوناتيت، مثل الصخور البازلتية في هاواي أو أيسلندا، أو الصخور البركانية مثل بركان سانت هيلينز. لا يوجد سوى عدد قليل من المناطق التي توجد بها كمية كبيرة من العناصر النادرة، وتوجد في الغالب في الصين

[ترجمة د.نحماني موشيه]

يستخدم معظم الناس العناصر النادرة كل يوم، دون أن يعرفوا ذلك. وقد يتغير هذا الوضع، في ظل أن هذه المواد النادرة أصبحت محور الحرب التجارية بين الولايات المتحدة والصين.

1. ما هي العناصر النادرة؟
بالمعنى الضيق للأشياء، هي عناصر مثل العناصر الأخرى في الجدول الدوري - مثل الكربون والهيدروجين والأكسجين - بأعداد ذرية من 57 إلى 71. وهناك عنصران آخران (السكانديوم والإيتريوم) لهما خصائص مماثلة وهي وترتبط أيضًا أحيانًا بعائلة العناصر النادرة، ولكن العناصر الرئيسية هي 15 هذه الأساسيات. ولكي تصل إلى العنصر الأول في هذه العائلة، وهو عنصر اللانثانم، عليك أن تبدأ بعنصر الباريوم وتضيف إليه بروتونًا واحدًا وإلكترونًا واحدًا. للوصول إلى العنصر النادر التالي، ما عليك سوى إضافة إلكترون واحد وبروتون آخر.

حقيقة وجود 15 عنصرًا نادرًا أمر مهم: قد يتذكر طلاب الكيمياء أنه عند إضافة الإلكترونات إلى الذرة، فإنها ترتب نفسها في مجموعات أو طبقات تسمى المدارات، وهي نوع من المسارات الدائرية حول النواة الذرية. يمكن للدائرة الداخلية أن تحتوي على ما يصل إلى إلكترونين؛ إن إضافة إلكترون ثالث يعني إنشاء دائرة ثانية تحتوي عليه، دائرة يمكن أن تحتوي على 2 إلكترونات كحد أقصى؛ في الخطوة التالية، هناك حاجة إلى دائرة إضافية، والتي يمكن أن تحتوي على الحد الأقصى لعدد 8 إلكترونًا. وستحتوي الدائرة الرابعة أيضًا على 18 إلكترونًا. بعد ذلك، تصبح الأمور غريبة بعض الشيء. وعلى الرغم من وجود مساحة كافية للإلكترونات في الدائرة الرابعة الناشئة، إلا أن الإلكترونات الثمانية التالية ستكون موجودة في الدائرة الخامسة. وعلى الرغم من المساحة الكبيرة التي لا تزال متاحة في الدائرة الخامسة، فإن الإلكترونين التاليين سيتم وضعهما فعليًا في الدائرة السادسة. وفي الخطوة التالية ستصبح الذرة مادة الباريوم التي يبلغ عددها الذري 18، وبالتالي تبدأ المدارات بالامتلاء مرة أخرى. إن إضافة إلكترون واحد إضافي للحصول على العنصر الذي سيعطيه، وهو الأول في عائلة العناصر النادرة، سيؤدي إلى دخول الإلكترون إلى الدائرة الخامسة. بالنسبة لجميع العناصر، فإن الإلكترونات الموجودة في الدائرة الخارجية هي التي تؤثر على الخواص الكيميائية لذلك العنصر. نظرًا لأن مجموعة الإلكترونات الموجودة في الدائرة الخارجية هي نفسها في العناصر النادرة، فإن خصائصها متشابهة تمامًا.

2. هل العناصر النادرة نادرة حقًا؟
بالتأكيد لا؛ بل إنها أكثر شيوعًا في القشرة الأرضية من العديد من العناصر المفيدة الأخرى. حتى أن أندر العناصر النادرة، الثوليوم (عدده الذري 69)، أكثر شيوعًا بـ 125 مرة من عنصر الذهب. في حين أن العنصر النادر الأقل ندرة، وهو السيريوم (العدد الذري 58)، لا يزال أكثر شيوعًا بـ 15 ألف مرة من الذهب.

ومع ذلك، فإن العناصر نادرة بمعنى آخر، حيث يطلق عليها علماء المعادن اسم "المتناثرة"، أي أنها منتشرة بشكل أساسي على طول الكوكب وعرضه بتركيزات منخفضة نسبيًا. وتوجد العناصر النادرة عادة في صخور أساسية نادرة تسمى الكربوناتيت، مثل الصخور البازلتية في هاواي أو أيسلندا، أو الصخور البركانية مثل بركان سانت هيلينز. لا يوجد سوى عدد قليل من المناطق التي تتواجد فيها كمية كبيرة من العناصر النادرة - وتوجد في الغالب في الصين، التي تنتج أكثر من ثمانين بالمائة من الكمية السنوية العالمية. هناك أيضًا العديد من هذه المناطق في أستراليا، وكذلك في عدد صغير من البلدان الأخرى. يوجد في الولايات المتحدة مناطق قليلة حيث يتم العثور على العديد من العناصر النادرة، ولكن المصدر الأمريكي الأخير من نوعه في كاليفورنيا تم إغلاقه أمام التعدين في عام 2015.

3. إذا لم تكن نادرة، فهل هي باهظة الثمن؟
نعم، مكلفة للغاية. وفي عام 2018، بلغ سعر أكسيد النيوديميوم (العدد الذري 60) 107 آلاف دولار للطن. ومن المتوقع أن يرتفع السعر إلى 150 ألف دولار للطن بحلول عام 2025. أما عنصر اليوروبيوم النادر فهو أكثر تكلفة - حوالي 712 ألف دولار للطن من المواد. ويعود جزء من سبب ارتفاع الأسعار إلى صعوبة فصل هذه العناصر كيميائيا عن غيرها للحصول على المادة النقية.

4. ما هي استخدامات العناصر النادرة؟
في النصف الثاني من القرن العشرين، أصبح عنصر اليوروبيوم (العدد الذري 63) الأكثر طلبًا لدوره كمادة باعثة للألوان في شاشات الفيديو، بما في ذلك شاشات الكمبيوتر وأجهزة تلفزيون البلازما. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام المادة أيضًا لامتصاص النيوترونات بواسطة قضبان التحكم في المفاعلات النووية.

واليوم، تُستخدم أيضًا عناصر نادرة أخرى في الأجهزة الإلكترونية. على سبيل المثال، يعد عنصر النيوديميوم (العدد الذري 60) مغناطيسًا قويًا يستخدم في الهواتف الذكية وأجهزة التلفزيون وأجهزة الليزر والبطاريات القابلة لإعادة الشحن ومحركات الكمبيوتر. ومن المتوقع أيضًا أن تستفيد نسخة مستقبلية من سيارة تسلا الكهربائية من هذا العنصر. لقد ظل الطلب على العناصر النادرة مرتفعا باستمرار منذ منتصف القرن العشرين، ولا توجد في الواقع مواد بديلة يمكنها تحويلها. وفي ضوء أهمية العناصر النادرة لمجتمع حديث يعتمد على التكنولوجيا المبتكرة، وفي ظل صعوبة استخراجها واستخدامها، فإن الحرب التجارية يمكن أن تضع الولايات المتحدة في وضع سيء للغاية، وهو وضع يمكن أن تحويل كل من البلاد والعناصر النادرة نفسها إلى بيادق في اللعبة الاقتصادية العالمية.

إلى المقال على موقع المحادثة