Особенности редких металлов и сплавов

Виды редких металлов

Редкие сплавы, металлы можно разделить на несколько групп зависимо от химических, физических характеристик.

Легкие

К ним относятся химические элементы 1 и 2 группы периодической таблицы Менделеева. Их главное сходство — малый удельный вес. Представители — цезий, литий, рубидий, бериллий. Вторая похожая особенность — высокая химическая активность. Для получения проводится металлотермия, электролиз.

Тугоплавкие

Переходные элементы, которые находятся в 4, 5 и 6 группе периодической таблицы Менделеева. Внутренние электронные уровни у этих металлов достраиваются при переходе одного элемента к соседнему. Они образуют твердые, тугоплавкие, химически устойчивые соединения с различными металлоидами, которые обладают небольшим атомным радиусом.

Для получения применяется технология порошковой металлургии. Из расходного сырья получается металлический порошок, который прессуется в специальных формах и спекается для получения однородного материала.

Таблица Менделеева (Фото: Instagram / techade.ru)

Рассеянные

Особенность — малое количество минералов, в которых содержатся эти металлы или их полное отсутствие. Чаще подобные химические элементы встречаются в виде изоморфных примесей. Еще реже их можно встретить в небольшой концентрации в сторонних минералах.

Единственный прибыльный способ получения — переработка отходов производства основных металлов.

Редкоземельные

Второе название — лантаноиды. В этой группе находится 15 химических элементов. Они имеют похожее строение атомов, электронных уровней. В природе редкоземельные металлы часто попадаются рядом друг с другом. Первый этап переработки расходного сырья — выделение разных соединений, в основном смесей окислов.

Радиоактивные

В этой группе находятся естественные радиоактивные металлы. Основные из них — актиноиды, актиний, радий, полоний. К подгруппе актиноидов относятся уран, протактиний, торий.

Цветные металлы

Важное значение для промышленности имеют цветные металлы. Многие из них геохимически относят к группе халькофильных, родственных меди (халькос – медь): медь, свинец, цинк, молибден, висмут

В природе эти металлы образуют соединения с серой, сульфиды.

Отлагались минералы цветных металлов большей частью из горячих водных растворов; главными из них являются для меди халькопирит – золотистый минерал, борнит – лиловатый минерал, постоянный спутник халькопирита, а также черный сажистый халькозин, который встречается в верхней части многих медных месторождений.

Медные руды

Месторождения меди весьма разнообразны. В последние годы очень большое значение приобрели бедные вкрапленные руды так называемого порфирового типа, которые залегают часто в вулканических жерлах. Они были образованы из горячих растворов, поступавших из глубоких магматических очагов. Запасы таких руд огромны, особенно в Южной и Северной Америке. Большое значение имеют также пластовые залежи медных руд, образованные при вулканических извержениях на дне морей. Это так называемый колчеданный тип, в котором медный колчедан – халькопирит – встречается совместно с железным колчеданом – пиритом.

Эти месторождения долгое время служили главным источником руд на Урале. Наконец, велика роль так называемых медистых песчаников, содержащих минералы меди. К этому типу относятся месторождения в Читинской области, а за рубежом крупнейшие месторождения Катанги в Африке.

Как торгуют металлами на сырьевых биржах?

Хотя все представленные выше металлы активно используются в промышленных целях, они также часто считаются очень популярным инвестиционным инструментом из-за низких кредитных рисков и меньшей подверженности экономическим волнениям. Считается, что они сохраняют свою стоимость лучше, чем валюты, особенно во времена финансовых, политических или военных кризисов.

С другой стороны, стоимость металлов может значительно падать во времена стабильности. Кроме того, иногда довольно сложно найти покупателя на физические металлы. Проблемы со снабжением могут также сильно повлиять на их стоимость.

Существует несколько способов инвестирования в металлы:

• физическое владение (в форме слитков или монет);
• биржевые инвестиционные фонды;
• акции горнодобывающих компаний и паевых инвестиционных фондов;
• фьючерсы и опционы;
• сертификаты.

Обратите внимание, что некоторые из представленных выше металлов имеют ограничения в инвестиционных методах

Алюминий

Важное значение приобретают в настоящее время легкие металлы – алюминий и его еще более легкие собратья – магний и бериллий. Эти металлы – конкуренты всесильного железа, призванные во многих областях его заменить

Эти металлы и их сплавы широко используются в технике, особенно в самолетостроении, ракетостроении, в производстве буровых труб – всюду, где нужен легкий металл.

Сырье для алюминия – бокситы

Алюминий, как известно, очень широко распространен в земной коре, и его в будущем можно будет получать из любых алюмосиликатных горных пород, богатых этим элементом. Пока же традиционным сырьем для алюминия являются бокситы.

Они состоят из водных соединений глинозема, образующихся как осадочным путем при отложении в морских бассейнах, так и при выветривании алюмосиликатных горных пород. В последнее время разработан метод получения алюминия из древних кристаллических сланцев, образованных при метаморфизме глинистых отложений, а также из щелочных магматических пород.

Таким образом, проблема источников получения алюминия никогда не встанет перед человеком: этого металла с избытком хватит для всех последующих поколений. Дело только за технологией его извлечения и электроэнергией для создания мощных энергоемких производств.

Астат

Астат — самый редкий металл на планете, встречающийся в природных условиях. В земной коре присутствует всего 70 мг астата. Долгое время его считали галогеном (образующим соли в результате реакции с металлами). Но в 2013 году было проведено исследование. Ученые смоделировали свойства астата. Формально, он должен быть металлом, но при этом не выстраивает присущую им кристаллическую решетку. Структура астата должна быть схожа со структурой ртути, но при этом он, вероятно, в нормальных условиях будет не твердым, а жидким.

В лабораториях за все время изучения его свойств удалось получить лишь 0,05 микрограмма самого редкого металла на земле, поэтому его основные характеристики (цвет, плотность) остаются для химиков загадкой.

Астат получают путем облучения висмута с последующим отделением их друг от друга. Все изотопы этого вещества являются активными. Примечательно, что период распада астата составляет чуть больше 8 часов. Это свойство позволяет использовать его в ядерной медицине.

Как выглядит руда

Как выглядит железная руда Вид материала зависит от его состава и содержания дополнительных примесей. Самый распространенный красный железняк с высоким процентом железа может встречаться в разном состоянии – от очень плотного до пылевого.

Бурые железняки имеют рыхлую, слегка пористую структуру бурого или желтоватого цвета. Такой элемент часто нуждается в обогащении, при этом легко перерабатывается в руду (из него получается высококачественный чугун).

Магнитные железняки плотные и зернистые по своей структуре, выглядят как кристаллы, вкрапленные в породу. Оттенок руды – характерный черно-синий.

Характеристики золота

Такой благородный металл, как золото, наиболее часто используется в ювелирном искусстве. Первое, что бросается в глаза, — это невероятный блеск и теплый желтоватый оттенок, который выгодно отличает выполненные из аурума украшения. По эффектности золото может потеснить разве что платина. Цена ее в разы выше, а потому лидером на рынке остается именно желтый металл.

Если говорить о характеристиках золота, то стоит отметить, что оно является прекрасным тепловым и электрическим проводником. Что же касается химической устойчивости данного металла, заметим, что он не отличается выдающимися показателями, а потому в промышленности используется не так уж и часто. А поскольку золото вязкое и ковкое, да еще и обладает большим весом, идеальным применением для него является именно ювелирная сфера.

Где используются

В отличие от других сегментов промышленности, металлургия «менее привычных» элементов кризисы переносит спокойно. Это закономерно: материал добывается ограниченными партиями, дорогой, всегда востребован.

В чистом виде не используется: слишком накладно. Только как компонент сплавов либо легирующая добавка.

Традиционные сферы

Области использования редкостного материала:

• Ядерная энергетика. Уран и торий – топливо для атомных станций. Сегодня это самый экологичный вид энергии.

• Радиоэлектроника, машино-, приборостроение. Здесь задействованы стали и сплавы с вольфрамом, другими компонентами как легирующей добавкой.

• Химпром. Компонент лаков, красок, катализатор.
• Нефтедобыча и переработка. Катализаторы.
• Стекольная промышленность. Микродобавки лантана, неодима, празеодима кратно повышают прозрачность стекла.

• Ювелирное дело. Золото и платина – материал украшений премиум-сегмента.

Это также сплавы для нужд космического и оборонного комплекса (орудия, снаряды), взрывчатые вещества.

Новые направления

В новом тысячелетии на первый план вышло использование лития как материала компактных мощных батарей-аккумулятров и магнитов:

• Батареями-аккумуляторами снабжают электромобили, смартфоны, планшеты, другие гаджеты.

• Магниты присутствуют в объектах «зеленой» энергетики (солнечные панели, ветряки), автомобилях с гибридным двигателем, мониторах.

Материал поколения 2.0 – магнитопласт. Из него делают мини-динамики, гибкие панели, рекламную «инфраструктуру».

Калифорний-282 востребован геологами, физиками-ядерщиками, медициной.

Калифорния — 27 миллионов долларов за грамм

Циклотрон, используемый для первого синтеза калифорния

Калифорний — это радиоактивный элемент, впервые изготовленный в 1950 году в радиационной лаборатории Калифорнийского университета. Это не происходит естественно на земле: чтобы создать его, вам нужно иметь либо ускоритель частиц, либо ядерный реактор. Этот элемент почти не растворяется в воде, но хорошо прилипает к обычной почве.

Только один микрограмм Калифорния способен выделять 170 миллионов нейтронных частиц каждую минуту. Он используется в качестве источника нейтронов для идентификации серебряных и золотых руд. Он также использован в датчике влаги нейтрона, который помогает исследователям найти воду и нефтеносные слои в нефтяных скважинах.

Виды и характеристики

Сами редкие металлы разделены на пять больших групп:

• Лёгкие: бериллий, литий, рубидий, стронций, цезий.
• Радиоактивные: актиний, радий, торий, уран и трансурановые элементы.
• Рассеянные металлы: галлий, гафний, германий, индий, рений, селен, таллий, теллур.
• Редкоземельные: иттрий, лантан и лантаноиды, скандий.
• Тугоплавкие металлы: ванадий, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, цирконий.

Данное подразделение весьма условно, так как с совершенствованием геологоразведки и развитием промышленности, некоторые металлы уходят из разряда редких элементов. Само понятие «редкости» говорит об их незначительном использовании. Однако новые прогрессивные технологии коренным образом меняют ситуацию.

Источниками получения редких металлов могут служить месторождения, высокоминерализованные воды, рапа солёных озёр, россыпи, а также побочная продукция или отходы основных производств. Редкометаллические руды можно подразделить на непосредственно богатые редкими элементами, и руды других элементов, в которых редкие минералы присутствуют как примеси. Среди комплексных руд можно выделить:

• вольфраммолибденовые,
• титан-ниобий-тантал-редкоземельные,
• уран-ванадиевые,
• литий-цезиевые,
• цирконий-ниобиевые.

Примерами непосредственно руд редких металлов являются:

• Литиевые руды – это сподумен, амблигонит, лепидолит, циннвальдит, петалит.
• Бериллиевые руды – берилл, бертрандит, фенакит.
• Титановые руды – ильменит, рутил, ильменорутил, перовскит, сфен.
• Циркониевые руды – бадделит, циркон.

Химические свойства

Редкоземельные металлы в сухом воздухе покрываются тонкой пленкой, в основе которой лежат их оксиды. Она служит эффективной защитой как от механического, так и химического воздействия.

Во влажной среде они начинают медленно окисляться и трансформируются в гидроксиды. Данные процессы имеют место при температуре окружающей среды более 250 ºC. При 450 ºC редкоземельные металлы в кислородной среде сгорают до оксидов с активным выделением тепла.

Редкоземельные металлы охотно вступают в реакции с серой и хлором. При нагревании также взаимодействует с бромом и йодом.

Редкоземельные металлы растворяются в кислотах минеральной группы. Инертны по отношению к большинству видов щелочей.

Интересное и удивительное

1. Считается, что аурум настолько редко встречающийся элемент, что можно за шестьдесят минут отыскать больше железа, нежели данного желтого металла, найденного за всю историю его добывания. Между тем, это более ста шестидесяти тысяч тонн! Самое примечательное, кстати, что подавляющее большинство из этого количества было обнаружено в ЮАР.
2. Золото можно растворить в соединении азотной и соляной кислот. Такой «союз» называется «царской водкой».
3. Слово «серебро», точно так же, как и его британский и немецкий синонимы, происходит от древнеиндийского слова «сарпа», значение которого – Луна и серп.
4. В конце двадцатых годов девятнадцатого столетия в России платина стоила в два раза дешевле, чем серебро (сейчас она дороже его приблизительно в сто раз).
5. Наиболее крупный серебряный самородок весил практически полторы тысячи килограммов.
6. Древние египтяне полагали, что золото – это божественные частицы. Владеть ими имел право исключительно фараон.
7. Раньше олимпийские медали делали из чистого золота (в начале двадцатого века), сейчас же их лишь покрывают данным благородным металлом – на одну медаль приходится не более шести граммов (а в медалях, врученных на Олимпиаде 2012 года в Лондоне, содержание золота не превышает одного процента).
8. Наша страна является мировым лидером по добыче и поставке одного из металлов платиновой группы – палладия.
9. Серебро в чистом виде попадается реже, чем золото. Тем не менее на всем земном шаре золота существует в разы меньше, чем его серебряного «коллеги».
10. В чистом виде золото очень мягкое. Настолько, что легко и без усилий царапается даже ногтями.

Теперь пролит свет на вопрос, какие металлы – благородные, и ясно, за какие свойства и по какой причине они так называются.

Месторождения в России и мире

Редкометальные месторождения разнообразны по своей природе и встречаются во многих странах мира. Так, крупнокристаллические породы – пегматиты, богатые бериллом, литием и танталом, цезием и рубидием залегают на территориях следующих месторождений:

• Берник-Лейк – Канада.
• Бикита – Зимбабве.
• Карибиб – Намибия.
• Гринбушес – Австралия.
• Коктогай – Китай.

Накопленные в россыпях танталитовые минералы до сих пор добываются наполовину ручным старательским способом на африканском континенте: в Бурунди, Конго, Нигерии и Руанде.

Карбонатиты – продукты кристаллизации глубинных слоёв, ставшие главными источниками ниобия и редкоземельного сырья, были обнаружены и освоены в Бразилии (Араша) и на территории США (Маунтин-Пасс). Позже к ним присоединились: Сент-Оноре в Канаде, Томторское месторождение в Якутии (Россия), Сейс-Логос в Бразилии.

Также разведаны богатейшие месторождения карбонатитов в Китае (Баюнь-Обо) и в Австралии (Маунт-Уэлд). Последнее отличается высочайшей концентрацией полезных ископаемых.

На территории России расположено достаточно крупное месторождение лопарита на Кольском полуострове. Также имеются залежи редкометальных щелочных гранитов в Катугинском (г. Тува) и Улук-Танзекском (Читинская область) месторождениях.

В целом можно констатировать, что количество мировых месторождений (число которых постоянно растёт) редких металлов вполне способно обеспечить их потребность на многовековую перспективу.

Как добывают руду

Добыча железной руды – это сложный технический процесс, при котором происходит погружение в земные недра с целью поиска минералов. На сегодняшний день существует два способа добычи руды: открытая и закрытая.

Добыча руды открытым способом

Добыча руды открытым способом Открытый (карьерный способ) – распространенный и наиболее безопасный вариант по сравнению с закрытой техникой. Метод актуален для тех случаев, когда в рабочей зоне отсутствуют твердые породы, а рядом нет населенных пунктов или инженерных систем.

Сначала вырывается карьер до 350 метров глубиной, после чего со дна большими машинами собирается и вывозится железо. После добычи материал на тепловозах отправляется на заводы по изготовлению стали и чугуна.

Карьеры роются экскаваторами, но такой процесс занимает много времени. Как только машина доберется до первого пласта рудника, материал сдается на экспертизу, чтобы определить процент содержания железа и целесообразность дальнейших работ (если процент выше 55%, работы в этой местности продолжаются).

Закрытый способ добычи

Добыча руды закрытым способом Шахтная (закрытая) добыча руды применяется только в том случае, если планируется сохранить целостность ландшафта в той области, где ведется разработка рудных залежей. Также этот способ актуален для работ в горной местности. В этом случае создается сеть тоннелей под землей, что приводит к дополнительным расходам – строительство самой шахты и сложная транспортировка металла на поверхность. Самый главный недостаток – высокий риск для жизни рабочих, шахта может обрушиться и перекрыть доступ на поверхность.

Сферы применения

Благородные металлы нашли широкое применение в самых разных сферах. Вот только некоторые из них

Электротехника

Уникальные физико-технические характеристики в тандеме с химической и биологической инертностью позволяют создавать эффективную защиту электрических контактов от пригорания и окисления. Это делает металл безопасным и практичным при применении в электротехнической сфере.

Для создания светочувствительных элементов применяются соли серебра (хлориды и бромиды). Припои из благородных металлов востребованы при создании электротехнических устройств, к которым предъявляются повышенные требования надежности. Наиболее редкие элементы используются для создания термопар и других нагревательных элементов.

Ювелирное дело

Испокон веков благородные металлы были востребованы в ювелирной промышленности. Из них создают эксклюзивные цепочки, серьги, браслеты, кольца, кулоны, крестики, а также оправы очков, дорогие портсигары и многие другие изделия. Ювелиры высоко оценивают цвет, изысканный блеск металлов, а также их уникальные свойства.

Драгметаллы не вступают в реакцию с кожными покровами человека, поэтому они не приводят к кожным болезням и аллергическим реакциям. Допускается использование благородных металлов в качестве слоя напыления для украшений, сделанных из дешевых металлов. Такие ювелирные украшения радуют своих обладателей долгие годы и нередко передаются по наследству из поколения в поколение.

Химия

Устойчивость драгметаллов к кислотно-щелочным составам, а также каталитические параметры делают актуальным их использование в химической отрасли. Из них создают оборудование для агрессивных составов. Многие из этих металлов нашли применение в качестве катализатора при производстве бензина.

Автомобилестроение

Катализаторы используются и для создания приборов выхлопа газов. Именно поэтому благородные металлы востребованы при изготовлении автозапчастей. Они позволяют быстро и надежно нейтрализовать токсичные химические соединения. Чаще всего для этих целей берут палладий и родий.

Медицина

Биологическая и химическая инертность позволяют задействовать благородные металлы при производстве хирургических инструментов и всевозможных деталей для медоборудования. Многие металлы востребованы в протезировании и стоматологии. Ряд соединений получил распространение при изготовлении лекарственных средств в качестве составного компонента.

Наука о космосе

Драгоценные сплавы актуальны при строительстве летательных и космических аппаратов, поскольку лишь они способны обеспечить максимальную безотказность и безопасность этих систем. Лишь благородным металлом под силу справиться с нагрузками, которые космическая станция может испытать на орбите.

Стекольная промышленность

Нашли своё применение драгметаллы и в изготовлении стекла. Очень часто из них выполняют резервуары для варки стекла.

Банковская сфера

Также нельзя не упомянуть о роли благородных металлов в качестве обменной денежной меры. Золото и серебро в стародавние времена применяли для изготовления монет, хотя в наши дни серебро уже утратило свою функцию в этом обороте. И все же из золота и платины и по сей день отливают инвестиционные слитки.

Это позволяет всем желающим вкладывать свободные средства с высокой выгодой. Как показывает практика, традиционная валюта со временем обесценивается, в то время как слитки из золота неизменно остаются в цене.

Многие банковские и финансовые организации даже предлагают вкладчикам открывать особые металлические счета. Это выгодные вложения, так как в продолжительной перспективе собственники таких слитков могут получить серьезную прибыль. У металлических счетов имеется лишь один минус — это отсутствие системы страхования вклада, что может повлечь немалый риск в случае, если банк обанкротится.

Нужны поисковые заделы

Николай Похиленко начал свой доклад с оценки состояния государственных геологических структур, в первую очередь в Зауралье, где они фактически исчезли. Например, на северо-востоке (а это Камчатская область, Чукотка, Магаданская область) в советские времена работало 14 экспедиций, 10,5 тыс. специалистов. Сейчас их там осталось порядка 250. И по большей части их участники уже немолоды. Естественно, работы там если и ведутся, то в очень небольшом объеме. И такая ситуация везде.

Научный руководитель Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН академик РАН Николай Похиленко

РАН

Результатом последних тридцати лет стало ослабление государственной геологической службы, упадок отраслевой геологической науки в Сибири и на Дальнем Востоке. Там остался всего лишь один более или менее активно работающий институт в Новосибирске. А раньше их было около десяти. В некоторых субъектах федерации упразднена система управления геологическим изучением недр. Результатом стало резкое снижение конкурентоспособности и эффективности геологоразведочных работ. Например, с 2005 по 2011 год были проведены работы по 255 проектам. Из них относительно успешными было всего лишь 22. Поэтому за последние два десятилетия серьезных и крупных открытий практически нет. Наша добывающая промышленность дорабатывает те месторождения и те запасы, которые были поставлены на баланс еще в советские времена.

В результате происходит сокращение и практическое исчерпание поисковых заделов по большинству стратегически важных видов полезных ископаемых, сокращение государственного фонда рентабельных участков недр для их предоставления в пользование добывающих компаний. А это чувствительный момент, потому что, если нет поисковых заделов, наши компании не идут на новые неизвестные территории, они идут за пределы Российской Федерации на подготовленные к освоению участки — в Африку, в Казахстан, в Монголию, куда угодно, где можно вложить деньги и через три-пять лет получить отдачу. Здесь они боятся очень серьезных поисковых и инвестиционных рисков, потому что из десяти проектов в лучшем случае один становится успешным. И нужны очень длинные деньги, которых в России нет. Ведь от начала работ до получения первой финансовой отдачи проходит до 15 лет. И компании не готовы идти на это.

Академик Похиленко процитировал руководителя «Полиметалла» Виталия Несиса, который говорил, что у нас практически нет поисковых заделов, нет подготовленных к освоению территорий. И в целом не хватает серьезных поисковых идей и мало специалистов, которые способны эти идеи генерировать. В результате формальные ресурсы, например, по урану обеспечивают наши потребности на 96 лет, а в реальности того, что можно экономически обоснованно добыть, хватит всего на 15 лет. Хром, соответственно, 33 года и три года. Цинк — 91 и 19. Свинец — 36 и 10. Золото — 23 и 11.