Elemento delle terre rare , qualsiasi membro del gruppo di elementi chimici costituito da tre elementi del Gruppo 3 ( scandio [Sc], ittrio [Y] e lantanio [La]) e la prima riga estesa di elementi al di sotto del corpo principale della tavola periodica ( cerio [Ce] attraverso il lutezio [Lu]). Gli elementi dal cerio al lutezio sono chiamati lantanidi, ma molti scienziati, anche se erroneamente, chiamano questi elementi terre rare.
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Le terre rare sono generalmente elementi trivalenti, ma alcune hanno altre valenze. Cerio, praseodimio e terbio possono essere tetravalenti; samario, europio e itterbio, invece, possono essere bivalenti. Molti libri di scienze introduttivi considerano le terre rare così chimicamente simili l'una all'altra che collettivamente possono essere considerate come un elemento. In una certa misura è corretto - circa il 25% dei loro usi si basa su questa stretta somiglianza - ma l'altro 75% dell'utilizzo delle terre rare si basa sulle proprietà uniche dei singoli elementi. Inoltre, un attento esame di questi elementi rivela grandi differenze nei loro comportamenti e proprietà; ad esempio, il punto di fusione del lantanio, il prototipo elemento della serie lantanidi (918 ° C, o 1.684 ° F), è molto inferiore al punto di fusione del lutezio, l'ultimo elemento della serie (1.663 ° C, o 3.025 ° F). Questa differenza è molto maggiore di quella riscontrata in molti gruppi della tavola periodica; ad esempio, i punti di fusione di rame, argento e oro variano solo di circa 100 °C (180 °F).
Il nome terre rare di per sé è un termine improprio. Al momento della loro scoperta nel XVIII secolo, si scoprì che erano un componente di ossidi complessi, che a quel tempo erano chiamati terre. Inoltre, questi minerali sembrava essere scarso, e quindi questi elementi appena scoperti furono chiamati terre rare. In realtà, questi elementi sono abbastanza abbondanti ed esistono in molti giacimenti lavorabili in tutto il mondo. Le 16 terre rare presenti in natura rientrano nel 50° percentile delle abbondanze elementali. All'inizio del 21° secolo, Cina era diventato il più grande produttore mondiale di elementi delle terre rare. Australia, Brasile, India , Kazakistan, Malaysia , Russia , Sud Africa e Stati Uniti estraggono e raffinano anche quantità significative di questi materiali.
Molte persone non si rendono conto dell'enorme impatto che gli elementi delle terre rare hanno sulla loro vita quotidiana, ma è quasi impossibile evitare un pezzo di tecnologia moderna che non ne contenga. Anche un prodotto semplice come una pietra focaia più leggera contiene elementi di terre rare. La loro pervasività è esemplificata dall'automobile moderna, una delle più grandi consumatori di prodotti delle terre rare. Dozzine di motori elettrici in una tipica automobile, oltre agli altoparlanti del suo sistema audio, utilizzano magneti permanenti al neodimio-ferro-boro. I sensori elettrici utilizzano zirconia stabilizzata con ittrio per misurare e controllare il contenuto di ossigeno del carburante. Il convertitore catalitico a tre vie si basa sugli ossidi di cerio per ridurre azoto gli ossidi in gas azoto e ossidano il monossido di carbonio in anidride carbonica e gli idrocarburi incombusti in anidride carbonica e acqua nei prodotti di scarico. I fosfori nei display ottici contengono ossidi di ittrio, europio e terbio. Il parabrezza, gli specchi e le lenti sono lucidati con ossidi di cerio. Anche la benzina o il gasolio che alimentano il veicolo è stato raffinato utilizzando catalizzatori di cracking di terre rare contenenti lantanio, cerio o ossidi misti di terre rare. Le automobili ibride sono alimentate da una batteria ricaricabile all'idruro metallico di nichel-lantanio e da un motore elettrico di trazione, con magneti permanenti contenenti elementi di terre rare. Inoltre, moderno mezzi di comunicazione e dispositivi di comunicazione — telefoni cellulari, televisori e computer — tutti utilizzano terre rare come magneti per altoparlanti e dischi rigidi e fosfori per display ottici. Le quantità di terre rare utilizzate sono piuttosto piccole (0,1-5 percento in peso, ad eccezione dei magneti permanenti, che contengono circa il 25 percento di neodimio), ma sono critiche e uno qualsiasi di questi dispositivi non funzionerebbe altrettanto bene, o sarebbe significativamente più pesante, se non fosse per le terre rare.
Sebbene le terre rare esistano sin dalla formazione della Terra, la loro esistenza non è venuta alla luce fino alla fine del XVIII secolo. Nel 1787 il tenente dell'esercito svedese Carl Axel Arrhenius scoprì un nero unico minerale in una piccola cava a Ytterby (una piccola città vicino a Stoccolma). Quel minerale era una miscela di terre rare e il primo elemento individuale ad essere isolato fu il cerio nel 1803.
La storia dei singoli elementi delle terre rare è complessa e confusa, principalmente a causa della loro somiglianza chimica. Molti elementi appena scoperti non erano un elemento ma miscele di ben sei diversi elementi di terre rare. Inoltre, ci sono state affermazioni sulla scoperta di un gran numero di altri elementi, che avrebbero dovuto essere membri della serie delle terre rare ma non lo erano.
L'ultimo elemento naturale delle terre rare ( lutezio ) è stato scoperto nel 1907, ma la ricerca sul chimica di questi elementi era difficile perché nessuno sapeva quanti veri elementi di terre rare esistessero. Fortunatamente, nel 1913-14 la ricerca del fisico danese Niels Bohr e fisico inglese Henry Gwyn Jeffreys Moseley risolto questa situazione. La teoria di Bohr dell'atomo di idrogeno ha permesso ai teorici di dimostrare che esistono solo 14 lantanidi. Gli studi sperimentali di Moseley hanno verificato l'esistenza di 13 di questi elementi e hanno mostrato che il 14° lantanide deve essere l'elemento 61 e si trova tra il neodimio e il samario.
Negli anni '20 la ricerca dell'elemento 61 fu intensa. Nel 1926 gruppi di scienziati dell'Università di Firenze, in Italia, e dell'Università dell'Illinois affermarono di aver scoperto l'elemento 61 e di aver chiamato rispettivamente l'elemento florentium e illinium, ma le loro affermazioni non potevano essere verificate in modo indipendente. Il furore di queste affermazioni e domande riconvenzionali alla fine si placò nel 1930. Fu solo nel 1947, dopo la fissione dell'uranio, che l'elemento 61 fu definitivamente isolato e chiamato promezio dagli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory della US Atomic Energy Commission nel Tennessee. . (Maggiori dettagli sulla scoperta dei singoli elementi si trovano negli articoli su quegli elementi.)
Durante i 160 anni della scoperta (1787-1947), la separazione e la purificazione degli elementi delle terre rare è stato un processo difficile e lungo. Molti scienziati hanno trascorso tutta la loro vita cercando di ottenere una terra rara pura al 99 percento, di solito mediante cristallizzazione frazionata, che sfrutta le leggere differenze del solubilità di un sale di terre rare in una soluzione acquosa soluzione rispetto a quello di un elemento lantanide vicino.
Poiché gli elementi delle terre rare sono risultati essere prodotti di fissione della scissione di un atomo di uranio, la Commissione per l'energia atomica degli Stati Uniti ha fatto un grande sforzo per sviluppare nuovi metodi per separare gli elementi delle terre rare. Tuttavia, nel 1947 Gerald E. Boyd e colleghi dell'Oak Ridge National Laboratory e Frank Harold Spedding e colleghi dell'Ames Laboratory in Iowa pubblicarono simultaneamente risultati che mostravano che i processi di scambio ionico offrivano un modo molto migliore per separare le terre rare.
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