Đất Hiếm Là Gì? Vì Sao Nó Lại Quan Trọng Như Vậy

Trung Quốc chiếm 70-80% sản lượng đất hiếm toàn cầu. Nó đang trở thành quân cờ chính trị toàn cầu

Đất hiếm. Ảnh Thoughtco

Hầu hết người Mỹ sử dụng các nguyên tố đất hiếm hàng ngày mà không biết, hoặc không biết gì về công dụng của chúng.

Điều đó có thể thay đổi, khi những vật liệu bất thường này đang trở thành tâm điểm trong cuộc chiến thương mại leo thang giữa Mỹ và Trung Quốc.

Stanley Mertzman, giáo sư địa chất tại Đại học Franklin-Marshall, giải thích thêm về đất hiếm và ứng dụng của nó trong công nghiệp và công nghệ.

1. Nguyên tố đất hiếm là gì (có thể bỏ qua nếu chỉ muốn tìm hiểu chung về đất hiếm)?

Đất hiếm giống như những nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn – chẳng hạn như Carbon, Hydro Và oxy – với số nguyên tử từ 57 đến 71. Có 2 nguyên tố đất hiếm khác có tính chất tương tự những nguyên tố phổ biến này, đôi khi được nhóm cùng với chúng. Như vậy 15 nguyên tố đất hiếm còn lại là riêng biệt.

Để tạo ra nguyên tử đầu tiên, Lanthanum (Lantha), hãy bắt đầu với một nguyên tử Bari và thêm 1 proton và 1 electron. Mỗi nguyên tố đất hiếm kế tiếp sẽ thêm 1 proton và 1 electron nữa.

Sơ đồ điện tử của nguyên tố Bari, nguyên tố cuối cùng trước nguyên tố đất hiếm Lantha. Greg Robson và Pumbaa, CC BY-SA
Sơ đồ điện tử của nguyên tử Lanthanum, với 1 electron ở quỹ đạo thứ 5 nhiều hơn Bari. Greg Robson và Pumbaa, CC BY-SA
Xeri có thêm 1 electron ở quỹ đạo thứ 5 và nhiều hơn 1 electron ở quỹ đạo thứ 4 so với Bari. Greg Robson và Pumbaa , CC BY-SA

Điều quan trọng là có 15 nguyên tố đất hiếm: Sinh viên hóa học có thể nhớ lại rằng, khi 1 electron vào nguyên tử, chúng tập hợp thành nhóm hoặc lớp, gọi là quỹ đạo, giống như các vòng tròn đồng tâm của một mục tiêu xung quanh hồng tâm của hạt nhân.

Vòng bia trong cùng của bất kỳ nguyên tử nào cũng có thể chứa 2 electron, thêm 1 electron thứ 3 có nghĩa là thêm 1 electron vào vòng tròn mục tiêu thứ 2. Đó cũng là nơi 7 electron tiếp theo đi vào – sau đó các electron phải đi đến vòng tròn mục tiêu thứ 3, nơi có thể chứa 18. 18 electron tiếp theo đi vào vòng tròn mục tiêu thứ 4.

Sau đó mọi thứ bắt đầu có một chút kỳ lạ. Mặc dù vẫn còn chỗ cho các electron trong vòng tròn mục tiêu thứ 4, nhưng 8 electron tiếp theo sẽ chuyển sang vòng tròn mục tiêu thứ 5. Và mặc dù có nhiều chỗ hơn ở vòng tròn thứ 5, hai electron tiếp theo sau đó sẽ đi vào vòng tròn mục tiêu thứ 6.

Đó là khi nguyên tử trở thành Bari, số nguyên tử 56, và những khoảng trống trong vòng tròn mục tiêu trước đó bắt đầu lấp đầy. Thêm 1 electron nữa – để tạo ra Lanthanum, nguyên tố đầu tiên trong chuỗi nguyên tố đất hiếm – sẽ đặt electron đó vào vòng tròn thứ 5.

Thêm một chất khác để tạo ra Xeri, số nguyên tử 58, thêm 1 electron vào vòng tròn thứ 4. Việc tạo ra nguyên tố tiếp theo, Praseodymium, thực sự di chuyển electron mới nhất ở vòng tròn thứ 5 sang vòng tròn thứ 4 và thêm 1 electron nữa. Từ đó, các electron bổ sung sẽ lấp đầy vòng tròn thứ 4.

Trong tất cả các nguyên tố, các electron ở vòng tròn ngoài cùng ảnh hưởng lớn đến tính chất hóa học của nguyên tố đó. Vì đất hiếm có cấu hình electron ngoài cùng giống hệt nhau, nên tính chất của chúng khá giống nhau.

2. Nguyên tố đất hiếm có thực sự hiếm?

Không. Chúng có nhiều trong lớp vỏ trái đất hơn nhiều nguyên tố có giá trị khác. Ngay cả đất hiếm nhất, Thulium, với số nguyên tử 69, phổ biến hơn vàng 125 lần.

Và loại đất hiếm ít hiếm nhất là Xeri, với số nguyên tử 58, có giá trị gấp 15.000 lần so với vàng.

Nguyên tố đất hiếm – hiếm nhất, Thulium. Juri, CC BY

Tuy nhiên, chúng hiếm ở một khía cạnh khác – các nhà khoáng vật học gọi chúng là “phân tán”, nghĩa là chúng hầu như rải rác khắp hành tinh với ‘hàm lượng’ tương đối thấp ở một vài khu vực trên thế giới.

Đất hiếm thường được tìm thấy trong các loại đá lửa hiếm gọi là Cacbonatite – không có gì phổ biến như đá Bazan từ Hawaii hay Iceland, hay Andesite từ núi St. Helens hoặc núi lửa Fuego của Guatemala.

Có một số khu vực có nhiều đất hiếm – và hầu hết đều ở Trung Quốc, nơi sản xuất hơn 80% trong tổng số 130.000 tấn hàng năm trên toàn cầu.

Úc cũng có một số khu vực và một số quốc gia khác cũng vậy. Hoa Kỳ có một chút diện tích có nhiều đất hiếm, nhưng nguồn cung cấp đất hiếm cuối cùng của Mỹ, Mountain Pass Quarry ở California, đã đóng cửa vào năm 2015.

3. Nếu không hiếm thì chúng có đắt không?

Vâng, khá đắt. Năm 2018, chi phí cho một oxit Neodymium, số nguyên tử 60, là 107.000 USD mỗi tấn. Giá dự kiến ​​sẽ tăng lên 150.000 USD vào năm 2025.

Europium thậm chí còn đắt hơn – khoảng 712.000 USD/tấn.

Một phần nguyên nhân là do các nguyên tố đất hiếm khó có thể tách rời nhau về mặt hóa học để thu được ‘chất’ nguyên chất.

4. Nguyên tố đất hiếm có công dụng gì?

Vào nửa cuối thế kỷ 20, Europium, với số nguyên tử 63, đã có nhu cầu rộng rãi vì vai trò của nó là chất lân quang tạo màu trong màn hình video, bao gồm màn hình máy tính và TV plasma.

Nó cũng hữu ích trong việc hấp thụ neutron trong thanh điều khiển của lò phản ứng hạt nhân.

Các loại đất hiếm khác cũng được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử ngày nay. Ví dụ, Neodymium, số nguyên tử 60, là một nam châm cực mạnh, hữu ích trong điện thoại thông minh, tivi, tia laser, pin sạc và ổ cứng. Một phiên bản động cơ ô tô điện sắp ra mắt của Tesla cũng được cho là sẽ sử dụng Neodymium.

Nhu cầu về đất hiếm đã tăng đều đặn kể từ giữa thế kỷ 20 và không có vật liệu thực sự nào có thể thay thế được chúng.

Đất hiếm có tầm quan trọng như thế nào đối với một xã hội dựa trên công nghệ hiện đại, cũng như khó khai thác và sử dụng, cuộc chiến thuế quan, có thể đẩy Mỹ vào một tình thế rất tồi tệ, biến cả đất nước và đất hiếm – thành những con tốt trong ván cờ kinh tế này.

Tác giả: Stanley Mertzman, giáo sư khoa học địa chất, Đại học Franklin & Marshall

Scroll to Top