La maggior parte degli americani usa gli elementi delle terre rare ogni giorno, senza saperlo, o sapere qualcosa di quello che fanno. che potrebbe cambiare, poiché questi materiali insoliti stanno diventando un punto focale nell'escalation della guerra commerciale tra Stati Uniti e Cina.

Stanley Mertzman, un geologo la cui specialità è l'analisi a raggi X di rocce e minerali per determinarne la composizione chimica, e che insegna mineralogia al Franklin e al Marshall College, spiega di più su questi elementi poco conosciuti e affascinanti e sull'elettronica moderna che rendono possibile.

1. Cosa sono gli elementi delle terre rare?

In senso stretto, sono elementi come altri sulla tavola periodica - come il carbonio, idrogeno e ossigeno - con numeri atomici da 57 a 71. Ce ne sono altri due con proprietà simili che a volte sono raggruppati con loro, ma i principali elementi delle terre rare sono quei 15. Per fare il primo, lantanio, inizia con un atomo di bario e aggiungi un protone e un elettrone. Ogni successivo elemento di terre rare aggiunge un altro protone e un altro elettrone.

È significativo che ci siano 15 elementi delle terre rare:gli studenti di chimica potrebbero ricordare che quando gli elettroni vengono aggiunti a un atomo, si raccolgono in gruppi o strati, chiamati orbitali, che sono come cerchi concentrici di un bersaglio attorno al centro del nucleo.

Il cerchio bersaglio più interno di qualsiasi atomo può contenere due elettroni; aggiungere un terzo elettrone significa aggiungerne uno nel secondo cerchio bersaglio. Ecco dove vanno i prossimi sette elettroni, anche - dopo di che gli elettroni devono andare al terzo cerchio bersaglio, che può contenere 18. I successivi 18 elettroni entrano nel quarto cerchio bersaglio.

Poi le cose iniziano a diventare un po' strane. Sebbene ci sia ancora spazio per gli elettroni nel quarto cerchio bersaglio, i successivi otto elettroni entrano nel quinto cerchio bersaglio. E nonostante più spazio nel quinto, i successivi due elettroni dopo vanno nel sesto cerchio bersaglio.

È allora che l'atomo diventa bario, numero atomico 56, e quegli spazi vuoti nei precedenti cerchi di destinazione iniziano a riempirsi. Aggiungendo un altro elettrone - per produrre lantanio, il primo della serie di elementi delle terre rare - mette quell'elettrone nel quinto cerchio. Aggiungendone un altro, per fare cerio, numero atomico 58, aggiunge un elettrone al quarto cerchio. Facendo il prossimo elemento, praseodimio, effettivamente sposta l'elettrone più recente nel quinto cerchio nel quarto, e ne aggiunge un altro. Da li, elettroni aggiuntivi riempiono il quarto cerchio.

In tutti gli elementi, gli elettroni nel cerchio più esterno influenzano ampiamente le proprietà chimiche dell'elemento. Poiché le terre rare hanno configurazioni elettroniche più esterne identiche, le loro proprietà sono abbastanza simili.

2. Gli elementi delle terre rare sono davvero rari?

No. Sono molto più abbondanti nella crosta terrestre di molti altri elementi preziosi. Anche la terra rara più rara, tulio, con numero atomico 69, è 125 volte più comune dell'oro. E la terra rara meno rara, cerio, con numero atomico 58, è 15, 000 volte più abbondante dell'oro.

Sono rari in un certo senso, tuttavia - i mineralogisti li chiamerebbero "dispersi, " il che significa che sono per lo più sparse in tutto il pianeta in concentrazioni relativamente basse. Le terre rare si trovano spesso in rare rocce ignee chiamate carbonatiti - niente di così comune come il basalto delle Hawaii o dell'Islanda, o andesite dal Monte Sant'Elena o dal vulcano Fuego del Guatemala.

Ci sono alcune regioni che hanno molte terre rare - e sono principalmente in Cina, che produce oltre l'80% del totale annuo globale di 130, 000 tonnellate. Anche l'Australia ha alcune aree, come fanno alcuni altri paesi. Gli Stati Uniti hanno una piccola area con molte terre rare, ma l'ultima fonte americana per loro, cava di montagna della California, chiuso nel 2015.

3. Se non sono rari, sono molto costosi?

Sì, piuttosto. Nel 2018, il costo per un ossido di neodimio, numero atomico 60, è di $ 107, 000 per tonnellata. Il prezzo dovrebbe salire a $ 150, 000 entro il 2025.

Europium è ancora più costoso:circa $ 712, 000 per tonnellata.

Parte del motivo è che gli elementi delle terre rare possono essere chimicamente difficili da separare l'uno dall'altro per ottenere una sostanza pura.

4. A cosa servono gli elementi delle terre rare?

Nella seconda metà del XX secolo, europio, con numero atomico 63, è venuto a grande richiesta per il suo ruolo di fosforo che produce colore negli schermi video, compresi monitor di computer e televisori al plasma. È anche utile per assorbire i neutroni nelle barre di controllo dei reattori nucleari.

Anche altre terre rare sono comunemente usate oggi nei dispositivi elettronici. Neodimio, numero atomico 60, ad esempio, è un potente magnete, utile negli smartphone, televisori, laser, batterie ricaricabili e dischi rigidi. Si prevede che anche una versione imminente del motore dell'auto elettrica di Tesla utilizzerà il neodimio.

La domanda di terre rare è aumentata costantemente dalla metà del XX secolo, e non esistono veri materiali alternativi per sostituirli. Per quanto importanti siano le terre rare per una moderna società basata sulla tecnologia, e per quanto difficili siano da estrarre e da usare, la battaglia tariffaria potrebbe mettere gli Stati Uniti in una brutta situazione, trasformando sia il paese che gli stessi elementi delle terre rare in pedine in questo gioco di scacchi economico.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.