Nadir toprak elementi

Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği tarafından tanımlanan nadir toprak elementi (REE) veya nadir toprak metali (REM), periyodik tablodaki on yedi kimyasal elementten biridir, özellikle on beş lantanidin yanı sıra skandiyum ve itriyum. Skandiyum ve itriyum, nadir toprak elementleri olarak kabul edilir, çünkü lantanitler ile aynı cevher yataklarında meydana gelme eğilimindedirler ve benzer kimyasal özellikler sergilerler, ancak farklı elektronik ve manyetik özelliklere sahiptirler. Nadiren, aktinidler bazı mineralojik, kimyasal ve fiziksel (özellikle elektron kabuğu konfigürasyonu) özellikleri paylaştığından, aktinitleri içeren daha geniş bir tanım kullanılabilir.

17 nadir toprak elementi seryum (Ce), disprosiyum (Dy), erbiyum (Er), öropyum (Eu), gadolinyum (Gd), holmiyum (Ho), lantan (La), lutetium (Lu), neodim (Nd ), praseodimyum (Pr), prometyum (Pm), samaryum (Sm), skandiyum (Sc), terbiyum (Tb), tülyum (Tm), iterbiyum (Yb) ve itriyum (Y). Genellikle toryum (Th) ve daha az yaygın olarak uranyum (U) içeren minerallerde bulunurlar.

İsimlerine rağmen, nadir toprak elementleri - radyoaktif prometyum haricinde - Dünya'nın kabuğunda nispeten bol miktarda bulunur; seryum, milyonda 68 parça ile bakırdan daha bol olan 25. en bol elementtir. Bununla birlikte, jeokimyasal özellikleri nedeniyle, nadir toprak elementleri tipik olarak dağılmıştır ve nadir toprak minerallerinde yoğun olarak bulunmazlar; sonuç olarak ekonomik olarak işletilebilir cevher yatakları daha az yaygındır. Keşfedilen ilk nadir toprak minerali (1787) seryum, itriyum, demir, silikon ve diğer elementlerden oluşan bir mineral olan gadolinitti. Bu mineral, İsveç'in Ytterby köyündeki bir madenden çıkarıldı; Nadir toprak elementlerinden dördü bu tek konumdan türetilen isimler taşıyor.

Liste

17 nadir toprak elementini, atom numaralarını ve sembollerini, isimlerinin etimolojisini ve ana kullanımlarını listeleyen bir tablo (ayrıca bkz.Lantanitlerin Uygulamaları) burada sağlanmıştır. Nadir toprak elementlerinin bir kısmı, elemental özelliklerini keşfeden veya aydınlatan bilim adamlarının, bazıları ise coğrafi keşiflerinden sonra adlandırılmıştır.

Atom numarası	Sembolü	Element adı
57	La	Lantan
58	Ce	Seryum
59	Pr	Praseodim
60	Nd	Neodimyum
61	Pm	Prometyum
62	Sm	Samaryum
63	Eu	Evropiyum
64	Gd	Gadolinyum
65	Tb	Terbiyum
66	Dy	Disprozyum
67	Ho	Holmiyum
68	Er	Erbiyum
69	Tm	Tulyum
70	Yb	İterbiyum
71	Lu	Lutesyum
39	Y	İtriyum
21	Sc	Skandiyum

Kısaltmalar

-RE = nadir toprak
REM = nadir toprak metalleri
REE = nadir toprak elementleri
REO = nadir toprak oksitleri
REY = nadir toprak elementleri ve itriyum
LREE = hafif nadir toprak elementleri
HREE = ağır nadir toprak elementleri
MREE = orta nadir toprak elementleri

Keşif ve erken tarih

Keşfedilen ilk nadir toprak elementi siyah mineral "iterbite" idi (1800'de gadolinite olarak yeniden adlandırıldı). Teğmen Carl Axel Arrhenius tarafından 1787'de İsveç'in Ytterby köyündeki bir taş ocağında keşfedildi.

Arrhenius'un "iterbiti", bir Turku Kraliyet Akademisi profesörü olan Johan Gadolin'e ulaştı ve analizi, itriya adını verdiği bilinmeyen bir oksit (toprak) ortaya çıkardı. Anders Gustav Ekeberg gadolinitten berilyumu izole etti ancak içerdiği diğer elementleri tanımadı. 1794'teki bu keşiften sonra, İsveç'in Riddarhyttan yakınlarındaki Bastnäs'tan bir demir-tungsten minerali olduğuna inanılan bir mineral Jöns Jacob Berzelius ve Wilhelm Hisinger tarafından yeniden incelendi. 1803'te beyaz bir oksit elde ettiler ve ona ceria adını verdiler. Martin Heinrich Klaproth bağımsız olarak aynı oksidi keşfetti ve ona ochroia adını verdi.

Böylece 1803'te bilinen iki nadir toprak elementi, itriyum ve seryum vardı, ancak araştırmacıların diğer elementlerin iki cevher ceria ve itria'da bulunduğunu belirlemesi 30 yıl daha aldı (nadir toprak metallerinin kimyasal özelliklerinin benzerliği) ayrılıklarını zorlaştırdı.

1839'da Berzelius'un asistanı Carl Gustav Mosander, nitratı ısıtarak ve ürünü nitrik asitte çözerek seriyi ayırdı. Çözünür tuz lantanın oksitini çağırdı. Lantanayı didimiye ve saf lantana olarak ayırması üç yılını daha aldı. Didimya, Mosander'ın teknikleriyle daha fazla ayrılmasa da, aslında hala bir oksit karışımıydı.

1842'de Mosander, yitriya'yı üç okside ayırdı: saf yitriya, terbiya ve erbia (tüm isimler "Ytterby" şehir adından türetilmiştir). Dünya terbiyum adını verdiği pembe tuzlar veriyordu; Sarı peroksit verenlere erbiyum adını verdi.

Böylece 1842'de bilinen nadir toprak elementlerinin sayısı altıya ulaştı: itriyum, seryum, lantan, didimyum, erbiyum ve terbiyum.

Nils Johan Berlin ve Marc Delafontaine de ham yitriyayı ayırmaya çalıştılar ve Mosander'in elde ettiği aynı maddeleri buldular, ancak Berlin pembe tuzlar erbiyum veren maddeye (1860) ve Delafontaine maddeye sarı peroksit terbiyum adını verdi. Bu kafa karışıklığı, J.Lawrence Smith'in mosandrium veya Delafontaine'in philippium ve decipium'u gibi yeni unsurların birkaç yanlış iddiasına yol açtı. Metalleri ayırmanın zorluğu (ve ayrımın tamamlandığını belirleme) nedeniyle, yanlış keşiflerin toplam sayısı düzinelerce idi ve bazıları toplam keşif sayısını yüzden fazla koydu.

Spektroskopi

30 yıl boyunca başka keşifler yapılmadı ve didimyum elementi, 138 moleküler kütleye sahip periyodik element tablosunda listelenmiştir. 1879'da Delafontaine, optik alev spektroskopisinin yeni fiziksel sürecini kullandı ve didymia birkaç yeni spektral çizgi buldu. Yine 1879'da, yeni element samaryumu, Paul Émile Lecoq de Boisbaudran tarafından mineral samarskitten izole edildi.

Samaria toprağı, 1886'da Lecoq de Boisbaudran tarafından incelendi ve benzer bir sonuç, samarskite'den doğrudan izolasyonla Jean Charles Galissard de Marignac tarafından elde edildi. Gadolinyum elementine Johan Gadolin'in adını verdiler ve oksidine "gadolini" adı verildi.

William Crookes, Lecoq de Boisbaudran ve Eugène-Anatole Demarçay tarafından 1886 ve 1901 arasında samaria, yttria ve samarskite'nin daha fazla spektroskopik analizi, bilinmeyen bir elementin varlığını gösteren birkaç yeni spektroskopik çizgi ortaya çıkardı. Oksitlerin fraksiyonel kristalleşmesi 1901'de evropiyum verdi.

1839'da nadir toprak elementleri için üçüncü kaynak kullanıma sunuldu. Bu, gadolinite benzer bir mineraldir, uranotantalum (şimdi "samarskite" olarak adlandırılır). Güney Ural Dağları'ndaki Miass'tan gelen bu mineral, Gustav Rose tarafından belgelendi. Rus kimyager R. Harmann, "ilmenium" olarak adlandırdığı yeni bir elementin bu mineralde bulunması gerektiğini öne sürdü, ancak daha sonra Christian Wilhelm Blomstrand, Galissard de Marignac ve Heinrich Rose içinde sadece tantal ve niyobyum (kolumbiyum) buldular.

Var olan nadir toprak elementlerinin tam sayısı oldukça belirsizdi ve maksimum 25 sayısı tahmin edildi. Henry Gwyn Jeffreys Moseley tarafından X-ışını spektrumlarının (X-ışını kristalografisi ile elde edilmiştir) kullanımı, elementlere atom numaraları atamayı mümkün kılmıştır. Moseley, lantanitlerin tam sayısının 15 olması gerektiğini ve bu element 61'in henüz keşfedilmesinin gerektiğini buldu.

Moseley, X-ışını kristalografisinden atom numaraları hakkındaki bu gerçekleri kullanarak hafniyumun (element 72) nadir toprak elementi olmayacağını da gösterdi. Moseley, hafniyum keşfedilmeden yıllar önce, 1915'te I. Dünya Savaşı'nda öldürüldü. Bu nedenle, Georges Urbain'in 72. elementi keşfettiği iddiası yanlıştı. Hafniyum, zirkonyumun hemen altındaki periyodik cetvelde yer alan bir elementtir ve hafniyum ve zirkonyum kimyasal ve fiziksel özellikleri bakımından çok benzerdir.

1940'larda, Frank Spedding ve Birleşik Devletler'deki diğerleri (Manhattan Projesi sırasında) nadir toprak elementlerini ayırmak ve saflaştırmak için kimyasal iyon değişim prosedürlerini geliştirdiler. Bu yöntem ilk olarak plütonyum-239 ve neptunumu uranyum, toryum, aktinyum ve nükleer reaktörlerde üretilen diğer aktinitlerden ayırmak için aktinitlere uygulanmıştır. Plütonyum-239, bölünebilir bir malzeme olduğu için çok arzu edilirdi.

Nadir toprak elementlerinin ana kaynakları, bastnäsite, monazite ve loparite mineralleri ve lateritik iyon adsorpsiyon killeridir. Nispi bolluklarının yüksek olmasına rağmen, nadir toprak minerallerinin çıkarılması eşdeğer geçiş metalleri kaynaklarından daha zordur (kısmen benzer kimyasal özelliklerinden dolayı), bu da nadir toprak elementlerini nispeten pahalı hale getirir. 1950'lerin sonlarında ve 1960'ların başlarında iyon değişimi, fraksiyonel kristalizasyon ve sıvı-sıvı ekstraksiyonu gibi verimli ayırma teknikleri geliştirilinceye kadar endüstriyel kullanımları çok sınırlıydı.

Bazı ilmenit konsantreleri, XRF ile analiz edilebilecek küçük miktarlarda skandiyum ve diğer nadir toprak elementleri içerir.

Köken

Skandiyum dışındaki nadir toprak elementleri demirden daha ağırdır ve bu nedenle süpernova nükleosentezi veya asimptotik dev sınıfı yıldızlarındaki s-süreci tarafından üretilir. Doğada, uranyum-238'in kendiliğinden fisyonu eser miktarda radyoaktif prometyum üretir, ancak prometyumun çoğu sentetik olarak nükleer reaktörlerde üretilir.

Kimyasal benzerliklerinden dolayı, kayalardaki nadir toprakların konsantrasyonları jeokimyasal süreçler tarafından sadece yavaşça değiştirilir, bu da oranlarını jeokronoloji ve tarihlendirme fosilleri için yararlı hale getirir.

Jeolojik dağılım

ilyon Si atomu başına Dünya'nın kabuğundaki elementlerin bolluğu (y ekseni logaritmiktir)

Nadir toprak elementi seryum aslında Dünya'nın kabuğunda en bol bulunan 25. elementtir ve milyonda 68 parçaya sahiptir (yaklaşık bakır kadar yaygın). Yalnızca oldukça dengesiz ve radyoaktif prometyum "nadir toprak" oldukça azdır.

Nadir toprak elementleri genellikle bir arada bulunur. Prometyumun en uzun ömürlü izotopunun yarı ömrü 17,7 yıldır, bu nedenle element doğada sadece ihmal edilebilir miktarlarda bulunur (tüm Dünya'nın kabuğunda yaklaşık 572 g). Prometyum, kararlı (radyoaktif olmayan) izotoplara sahip olmayan ve ardından (yani daha yüksek atom numaralı) kararlı elementler (diğeri teknetyum) takip eden iki elementten biridir.

Dünyanın oluşumunda, yoğun nadir toprak elementleri gezegenin daha derin kısımlarına dahil edildi. Erimiş malzemenin erken farklılaşması, nadir toprakları büyük ölçüde Mantle kayalarına dahil etti. Nadir toprakların yüksek alan kuvveti ve büyük iyonik yarıçapları, onları çoğu kaya oluşturan minerallerin kristal kafesleriyle uyumsuz hale getirir, bu nedenle, eğer varsa, NTE güçlü bir erime fazına bölünecektir. REE kimyasal olarak çok benzerdir ve ayrılması her zaman zor olmuştur, ancak iyonik yarıçapta LREE'den HREE'ye kademeli bir azalma, lantanid kasılması olarak adlandırılır, hafif ve ağır NYE arasında geniş bir ayrım oluşturabilir. LREE'nin daha büyük iyonik yarıçapları, onları genellikle kaya oluşturan minerallerde HREE'den daha uyumsuz hale getirir ve bir erime fazına daha güçlü bir şekilde bölünürken, HREE, özellikle granat gibi HREE uyumlu mineraller içeriyorsa, kristalin kalıntıda kalmayı tercih edebilir. Sonuç, kısmi erimeden oluşan tüm magmanın her zaman HREE'den daha yüksek LREE konsantrasyonlarına sahip olacağı ve kristal kafese hangi iyonik yarıçap aralığına en iyi uyduğuna bağlı olarak bireysel minerallere HREE veya LREE hakim olabilir.

Susuz nadir toprak fosfatları arasında, itriyum ve HREE içeren tetragonal mineral ksenotim iken, monoklinik monazit fazı tercihen seryum ve LREE içerir. HREE'nin daha küçük boyutu, Dünya'nın mantosunu oluşturan kaya oluşturan minerallerde daha fazla katı çözünürlüğe izin verir ve bu nedenle Yitriyum ve HREE, Dünya'nın kabuğunda kondritik bolluğa göre seryum ve LREE'ye göre daha az zenginleşme gösterir. Bunun ekonomik sonuçları vardır: LREE'nin büyük cevher kütleleri dünya çapında bilinmekte ve sömürülmektedir. HREE için cevher kütleleri daha nadir, daha küçük ve daha az konsantredir. Mevcut HREE arzının çoğu, Güney Çin'in "iyon absorpsiyonlu kil" cevherlerinden kaynaklanmaktadır. Bazı versiyonlar, yaklaşık %65 itriyum oksit içeren konsantreler sağlar, HREE Oddo-Harkins kuralını yansıtan oranlarda bulunur: her biri yaklaşık %5'lik bolluklarda çift numaralı REE ve diğeri yaklaşık %1'lik bolluklarda tek numaralı REE'dir. Benzer bileşimler ksenotim veya gadolinitte bulunur.

İtriyum ve diğer HREE içeren iyi bilinen mineraller arasında gadolinit, ksenotim, samarskit, öksenit, fergusonit, yttrotantalit, yttrotungstit, itrofluorit (çeşitli florit), talenit, itriyalit bulunur. Tipik sarı floresansını eşlik eden HREE'nin bir kısmından türeten zirkonda küçük miktarlar oluşur. Grönland'ın güneyinde bulunan zirkonyum minerali ödialit, küçük ama potansiyel olarak yararlı miktarlarda itriyum içerir. Yukarıdaki itriyum minerallerinden çoğu, keşif günleri sırasında araştırma miktarlarında lantanit sağlamada rol oynadı. Xenotime zaman zaman ağır kum işlemenin bir yan ürünü olarak geri kazanılır, ancak benzer şekilde geri kazanılan monazit (tipik olarak birkaç yüzde itriyum içerir) kadar bol değildir. Ontario'dan gelen uranyum cevherleri bazen bir yan ürün olarak itriyum vermiştir.

Seryum ve diğer LREE içeren iyi bilinen mineraller arasında bastnäsite, monazite, allanite, loparite, ancylite, parisite, lantanite, chevkinite, cerite, stillwelit, britholite, fluocerit ve cerianite bulunur. Monazite (Brezilya, Hindistan veya Avustralya'dan deniz kumları; Güney Afrika'dan kaya), bastnäsite (Dağ Geçidi nadir toprak madeninden veya Çin'deki çeşitli yerlerden) ve loparit (Kola Yarımadası, Rusya) başlıca seryum cevherleri ve hafif lantanitler içerir.

Yeryüzünün yüzeyindeki nadir toprak elementlerinin, karbonatitlerin ve pegmatitlerin zengin birikintileri, yırtılmanın olduğu veya dalma bölgelerine yakın olan tektonik ortamlarda meydana gelen nadir bir magmatizm türü olan alkali plütonizm ile ilgilidir. Bir çatlak ortamında, alkalin magma, üst mantoda (200 ila 600 km derinlik) çok küçük derecelerde granat peridotitin kısmen erimesi (< %1) ile üretilir. Bu eriyik, nadir toprak elementleri gibi, kristalin tortudan süzülerek uyumsuz elementlerle zenginleştirilir. Ortaya çıkan magma, önceden var olan kırıklar boyunca bir diyapir veya diatreme olarak yükselir ve kabuğun derinliklerine yerleştirilebilir veya yüzeyde patlayabilir. Rift ortamlarında oluşan tipik REE ile zenginleştirilmiş tortu tipleri karbonatitler ve A ve M-Tipi granitoidlerdir. Yitim bölgelerine yakın, astenosferdeki yitim levhasının kısmi erimesi (80 ila 200 km derinlik), yüksek alkali element konsantrasyonları ve nadir görülen yüksek element hareketliliği ile uçucu bakımından zengin bir magma (yüksek CO₂ ve su konsantrasyonları) üretir. Bu eriyik ayrıca önceden var olan kırıklar boyunca yükselebilir ve yiten levhanın üstündeki kabuğa yerleşebilir veya yüzeyde patlayabilir. Bu eriyiklerden oluşan REE ile zenginleştirilmiş birikintiler tipik olarak S-Tipi granitoidlerdir.

Nadir toprak elementleriyle zenginleştirilmiş alkali magmalar arasında karbonatitler, peralkalin granitler (pegmatitler) ve nefelin siyenit bulunur. Karbonatitler, sulu karbonatlı lherzolitin kısmen eritilerek CO₂ açısından zengin birincil magmanın üretilmesi, alkali birincil magmanın fraksiyonel kristalizasyonu veya CO₂ açısından zengin karışmayan sıvının ayrılmasıyla üretilebilen CO₂ açısından zengin sıvılardan kristalleşir. Bu sıvılar en çok Afrika ve Kanada Kalkanı'nda bulunanlar gibi çok derin Prekambriyenli Craton'larla bağlantılı olarak oluşur. Ferrokarbonatitler, NTE'de zenginleştirilen en yaygın karbonatit türüdür ve genellikle magmatik komplekslerin çekirdeğine geç evre, breşik borular olarak yerleştirilir; ince taneli kalsit ve hematitten oluşurlar, bazen önemli konsantrasyonlarda ankerit ve küçük konsantrasyonlarda siderit içerirler. Nadir toprak elementleriyle zenginleştirilmiş büyük karbonatit yatakları arasında Avustralya'daki Mount Weld, Kanada'daki Thor Gölü, Güney Afrika'daki Zandkopsdrift ve ABD'deki Mountain Pass sayılabilir. Peralkalin granitleri (A-Tipi granitoyidler) çok yüksek konsantrasyonlarda alkali elementlere ve çok düşük konsantrasyonlarda fosfora sahiptir; uzama bölgelerinde orta derinliklerde, genellikle magmatik halka kompleksleri veya borular, büyük kütleler ve lensler olarak biriktirilirler. Bu sıvılar çok düşük viskozitelere ve yüksek element hareketliliğine sahiptir, bu da yerleştirme üzerine nispeten kısa bir kristalizasyon süresine rağmen büyük tanelerin kristalleşmesine izin verir; Bunların büyük tane boyutları, bu birikintilere genellikle pegmatit denmesinin nedenidir. Ekonomik olarak uygun pegmatitler, Lityum-Sezyum-Tantal (LCT) ve Niyobyum-İtriyum-Flor (NYF) tiplerine ayrılır; NYF türleri, nadir toprak mineralleri bakımından zenginleştirilmiştir. Nadir toprak pegmatit yataklarının örnekleri arasında Kanada'daki Strange Lake ve Moğolistan'daki Khaladean-Buregtey bulunur. Nefelin siyenit (M-Tipi granitoyidler) yatakları %90 feldispat ve feldspatoid mineralleridir ve küçük, dairesel masiflerde çökelmiştir. Yüksek konsantrasyonlarda nadir toprak içeren aksesuar mineraller içerirler. Çoğunlukla bu yatakların küçük ama önemli örnekleri Grönland'daki Illimaussaq-Kvanefeld ve Rusya'daki Lovozera'dır.

Nadir toprak elementleri, hidrotermal akışkanlar veya meteorik su ile etkileşimler veya dirençli NTE taşıyan minerallerin erozyonu ve taşınması yoluyla ikincil değişim yoluyla tortularda da zenginleştirilebilir. Birincil minerallerin killi hale getirilmesi, silika ve diğer çözünür elementleri süzerek, feldspatı kaolinit, halloysit ve montmorillonit gibi kil minerallerine yeniden kristalleştirerek çözünmeyen elementleri zenginleştirir. Yağışın yüksek olduğu tropikal bölgelerde, ayrışma kalın bir arjilli regolit oluşturur, bu sürece süperjen zenginleştirme denir ve laterit yatakları oluşturur; ağır nadir toprak elementleri, emilim yoluyla artık kile dahil edilir. Bu tür bir yatak, küresel ağır nadir toprak element üretiminin çoğunun gerçekleştiği Güney Çin'deki NTE için çıkarılıyor. REE-lateritler, Avustralya'daki Mount Weld'deki karbonatit dahil olmak üzere başka yerlerde oluşur. REE, tortul ana litolojisi REE taşıyan, ağır dirençli mineraller içeriyorsa, plaser yataklarından da çıkarılabilir.

2011 yılında, Pasifik Okyanusu deniz yatağı çamurunu araştıran Tokyo Üniversitesi'nden jeolog Yasuhiro Kato, çamurun zengin konsantrasyonlarda nadir toprak mineralleri barındırabileceğini gösteren sonuçlar yayınladı. 78 bölgede incelenen tortular, "bu malzemeleri deniz suyundan çeken ve on milyonlarca yıl boyunca yavaş yavaş deniz tabanında biriktiren" hidrotermal menfezlerden çıkan dumanlardan geldi. Japon jeologlar 3 Temmuz'da Nature Geoscience'da, 2.3 kilometre genişliğindeki metal açısından zengin çamurun bir yıl boyunca küresel talebin çoğunu karşılamaya yetecek kadar nadir toprak parçası içerebileceğini bildiriyor. Karadaki kaynaklardan daha umut verici, "dedi Kato. "Nadir toprakların konsantrasyonları, Çin'de çıkarılan killerde bulunanlarla karşılaştırılabilir. Bazı tortular, hibrit araba motorlarındaki mıknatısların bir bileşeni olan disprosiyum gibi iki kat daha ağır nadir toprak içeriyordu."

Jeokimya uygulamaları

Nadir toprak elementlerinin jeolojiye uygulanması, magmatik, tortul ve metamorfik kaya oluşumunun petrolojik süreçlerini anlamak için önemlidir. Jeokimyada, nadir toprak elementleri, elementler arasındaki ince atomik büyüklük farklılıkları nedeniyle bir kayayı etkileyen petrolojik mekanizmaları çıkarmak için kullanılabilir; bu, işteki süreçlere bağlı olarak bazı nadir toprak elementlerinin diğerlerine göre tercihli bölünmesine neden olur.

Jeokimyada, nadir toprak elementleri tipik olarak, nadir toprak elementlerinin konsantrasyonunun bir referans standardına normalleştirildiği ve ardından değerin 10 tabanına logaritma olarak ifade edildiği normalleştirilmiş "örümcek" diyagramlarında sunulur. Yaygın olarak, nadir toprak elementleri, kondritik göktaşlarına normalleştirilir, çünkü bunların bölünmemiş güneş sistemi malzemesinin en yakın temsili olduğuna inanılmaktadır. Ancak çalışmanın amacına bağlı olarak diğer normalleştirme standartları da uygulanabilir. Standart bir referans değerine normalleştirme, özellikle parçalanmamış olduğuna inanılan bir malzemenin, gözlenen bollukların, elemanın başlangıç bollukları ile karşılaştırılmasına izin verir. Normalleştirme ayrıca, çift ve tek atom numaraları arasındaki bolluk farklılıklarının neden olduğu belirgin "zikzak" modelini de ortadan kaldırır. "Örümcek" diyagramlarında gözlemlenen eğilimler, tipik olarak, ilgilenilen materyali etkileyen petrolojik süreçleri teşhis edebilen "modeller" olarak adlandırılır.

Magmatik kayaçlarda gözlemlenen nadir toprak elementleri desenleri, öncelikle kayanın geldiği kaynağın kimyasının yanı sıra kayanın geçirdiği fraksiyonlama geçmişinin bir fonksiyonudur. Fraksiyonlama, sırayla her bir elemanın bölme katsayılarının bir fonksiyonudur. Parçalanma katsayıları, eser elementlerin (nadir toprak elementleri dahil) sıvı faza (eriyik / magma) katı faza (mineral) bölünmesinden sorumludur. Bir element tercihen katı fazda kalırsa, "uyumlu" olarak adlandırılır ve tercihen eriyik fazına bölünür, "uyumsuz" olarak tanımlanır. Her elemanın farklı bir bölme katsayısı vardır ve bu nedenle katı ve sıvı fazlara belirgin bir şekilde ayrılır. Bu kavramlar, metamorfik ve tortul petrolojiye de uygulanabilir.

Magmatik kayaçlarda, özellikle felsik eriyiklerde, aşağıdaki gözlemler geçerlidir: Evropiyumdaki anormallikler, feldispatların kristalleşmesi tarafından baskındır. Hornblende, LREE ve HREE'ye kıyasla MREE'nin zenginleşmesini kontrol eder. HREE'ye göre LREE'nin tükenmesi olivin, ortopiroksen ve klinopiroksen kristalleşmesine bağlı olabilir. Öte yandan, LREE'ye göre HREE'nin tükenmesi, granat tercihen HREE'yi kristal yapısına dahil ettiğinden, granat varlığından kaynaklanabilir. Zirkonun varlığı da benzer bir etkiye neden olabilir.

Tortul kayaçlarda, kırıntılı tortulardaki nadir toprak elementleri bir temsil kaynağıdır. Nadir toprak elementleri çözünmez olduğundan ve bu sıvılarda çok düşük konsantrasyonlara sahip olduğundan, nadir toprak element konsantrasyonları tipik olarak deniz ve nehir sularından etkilenmez. Sonuç olarak, bir tortu taşındığında, nadir toprak element konsantrasyonları sıvıdan etkilenmez ve bunun yerine kaya kaynağından nadir toprak element konsantrasyonunu korur.

Deniz ve nehir suları tipik olarak düşük nadir toprak element konsantrasyonlarına sahiptir. Bununla birlikte, sulu jeokimya hala çok önemlidir. Okyanuslarda, nadir toprak elementleri nehirlerden, hidrotermal deliklerden ve rüzgar kaynaklarından gelen girdiyi yansıtır; bu, okyanus karışımı ve sirkülasyonunun araştırılmasında önemlidir.

Nadir toprak elementleri, bazı radyoaktif izotoplar uzun yarılanma ömürleri gösterdiğinden, kayaları tarihlemek için de yararlıdır. ¹³⁸La-¹³⁸Ce, ¹⁴⁷Sm-¹⁴³Nd ve ¹⁷⁶Lu-¹⁷⁶Hf sistemleri özellikle ilgi çekicidir.

Küresel nadir toprak üretimi

Küresel üretim 1950–2000

1948 yılına kadar, dünyanın nadir topraklarının çoğu Hindistan ve Brezilya'daki plaser kum yataklarından kaynaklanıyordu. 1950'ler boyunca, Güney Afrika, Western Cape eyaletindeki Steenkampskraal madenindeki monazit bakımından zengin bir resiften dünyanın nadir toprak kaynağıydı. 1960'lardan 1980'lere kadar, Kaliforniya'daki Mountain Pass nadir toprak madeni ABD'yi lider üretici yaptı. Bugün, Hindistan ve Güney Afrika yatakları hala bazı nadir toprak konsantreleri üretiyor, ancak Çin üretiminin ölçeğine göre cüce kalır. 2017 yılında Çin, rezervlerinin yalnızca %36,7'sine sahip olmasına rağmen, dünyanın nadir toprak arzının %81'ini çoğunlukla İç Moğolistan'da üretmiştir. Avustralya, dünya üretiminin %15'ine sahip ikinci ve tek diğer büyük üreticiydi. Dünyanın tüm ağır nadir toprak elementleri (disprosyum gibi) polimetalik Bayan Obo yatağı gibi Çin'in nadir toprak kaynaklarından gelmektedir. Kuzey Batı Avustralya'da Halls Creek'in 160 km güney doğusunda bulunan Browns Range madeni şu anda geliştirme aşamasındadır ve Çin dışındaki ilk önemli disprosiyum üreticisi olacak şekilde konumlandırılmıştır.

Artan talep, arzı zorladı ve dünyanın yakında nadir toprak elementlerinin kıtlığı ile karşı karşıya kalacağına dair artan endişeler var. 2009'dan sonraki birkaç yıl içinde, nadir toprak elementlerine yönelik dünya çapındaki talebin, büyük yeni kaynaklar geliştirilmedikçe, yılda 40.000 ton arzı aşması bekleniyor. 2013 yılında AB'nin bu elementlere bağımlılığı nedeniyle NTE'lere olan talebin artacağı, nadir toprak elementlerinin başka elementlerle ikame edilemeyeceği ve NTE'lerin düşük geri dönüşüm oranına sahip olduğu belirtildi. Ayrıca, artan talep ve düşük arz nedeniyle gelecekte fiyatların artması beklenmektedir ve Çin dışındaki ülkelerin REE madenleri açma şansı vardır. REE, yaratılmakta olan yeni ve yenilikçi teknoloji için gerekli olmaları nedeniyle talep artmaktadır. Üretilmesi gereken bu yeni ürünler, akıllı telefonlar, dijital kameralar, bilgisayar parçaları, yarı iletkenler gibi yüksek teknoloji ürünü ekipmanlardır. Ek olarak, bu unsurlar şu sektörlerde daha yaygındır: yenilenebilir enerji teknolojisi, askeri teçhizat, cam yapımı ve metalurji.

Kullanımlar

Küresel REE tüketimi, 2015

Katalizörler, 24% (24%)

Mıknatıslar, 23% (23%)

Parlatma, 12% (12%)

"diğer", 9% (9%)

Metalurji, 8% (8%)

Piller, 8% (8%)

Cam, 7% (7%)

Seramikler, 6% (6%)

Fosforlar ve pigmentler, 3% (3%)

Nadir toprak elementlerinin kullanımları, uygulamaları ve talebi yıllar içinde genişledi. Küresel olarak çoğu REE, katalizörler ve mıknatıslar için kullanılmaktadır. ABD'de, REE'lerin yarısından fazlası katalizörler için kullanılmaktadır ve seramik, cam ve cilalama da ana kullanım alanlarıdır.

Nadir toprak elementlerinin diğer önemli kullanımları, yüksek performanslı mıknatıslar, alaşımlar, camlar ve elektroniklerin üretiminde uygulanabilir. Ce ve La katalizörler olarak önemlidir ve petrol arıtımında ve dizel katkı maddeleri olarak kullanılır. Nd, geleneksel ve düşük karbon teknolojilerinde mıknatıs üretiminde önemlidir. Bu kategorideki nadir toprak elementleri hibrit ve elektrikli araçların elektrik motorlarında, rüzgar türbinlerindeki jeneratörlerde, sabit disk sürücülerinde, taşınabilir elektronik cihazlarda, mikrofonlarda, hoparlörlerde kullanılır.

Ce, La ve Nd alaşım yapımında ve yakıt hücreleri ve nikel-metal hidrit pillerin üretiminde önemlidir. Ce, Ga ve Nd elektronikte önemlidir ve LCD ve plazma ekranların, fiber optiklerin, lazerlerin yanı sıra tıbbi görüntülemede kullanılır. Nadir toprak elementlerinin ek kullanımları, tıbbi uygulamalarda, gübrelerde ve su arıtmada izleyicilerdir.

REE'ler, insan ve hayvan tüketimi üzerinde olumsuz etkiler olmaksızın görünüşte bitki büyümesini, üretkenliği ve stres direncini artırmak için tarımda kullanılmıştır. REE'ler, Çin'de yaygın olarak kullanılan bir uygulama olan REE ile zenginleştirilmiş gübreler yoluyla tarımda kullanılmaktadır. Ek olarak, REE'ler, daha büyük hayvanlar gibi üretim artışına ve daha yüksek yumurta ve süt ürünleri üretimine neden olan, hayvancılık için yem katkı maddeleridir. Bununla birlikte, bu uygulama çiftlik hayvanlarında NTE biyo-birikimine neden olmuş ve bu tarımsal alanlarda bitki örtüsü ve yosun büyümesini etkilemiştir. Ek olarak, şu anki düşük konsantrasyonlarda hiçbir kötü etki gözlenmemiş olsa da, uzun vadede ve zaman içinde biriken etkiler bilinmemektedir, bu da olası etkileri hakkında daha fazla araştırma yapılmasını gerektirmektedir.