De meeste Amerikanen gebruiken elke dag zeldzame aardelementen - zonder het te weten, of iets weten over wat ze doen. Dat zou kunnen veranderen, omdat deze ongebruikelijke materialen een centraal punt worden in de escalerende handelsoorlog tussen de VS en China.

Stanley Mertzman, een geoloog wiens specialiteit is röntgenanalyse van gesteenten en mineralen om hun chemische samenstelling te bepalen, en die mineralogie doceert aan Franklin en Marshall College, vertelt meer over deze weinig bekende en fascinerende elementen - en de moderne elektronica die ze mogelijk maken.

1. Wat zijn zeldzame aardelementen?

Strikt gesproken, het zijn elementen zoals andere op het periodiek systeem - zoals koolstof, waterstof en zuurstof - met atoomnummers 57 tot 71. Er zijn twee andere met vergelijkbare eigenschappen die soms bij hen worden gegroepeerd, maar de belangrijkste zeldzame aardelementen zijn die 15. Om de eerste te maken, lanthaan, begin met een bariumatoom en voeg een proton en een elektron toe. Elk opeenvolgend zeldzaam aardelement voegt nog een proton en nog een elektron toe.

Het is veelbetekenend dat er 15 zeldzame aardelementen zijn:scheikundestudenten herinneren zich misschien dat wanneer elektronen aan een atoom worden toegevoegd, ze verzamelen in groepen of lagen, orbitalen genoemd, die zijn als concentrische cirkels van een doelwit rond de roos van de kern.

De binnenste doelcirkel van elk atoom kan twee elektronen bevatten; het toevoegen van een derde elektron betekent het toevoegen van een in de tweede doelcirkel. Daar gaan de volgende zeven elektronen naartoe, ook – waarna elektronen naar de derde doelcirkel moeten gaan, die 18 kan bevatten. De volgende 18 elektronen gaan naar de vierde doelcirkel.

Dan beginnen de dingen een beetje vreemd te worden. Hoewel er nog ruimte is voor elektronen in de vierde doelcirkel, de volgende acht elektronen gaan naar de vijfde doelcirkel. En ondanks meer ruimte in de vijfde, de volgende twee elektronen gaan daarna de zesde doelcirkel in.

Dat is wanneer het atoom barium wordt, atoomnummer 56, en die lege ruimtes in eerdere doelcirkels beginnen te vullen. Nog een elektron toevoegen - om lanthaan te maken, de eerste in de reeks zeldzame aardelementen - plaatst dat elektron in de vijfde cirkel. Nog een toevoegen, cerium maken, atoomnummer 58, voegt een elektron toe aan de vierde cirkel. Het volgende element maken, praseodymium, verplaatst eigenlijk het nieuwste elektron in de vijfde cirkel naar de vierde, en voegt er nog een toe. Vanaf daar, extra elektronen vullen de vierde cirkel.

In alle elementen, de elektronen in de buitenste cirkel hebben een grote invloed op de chemische eigenschappen van het element. Omdat de zeldzame aarden identieke buitenste elektronenconfiguraties hebben, hun eigenschappen zijn vrij gelijkaardig.

2. Zijn zeldzame aardelementen echt zeldzaam?

Nee. Ze komen veel meer voor in de aardkorst dan veel andere waardevolle elementen. Zelfs de zeldzaamste zeldzame aarde, thulium, met atoomnummer 69, komt 125 keer vaker voor dan goud. En de minst zeldzame zeldzame aarde, cerium, met atoomnummer 58, is 15, 000 keer overvloediger dan goud.

Ze zijn in zekere zin zeldzaam, hoewel - mineralogen zouden ze "verspreid, " wat betekent dat ze meestal in relatief lage concentraties over de planeet worden gestrooid. Zeldzame aardmetalen worden vaak gevonden in zeldzame stollingsgesteenten die carbonatieten worden genoemd - niets zo gewoon als basalt uit Hawaï of IJsland, of andesiet van Mount St. Helens of Guatemala's vulkaan Fuego.

Er zijn een paar regio's met veel zeldzame aardmetalen - en ze zijn meestal in China, die meer dan 80 procent van het wereldwijde jaartotaal van 130, 000 ton. Australië heeft ook een paar gebieden, net als sommige andere landen. De VS heeft een klein gebied met veel zeldzame aardmetalen, maar de laatste Amerikaanse bron voor hen, California's Mountain Pass Quarry, gesloten in 2015.

3. Als ze niet zeldzaam zijn, zijn ze erg duur?

Ja, nogal. in 2018, de kosten voor een oxide van neodymium, atoomnummer 60, kost $ 107, 000 per ton. De prijs zal naar verwachting stijgen tot $ 150, 000 tegen 2025.

Europium is nog duurder - ongeveer $ 712 000 per ton.

Een deel van de reden is dat zeldzame aardelementen chemisch moeilijk van elkaar te scheiden zijn om een ​​zuivere stof te krijgen.

4. Waar zijn zeldzame aardelementen nuttig voor?

In de laatste helft van de 20e eeuw, europium, met atoomnummer 63, kreeg brede vraag naar zijn rol als kleurproducerende fosfor in videoschermen, inclusief computermonitoren en plasma-tv's. Het is ook nuttig voor het absorberen van neutronen in de regelstaven van kernreactoren.

Andere zeldzame aardmetalen worden tegenwoordig ook vaak gebruikt in elektronische apparaten. Neodymium, atoomnummer 60, bijvoorbeeld, is een krachtige magneet, handig in smartphones, televisies, lasers, oplaadbare batterijen en harde schijven. Een aankomende versie van Tesla's elektrische automotor zal naar verwachting ook neodymium gebruiken.

De vraag naar zeldzame aardmetalen is sinds het midden van de 20e eeuw gestaag gestegen, en er zijn geen echte alternatieve materialen om ze te vervangen. Hoe belangrijk zeldzame aardmetalen ook zijn voor een moderne, op technologie gebaseerde samenleving, en hoe moeilijk ze ook zijn om te ontginnen en te gebruiken, de tariefstrijd kan de VS in een zeer slechte positie brengen, zowel het land als de zeldzame-aarde-elementen zelf in pionnen veranderen in dit economische schaakspel.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.