Что может объединять обычный смартфон и электрическую зубную щётку? А если добавить в этот перечень светодиодные лампы, ветряные турбины, солнечные батареи, тепловизоры и квантовые компьютеры? Ответ может показаться неожиданным: все эти устройства не существовали бы без редкоземельных элементов — металлов, названия которых большинство людей никогда не слышало. Самое интересное заключается в том, что вопреки своему наименованию, многие из них вовсе не являются редкими. Тем не менее, без этих элементов современный технологический мир попросту невозможен.

Что такое редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы, которые также называют редкоземельными элементами или сокращённо РЗЭ, представляют собой группу из семнадцати элементов. Все они действительно являются металлами — уточнение, которое может показаться избыточным, но астрономы, для которых металлами считается всё тяжелее водорода и гелия, оценили бы такую точность.

В эту группу входят: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, скандий и иттрий. Если среди этих названий вам знакомо хотя бы одно, то это, скорее всего, неодим — и то в контексте словосочетания «неодимовый магнит». Впрочем, забегая вперёд, в таких магнитах используется не только неодим.

Почему эти элементы объединены в одну группу

Группировка редкоземельных элементов основана не на их редкости, а на нескольких важных характеристиках. Во-первых, в различных химических реакциях они ведут себя очень похоже. Во-вторых, эти элементы обладают рядом уникальных свойств, причём речь идёт одновременно о магнитных, оптических и электрохимических характеристиках.

В-третьих, пятнадцать из семнадцати элементов относятся к так называемым лантаноидам. К лантаноидам не относятся только скандий и иттрий. Лантаноиды представляют собой полноценный отдельный ряд в таблице Менделеева, для которого характерно постепенное заполнение 4f-орбиталей электронами, что и обуславливает многие их свойства.

У атомов существуют электронные оболочки — области, где с наибольшей вероятностью находятся электроны. Каждая оболочка состоит из орбиталей — своеобразных дорожек, по которым движутся электроны. У лантаноидов как раз начинают заполняться четыре f-орбитали, что является редкостью среди остальных элементов таблицы Менделеева. Именно это и определяет их уникальное поведение.

Происхождение названия

Почему же элементы называют редкоземельными? На первый взгляд всё просто: редкие и в земле. Однако это не так. Термин имеет историческое происхождение. Дело в том, что «землями» раньше называли тугоплавкие, плохо растворимые в воде оксиды, такие как те, которые образуют эти металлы. Таким образом, слово «земельные» относится вовсе не к почве, а скорее к старой терминологии химиков.

Насколько редки редкоземельные металлы

Если эти элементы настолько важны и звучат как нечто ультимативно дефицитное, возникает логичный вопрос: насколько они на самом деле редкие? Ответ не так очевиден, как может показаться.

Название вроде бы намекает на редкость, но, как это часто бывает, действительность сложнее. Начнём с того, что в группе редкоземельных металлов целых семнадцать элементов, и они не могут встречаться в природе одинаково редко. Важно также понимать, что редкость — понятие относительное, всё зависит от того, с чем мы сравниваем.

Для масштаба: железо составляет около 5% земной коры — это очень много. Медь — всего 0,007%. Тем не менее, медь мы постоянно видим вокруг себя. А теперь внимание: всех редкоземельных металлов в земной коре в среднем около 1%, то есть формально их даже больше, чем меди.

Однако здесь есть несколько важных нюансов. Во-первых, речь идёт о семнадцати элементах, а не об одном. Если неодим, лантан или иттрий по распространённости недалеко ушли от меди, то, скажем, лютеций встречается уже гораздо реже. Во-вторых, и это главная загвоздка: редкоземельные металлы встречаются в очень малых концентрациях. Их нельзя просто выкопать, расплавить и получить слиток.

Чтобы добыть хотя бы небольшое количество редкоземельных элементов, приходится перерабатывать огромные объёмы породы, а затем ещё долго выделять нужный металл из сложных химических соединений. Всё это долго, дорого и не очень экологично.

По данным на 2024–2025 год, ежегодно в мире добывается около 330–350 тысяч тонн редкоземельных металлов. Для сравнения: меди добывается от 20 до 30 миллионов тонн. Разница очевидна.

Таким образом, несмотря на название, редкоземельные металлы не всегда редкие по количеству в земной коре. Они редки в доступности и удобстве добычи. Разумеется, часть из них действительно уникальна. Лютеций, например, встречается не сильно чаще серебра, а прометий и вовсе радиоактивен и почти не встречается в природе.

История использования редкоземельных элементов

Редкоземельные металлы очень трудно добывать, обрабатывать и выделять, поэтому неудивительно, что это очень молодая отрасль. Первые эксперименты и чистые образцы относятся к концу XVIII века. В XIX веке тема развивалась постепенно, но по-настоящему серьёзная история редкоземельных элементов начинается уже в XX веке.

Как и многое в прошлом столетии, резкий толчок в этой области дала Вторая мировая война. Редкоземельные металлы начали активно использовать в сплавах, радарах и других военных технологиях. Неотъемлемой частью современной жизни редкоземельные металлы стали во второй половине прошлого века.

Ни одна из технологий, упомянутых в начале материала, не могла бы существовать без редкоземельных металлов. Иногда теоретически можно найти замену, но чаще всего с заметными потерями по характеристикам.

Один из самых показательных примеров — неодимовые магниты. Несмотря на название, это не чистый неодим, а сплав с железом и бором. Созданы они были лишь в 1983 году, но быстро стали стандартом. Эти крошечные, но мощные магниты теперь везде: в жёстких дисках, наушниках, игрушках, электродвигателях, электрических зубных щётках.

Редкоземельные металлы долго были удобным техническим решением, но чем больше от них зависели технологии, тем больше нарастала зависимость целых государств. Сегодня редкоземельные элементы — это уже не просто ресурс, а настоящий геополитический инструмент влияния.

Геополитика редкоземельных элементов

Говоря о редкоземельных металлах, невозможно не упомянуть политику. Сами по себе элементы, конечно, аполитичны, но вот где, в каких объёмах и под чьим контролем они находятся — вопрос уже сугубо политический.

Редкоземельные элементы распределены по планете крайне неравномерно. Когда речь идёт о залежах, важно понимать: говорится не о том, сколько элементов вообще в земной коре, а о том, сколько реально найдено, изучено и может добываться.

По состоянию на 2024–2025 год около 60–70% всей мировой добычи редкоземельных элементов приходится на Китай. США обеспечивают примерно 10%, Австралия и Мьянма — до 10,8% соответственно. У Нигерии и Таиланда по 2–3%, а ещё несколько стран, включая Россию, обеспечивают по 1% или даже меньше.

Интересный момент: по оценкам Геологической службы США, Россия занимает второе место в мире по подтверждённым запасам редкоземельных элементов, но реальная добыча остаётся на низком уровне.

Таким образом, фактически есть один игрок — Китай. Именно он контролирует большую часть мирового производства и переработки редкоземельных элементов и активно этим пользуется.

Например, в 2024–2025 годах в ответ на торговые санкции США Китай ограничил экспорт нескольких ключевых редкоземельных элементов, включая самарий, тербий, диспрозий и лютеций. Однако речь не только о текущих новостях. Главное — это сама структура рынка. Один производитель задаёт правила игры для всех, а значит, любые сбои в цепочке поставок могут обернуться глобальными последствиями.

Применение редкоземельных металлов

Про неодимовые магниты уже говорилось выше. Они встречаются буквально везде и делают устройства легче, мощнее и эффективнее. Чтобы понять масштаб: неодим одинаково важен и для крошечных наушников вроде AirPods, и для 150-метровых башен ветрогенераторов. Неодим также используется в лазерах.

Но в списке редкоземельных элементов ещё шестнадцать позиций. Вот краткий перечень их применения:

Лантан, церий, самарий и тербий используются в различных катализаторах, включая автомобильные.

Празеодим, тербий, тулий, иттрий, лютеций вместе с гадолинием и гольмием применяются в сверхпроводниках.

Та же группа элементов, но уже вместе с тербием, гольмием и эрбием, необходима для производства лазеров.

Многие из этих металлов обладают уникальными магнитными свойствами, а часть нужна при производстве аккумуляторов, дисплеев, различных детекторов, медицинских приборов, ламп и источников энергии.

Радиоактивный прометий используется в некоторых типах лазеров, в ядерной энергетике и при создании радиоизотопных источников энергии.

Уникальные свойства элементов

Большинство редкоземельных металлов обладают в первую очередь полезными магнитными свойствами, как неодим. Но это далеко не всё.

Европий умеет излучать свет при определённом воздействии — явление, известное как флуоресценция. Благодаря этому европий используется в производстве флуоресцентных покрытий для дисплеев.

Тербий имеет уникальные оптические свойства. Да, это металл, который пригодился благодаря оптическим свойствам, что на первый взгляд может показаться странным. Тербий умеет усиливать электромагнитные волны определённой длины, благодаря чему используется в лазерах. Также на основе этого металла производят оптические усилители для волоконно-оптических систем.

Тербием легируют стекло для получения определённых свойств. Такие стёкла имеют высокую прозрачность в определённых диапазонах длин волн, что делает их подходящими для использования в различных оптических устройствах, таких как телескопы и микроскопы.

Тербий и диспрозий способны сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах.

Церий умеет менять свои физико-химические свойства в зависимости от микроструктуры.

Тербий и гадолиний способны изменять свои цветовые излучающие свойства в зависимости от условий окружающей среды или характера воздействия, что позволяет использовать их в специальных индикаторах и датчиках.

Если обобщить, существует несколько ключевых направлений, где без редкоземельных элементов не обойтись: лазеры, магниты, сверхпроводники, катализаторы и аккумуляторы. Лазеры и сверхпроводники могут казаться далёкими от повседневной жизни, но без них не было бы, например, производства современных чипов. А магниты и батареи окружают нас буквально повсюду, а значит, и редкоземельные металлы тоже.

Можно ли заменить редкоземельные элементы

Первый ответ: нет. По крайней мере, если говорить о полноценной замене здесь и сейчас. В некоторых случаях альтернативы теоретически возможны, но они ведут к серьёзному ухудшению характеристик. Устройства становятся тяжелее, слабее и менее энергоэффективными, а в ряде технологий замены просто нет.

Однако исследования ведутся, так как все понимают, что зависимость от труднодобываемых ресурсов, которые в массе своей контролирует одна страна, — это не лучший сценарий. Учёные работают над заменителями неодима в магнитах, над лазерами без редкоземельных элементов, над новыми типами катализаторов и аккумуляторов.

Но на сегодняшний день почти все существующие альтернативы либо дороже, либо менее эффективны, либо сложнее в производстве. Судя по всему, в обозримом будущем редкоземельные металлы останутся критически важными.

Хватит ли запасов

По расчётам, существующих разведанных запасов в земной коре хватит примерно на 300 лет. Однако есть одна загвоздка: темпы добычи растут, а значит, реальный горизонт может оказаться вдвое, а то и втрое короче.

Существуют прогнозы, по которым запасов хватит всего на 100 лет — это уже проблемы недалёкого будущего, а возможно, и текущего столетия. Дефицит редкоземельных элементов — это не только экономическая угроза, но и риск замедления всего технологического прогресса.

Экологические последствия добычи

Любая добыча полезных ископаемых так или иначе влияет на окружающую среду, но в случае с редкоземельными элементами ситуация особенно острая. Глобально ущерб от добычи и переработки, конечно, меньше, чем, скажем, от нефти или угля, но только потому, что объёмы добычи этих традиционных ресурсов несоизмеримо выше.

А вот локально, конкретно в тех местах, где добываются редкоземельные металлы, ущерб природе весьма велик. Более того, экологические последствия могут быть катастрофическими.

Почему? Потому что сами по себе редкоземельные элементы в природе крайне рассеяны. Их не найдёшь в виде крупных руд или самородков. Они чаще всего содержатся в виде сложных соединений, из которых их нужно выделять агрессивной химией. Это означает кислоты, щёлочи, токсичные реагенты и огромное количество отходов.

Эти отходы крайне опасны. Они часто попадают в грунтовые воды, отравляют почву и подземные источники, а вместе с ними и всё живое рядом. Если рядом живут люди, у них резко возрастают риски хронических заболеваний, рака, нарушений дыхательной и иммунной систем.

Один из самых ярких примеров — китайский город Баотоу, мировой центр переработки редкоземельных металлов. Рядом с ним находится гигантское хвостохранилище — попросту токсическая свалка. Её площадь составляет около 11 квадратных километров. Чтобы обойти её по периметру, понадобится 2–3 часа. И это только одна такая свалка.

Проблемы с загрязнением окружающей среды характерны для многих видов полезных ископаемых. Но в случае с редкоземельными элементами интенсивность загрязнения на единицу добычи часто выше, а очистка сложнее и дороже.

Заключение

Редкоземельные металлы — это крайне важная часть современного мира. Да, большинство из них используется в отраслях, которых обычные люди никак не касаются. Однако достаточно буквально немного продлить виртуальную нить взаимосвязей, и окажется, что все мы уже давно невероятно зависим как минимум от части из этих семнадцати элементов.

Другие металлы из списка двигают фундаментальную науку, позволяют человечеству развиваться и двигаться в будущее. Редкоземельные элементы стали невидимым, но незаменимым фундаментом технологической цивилизации XXI века.