Vzácné kovy v každodenním životě: Běžné použití a proč na nich záleží

Vzácné kovy jsou tichými tahouny moderního každodenního života. Sedí uvnitř telefonu v ruce, elektromotoru v okénku auta, vrtáku v krabici s nářadím a implantátu na nemocničním oddělení, a přesto na většinu z nich není vůbec nikdy pohlíženo jako na kovy. Pochopení toho, které z těchto prvků jsou skutečně vzácné a kde se skutečně vyskytují, pomáhá inženýrům a kupujícím posuzovat rizika dodávek namísto toho, aby na ně reagovali.

Co dělá kov vzácným

Kov je obvykle nazýván vzácným, když je v přírodě vzácný, široce rozptýlený nebo obtížně extrahovatelný ze surového materiálu. Na rozptýlení záleží stejně jako na hojnosti. Zirkonium, vanad, lithium a berylium jsou v zemské kůře hojnější než olovo, zinek, rtuť nebo cín, přesto jsou klasifikovány jako vzácné, protože jen zřídka tvoří koncentrované, ekonomicky zpracovatelné rudy a často se získávají jako vedlejší-produkty jiné těžby. Jak se technologie těžby zlepšuje, praktická hranice mezi vzácnými a běžnými kovy se stále posouvá a několik prvků, které byly dříve považovány za kuriozity, se nyní vyrábí v průmyslovém měřítku.

Pět pracovních rodin vzácných kovů

Pro usnadnění jsou vzácné kovy seskupeny podle sdíleného fyzikálního a chemického chování, podle způsobu, jakým se vyskytují v surovinách, a podle postupů používaných k jejich získání. Obvyklých pět rodin je:

Vzácné lehké kovy, jako je lithium, rubidium, cesium a berylium, ceněné pro velmi nízkou hustotu.

Vzácné žáruvzdorné kovy, jako je titan, zirkonium, hafnium, vanad, niob, tantal, molybden, wolfram a rhenium, ceněné pro velmi vysoké body tání.

Vzácné rozptýlené kovy, jako je gallium, indium, germanium a thalium, které zřídka tvoří vlastní usazeniny a jsou získávány ze zbytků procesu.

Kovy vzácných zemin, včetně skandia, yttria, lanthanu, ceru, praseodymu, neodymu a promethia, jejichž chemickému složení dominuje velmi podobné iontové chování.

Se vzácnými radioaktivními kovy, jako je radium, aktinium, thorium a uran, se manipuluje pod vyhrazenou radiační kontrolou.

V metalurgii tyto rodiny dokážou těžkou práci, kterou běžná ocel nedokáže: vyrábějí speciální oceli, super{0}}tvrdé slitiny a žáruvzdorné- slitiny, zachycují kyslík a síru z tavenin, zušlechťují strukturu zrna a poskytují magnetické, optické a elektronické funkce, které žádný konvenční kov nemůže poskytnout.

Vzácné kovy v domácnosti a ve spotřební elektronice

Podívejte se dovnitř typické domácnosti a seznam vzácných kovů je překvapivě dlouhý. Lithium napájí dobíjecí baterie v telefonech, noteboocích, elektrickém nářadí a bezdrátových vysavačích. Tantal ve formě slinutého prášku je umístěn v malých pevných kondenzátorech, které se nacházejí téměř na každé desce plošných spojů. Gallium se objevuje ve světelných-diodách, ve vysokofrekvenčních čipech-a ve sloučeninách používaných pro rychlé nabíječky. Indium je nanášeno jako indium cín oxid, aby se vytvořila průhledná vodivá vrstva dotykových obrazovek a plochých displejů. Neodym a praseodym jsou součástí malých, ale silných permanentních magnetů, které pohánějí reproduktory, sluchátka, pevné disky, motory automatického ostření fotoaparátů a motory praček. Yttrium a cer slouží jako fosfor v lampách a displejích a oxid ceru zůstává jednou z nejúčinnějších sloučenin na leštění skla.

V kuchyni nebo dílně se stejný vzor opakuje. Wolfram vyrábí vlákna starších žárovek a, což je dnes mnohem užitečnější, karbid wolframu, který tvoří řezné hroty vrtáků, pilových listů a fréz. Molybden zlepšuje houževnatost a vysokoteplotní -pevnost nástrojových ocelí a objevuje se v tuhých mazivech pro extrémní-tlakové spoje. Vanad zpevňuje nástrojové oceli a vysoce{5}}pevnostní konstrukční slitiny. Titan, ačkoliv je technicky nejprve žáruvzdorný a konstrukční kov, se objevuje v obroučkách brýlí, pouzdrech na hodinky, kempinkovém nádobí a sportovním vybavení, protože je lehký, pevný a odolný proti korozi. Cerové-slitiny s pazourkem stále jiskří v-zapalovacích nástrojích a slitiny na bázi lanthanu{10}}se používají v elektrodách nikl-metal-hydridových baterií a při skladování vodíku.

Vzácné kovy v dopravě, energetice a lékařské péči

Elektrifikace přesunula vzácné kovy z laboratoře na silnice. Trakční motory a generátory větrných turbín používají neodymové -železo-bórové magnety, zatímco bateriové katody jsou závislé na lithiu spolu s niklem a kobaltem a bateriové anody mohou používat grafit s přísadami křemíku. Katalyzátory používají k ukládání a uvolňování kyslíku kovy ze skupiny-platiny s oxidem ceru. Lehké konstrukční díly stále častěji používají titanové slitiny, kde poměr pevnosti-k-hmotnosti rozhoduje o výkonu.

Lékařská technologie na nich závisí způsobem, který je těžké nahradit. Titan a jeho slitiny v komerčně čistých jakostech a v Ti-6Al-4V ELI tvoří základ kostních dlahy, šroubů, zubních implantátů a kloubních náhrad, protože odolávají napadení tělesnými tekutinami a integrují se s kostí. Keramika z oxidu zirkoničitého poskytuje otěrové povrchy některých kyčelních implantátů a malé množství slitiny zirkonia se používá pro opláštění souborů jaderného paliva, kde záleží na průhlednosti neutronů. Sloučeniny gadolinia slouží jako kontrastní látky při zobrazování magnetickou rezonancí a krystaly na bázi lutecia sedí v PET skenerech. Krystaly granátu yttria a hliníku jsou zdrojem zisku mnoha lékařských a průmyslových laserů.

Referenční tabulka každodenního použití vzácných kovů

Dodávka, náhrada a zodpovědné použití

Vzhledem k tomu, že se tolik vzácných kovů získává jako vedlejší{0}}produkty, je jejich zásobování vázáno na ekonomiku primárního kovu, který doprovázejí, a nedostatek jednoho prvku nelze vždy vyřešit jednoduše jeho těžbou. Tato realita vyvolává tři praktické odpovědi. Konstruktéři snižují množství potřebné na jednotku, jak se stalo u složení magnetů a kondenzátorů. Výrobci vyvíjejí náhražky, které akceptují mírně nižší výkon, jako jsou alternativní chemické složení s permanentními magnety a nižší -palladium ve slitinách odolných proti korozi-. Recyklátoři obnovují kovy, které se dobře koncentrují na konci--zařízení na konci životnosti, včetně kovů z baterií, karbidu wolframu a magnetů vzácných zemin.

Pro průmyslové nákupčí je lekce jasná. Zacházejte s obsahem vzácných kovů jako s rizikem dodávek, nejen s čárou na kusovníku. Zjistěte, které prvky jsou pro funkci kritické, předem identifikujte schválenou alternativní jakost, udržujte realistické tolerance specifikací, aby nedocházelo k plýtvání vzácným materiálem, a navrhněte jej pro rozebrání tak, aby bylo možné obnovit zařízení, když zařízení dosáhne konce své životnosti.

Často kladené otázky

Otázka: Jsou vzácné kovy skutečně vzácné v zemské kůře?
Ne vždy. Některé, včetně zirkonia, vanadu, lithia a berylia, jsou hojnější než olovo, zinek, rtuť nebo cín. Říká se jim vzácné, protože jsou rozptýlené a je obtížné je ekonomicky extrahovat, spíše než protože jejich celkové množství je malé.

Otázka: Jak jsou klasifikovány vzácné kovy?
Společná pracovní klasifikace odděluje vzácné lehké kovy, vzácné žáruvzdorné kovy, vzácné rozptýlené kovy, kovy vzácných zemin a vzácné radioaktivní kovy, seskupuje prvky, které mají společné fyzikální chování, výskyt v surovinách nebo těžební cesty.

Otázka: Které vzácné kovy obsahuje smartphone?
Typický telefon používá lithium v ​​baterii, tantal v pevných kondenzátorech, indium v ​​potahu dotykové obrazovky, gallium v ​​rádiových -frekvencích a součástech displeje, neodym v reproduktoru a vibrační magnety a malá množství fosforu vzácných zemin na displeji.

Otázka: Proč je titan seskupen se vzácnými kovy, když je široce používán?
Titan je klasifikován jako žáruvzdorný vzácný kov, protože jeho těžba je obtížná a energeticky náročná, i když jeho průmyslové využití enormně vzrostlo v leteckém, chemickém, lékařském a spotřebním zboží.

Otázka: Lze vzácné kovy nahradit nebo recyklovat?
Obě trasy jsou aktivní. Složení magnetů a kondenzátorů s nižším obsahem snižuje poptávku, alternativní chemie nahrazuje některé kritické prvky a recyklace obnovuje kovy baterií, nástroje z karbidu wolframu a magnety vzácných zemin tam, kde existují sběrné systémy.

Otázka: Co by měl kupující dělat s rizikem dodávek vzácných kovů?
Identifikujte, které prvky jsou funkčně kritické, kvalifikujte alternativní třídu dříve, než dojde k nedostatku, udržujte specifikace realistické, abyste se vyhnuli plýtvání, a vyberte návrhy, které umožňují separaci a obnovu součástí na konci životnosti.