Caratteristiche e impieghi

Chimicamente le terre rare sono un gruppo di diciassette elementi, costituito da scandio, ittrio e dalla serie dei lantanidi [1], quindici metalli appartenenti al terzo gruppo e al sesto periodo della tavola periodica, con numero atomico compreso tra 57 e 71, vale a dire: lantanio (La), cerio (Ce), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), promethio (Pm), samario (Sm), europio (Eu), gadolinio (Gd), terbio (Tb), disprosio (Dy), olmio (Ho), erbio (Er), tulio (Tm), itterbio (Yb) e lutezio (Lu). Questi presentano tutti lo stesso numero di elettroni di valenza, in quanto, al crescere del numero atomico, gli elettroni vanno a riempire progressivamente non il livello più esterno, bensì il sottolivello 4 f; di conseguenza, sono caratterizzati da proprietà chimiche pressoché identiche, il che rende molto complesso separare gli uni dagli altri. Allo stato elementare sono metalli teneri di colore grigio lucente, che conducono molto bene la corrente elettrica e reagiscono energicamente con l’acqua e l’ossigeno atmosferico; hanno, nei principali composti, numero di ossidazione +3 e presentano in molti casi paramagnetismo (Sienko – Plane, 1968), perl’elevata probabilità che i 7 orbitali del livello 4f contengano elettroni spaiati. Hanno, inoltre, notevoli proprietà di fotoluminescenza. Le terre rare non hanno minerali propri che le contengano in concentrazione più o meno significativa, ma sono diffuse in natura in un centinaio di minerali, sotto forma di ossidi, carbonati, silicati, fosfati, associate ad altri elementi. quali calcio, berillio, ferro, alluminio ecc. La loro fonte più ricca è la monazite (un fosfato complesso), tuttavia sono presenti in quantità sufficiente per l’estrazione anche in altri minerali, quali la bastnaesite (un fluorocarbonato), la xenotina e, seppure in misura minore, nell’apatite e nell’uraninite. L’estrazione avviene con procedimenti diversi a seconda del tipo di minerale: ad esempio, se si parte dalla monazite, si può ricorrere alla flottazione, mentre nel caso della bastnaesite, ricca di carbonati, si fa ricorso generalmente al trattamento con acido cloridrico a caldo, che trasforma i carbonati in cloruri solubili, separando poi le terre rare dagli altri componenti solubilizzati mediante precipitazione sotto forma di idrati; questi vengono successivamente calcinati, dando luogo così ai relativi ossidi (più precisamente, si ottengono miscele dei diversi ossidi, che possono essere frazionate con vari sistemi, per isolare i singoli componenti [02]).

Le terre raresono fondamentali nella realizzazione di innumerevoli prodotti ad alta tecnologia, in cui sono presenti quasi sempre sotto forma di ossidi o di leghe con altri metalli: computer, iPhone, iPad, laser, sensori, sistemi di navigazione, superconduttori, marmitte catalitiche, batterie per auto elettriche, motori per veicoli ibridi, magneti permanenti, generatori per turbine eoliche, impianti fotovoltaici, lampade fluorescenti costituiscono solo alcuni dei settori di impiego, per non parlare di applicazioni strategiche in campo militare, quali motori aerei avanzati, missili intelligenti eradar sofisticati (al punto che, si sostiene, una loro penuria metterebbe in crisi le stesse Forze Armate). In particolare, negli hard disk, negli impianti eolici e nei motori ibridi sono ampiamente utilizzate leghe neodimio – ferro – boro e samario- cobalto; nei fosfori degli schermi a cristalli liquidi si ritrovano europio, lutezio e ittrio;nelle lampade fluorescenti, ittrio, lantanio, cerio, europio, gadolinio e terbio. Un discorso a parte può farsi per l’erbio: questo elemento, infatti, emette radiazioni alla lunghezza d’onda di 1530 nm, corrispondente al minimo assorbimento delle fibre ottiche in silice, per cui appare particolarmente adatto ad amplificare mediante laser i segnali luminosi delle reti in fibra ottica.