Le terre rare sono i 17 elementi della tavola periodica che corrispondono ai lantanidi a cui si aggiungono scandio, ittrio e lantanio che fanno parte del gruppo 3B.
Terre rare è il nome che deriva dai minerali estratti inizialmente in una cava in Svezia alla fine del Settecento, i cui ossidi erano appunto infrequenti. Ma si trovano associate ad altri elementi anche sotto forma di carbonati, silicati e fosfati. Le terre rare si classificano come terre rare leggere (abbreviato in LREE, Low Rare Earth Elements) delle quali fanno parte gli elementi dal lantanio al promezio, terre rare medie (MREE) che vanno dal samario all’olmio, e in terre rare pesanti (HREE) dall’erbio al lutezio.
A dispetto del loro nome, le terre rare sono ben diffuse nella crosta terrestre. Ad esempio, il cerio è abbondante quanto il rame e il tulio e il lutezio sono 200 volte più abbondanti dell’oro. Tuttavia, non esistono giacimenti di sole terre rare, ma di minerali che le contengono come ossidi.
La configurazione elettronica dei lantanidi prevede il riempimento totale o parziale degli orbitali 4f, tranne gli elementi appartenenti al gruppo 3B che riempiono gli orbitali d. Poiché gli orbitali f hanno uno scarso effetto sulle proprietà chimiche di un elemento, tutti i lantanidi mostrano fondamentalmente uguale comportamento e stesse caratteristiche. Per tutta la serie dei lantanidi lo stato di ossidazione caratteristico è i +3 con il quale danno luogo anche a soluzioni molto colorate.
I lantanidi non ricevono particolare attenzione nell’insegnamento della chimica fino a livello universitario, eppure le loro applicazioni sono ampie, complesse e diversificate.
Basti pensare che alcuni pezzi della maggior parte dei dispositivi elettronici che utilizziamo quotidianamente si basano proprio su elementi che appartengono alle terre rare. Ad esempio, i cellulari contengono piccolissime quantità di lantanio, neodimio, terbio, gadolino e altri elementi che hanno un ruolo fondamentale nella visualizzazione dei colori, nella riproduzione dei suoni o dei sistemi di vibrazione. Nonostante siano solo l’1% del peso, ben 16 terre rare su 17 sono utilizzate in un solo iPhone e sono fondamentali per il suo funzionamento. Grazie alle loro proprietà elettrochimiche, magnetiche e ottiche, le terre rare sono anche presenti e fondamentali negli hard disk dei computer, nei touchscreen, nelle fibre ottiche e nei laser, in molte apparecchiature mediche, nelle batterie per auto elettriche, nell’industria aerospaziale e militare.
Per capire la loro importanza nelle nostre vite, basti pensare che se si dovessero esaurire completamente si tornerebbe molto indietro negli standard di prestazioni dei dispositivi elettronici.
Oltre agli usi accennati, gli elementi europio e terbio vengono utilizzati nelle banconote per evitare che vengano contraffatte, le leghe di neodimio per realizzare i magneti permanenti delle cuffie e degli altoparlanti, composti del fosforo di europio, cesio, terbio e gadolinio negli schermi tv per la loro luminescenza, sempre sotto forma di composti sono i coloranti della vetro ceramica, infine le leghe di samario e cobalto compongono i magneti che si trovano nei pick-up delle chitarre elettriche.
A causa del rialzo improvviso dell’impiego delle terre rare nelle diverse applicazioni si sta verificando il loro progressivo esaurimento, come accade negli Stati Uniti dove si sono quasi completamente esaurite. A oggi la Cina è la principale fonte mondiale di questi elementi con il 55% della capacità mondiale di estrazione e l’85% della loro raffinazione, nonché il 37% delle riserve mondiali. Altre riserve, seppure percentualmente parecchio distanziate dalla Cina sono gli Stati Uniti (12,3%), il Myanmar (10,5%) e l’Australia (10%).
L’estrazione e la raffinazione delle terre rare presentano parecchie criticità ambientali. Infatti, i processi di separazione dei singoli elementi prevedono l’utilizzo di acido cloridrico e acido nitrico come solventi, processi che presentano un fortissimo impatto ambientale, con conseguente inquinamento dei suoli e delle falde acquifere. Naturalmente, rientrano nelle risorse non rinnovabili e, al momento, se ne riesce a riciclare a fatica soltanto l’1%.
Il controllo delle terre rare è fondamentale per il futuro delle economie green. Poiché l’Europa in questo settore dipende dalle grandi potenze Cina e Stati Uniti, che cercano di accaparrarsi i giacimenti che stanno diventando raggiungibili a causa del disgelo del permafrost, ha istituito l’Alleanza europea per le materie prime “per costruire la resilienza e l’autonomia strategica sulle terre rare”. Una manovra per intervenire sulla sostenibilità e sull’impatto sociale globale.
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