العناصر النادرة وأسرار الارض الكامنة   

                                   دكتور / حسن بخيت

رئيس رابطة المساحة الجيولوجية المصرية

المستشار الفنى لهيئة الثروة المعدنية المصرية

[email protected]

 بعض العناصر النادرة التى لا تكاد ان ترى بالعين المجردة لكى تحميهاقد يستطيع المرء التغلب على أسد مفترس بالهروب منه او اصطياده او قتله بوسيلة من الوسائل ، ولكن قد يعجز الإنسان على مقاومة فيروس من الفيروسات التى لاتراها عينه او ميكروب لا تمسكه يداه .. هذا فى عالم الكائنات ، وبالمثل فى عالم الجماد قد تحتاج الصواريخ العابرة للقارات الى مساعدة من التدمير أثناء انطلاقها الى أجواز الفضاء ، فى حين يعجز الحديد والفولاذ على تحقيق ذلك  الهدف.

ولعلنا نتذكر أن أول جهاز كمبيوتر كان حجمه حجم غرفة  ويزن 27 طن ، وتم نقله بسيارات وتحميله بأوناش . والان ربما تستطيع ان تحصل على أضعاف أضعاف  أمكانيات  هذا الحهاز الاولى من خلال جهاز محمول ربما بحجم  أصغر من كف اليد الواحدة ، ولكننا  لا تملك الا أن تقف أجلالا وأحترام لصاحب الفكرة التى أطلقت العنان للاخريين لكى يطورورها وما كانوا يستطيعون لولا  مكامن المعادن التى خلقها الله واودعها الجبال التى ارساها ، ومازالت  هناك جعبة من الاسرار التى تبوح  عن نفسها كلما أجتهد الانسان منقبا وباحثا عنها فى دروب الصحراء الواسعة.

 لذا كانت مهنة الجيولوجى من المهن السامية ، ولا أكون مبالغا أن قلت أنها أرقى المهن على الاطلاق ، لا تعصبا ولكن أحقاقا لحق واجب ، فالجيولوجى الواعى المدرب الصابر على المشقة  يستطيع بفضل الله أن يكتشف معدنا  له من الصفات الفيزيقية والكميائية ما تؤهله أن يوفر للطبيب الجراح الوسائل التى تساعده على أجراء عمليات جراحية تخفف الالام الملايين من البشر ، وكذلك توفر لعلماء الفضاء الامكانيات من صواريخ ومكوكات فضاء  ذات السبائك الفلزية فائقة الجودة ما تساعده على أكتشاف الكون من حولنا ، وما أكتشاف المياه على كوكب المريخ  حديثا منا ببعيد ، وهكذا نجد أن كل أدوات التقدم من حولنا مصدرها تلك الصحراء المترامية الاطراف وتلك الجبال الشامخات والتى جعلها المولى عز وجل أكنانا لتلك المعادن وغيرها ، وهنا يحدونى أية من أيات القرأن العظيم التى أقف أمامها خاشعا متفكرا فى معانيها الكبيرة التى تلخص لنا   سر بقاء  هذه الحياه  بهذه الوتيرة وبهذا المعين الذى لا ينضب من الخيرات التى تحفظ للانسان بقاءو وتقدمه   بلا حد ولا عد .....فى قوله .... ،،.الذى خلق فسوى والذى قدر فهدى ،،.......الذى خلق المعادن وسوها وأودع فيها خصائصها الكميائية والفيزيقية ، وقدر لها أن تكتشف فى الوقت التى تحتاجها البشرية فقد كان هناك عصرا للحجر ثم عصرا للبرونز ثم عصرا للحديد ثم عصرا للفحم ثم عصرا للبترول ثم عصرا للذرة وها نحن فى عصر العناصر النادرة التى أطلقت العنان لثورة الانترنت والاتصالات والمحمول وغيرها من وسائل الاتصالات الحديثة .

اكتشاف الكـــــون

من هنا كانت أهمية إلقاء الضوء على العوالم النادرة ، التي تلعب هذا الدور الهام فى حياتنا من اجل حسن ترويضها نحو الاستفادة القصوى منها لصالح الإنسان والمجتمع.

أن الطفرة العلمية التي نراها من حولنا  وانعكاساتها على التقنية العالية والتكنولوجيا الفائقة ، وما صاحب ذلك من اختراعات ساعدت على اكتشاف الكون وتذليل مقدراته من اجل رفاهية البشرية .وماكان لهذا الامر أن يتم لولا مكنون الأرض ، وخاصة  جبالها من المعادن التى تتحول  الى سبائك ، ومن ثم  تصنيع معظم الأدوات  والأجهزة  والمعدات  من حولنا  من سيارات ومركبات وطائرات وسفن صواريخ   واجهزة كمبيوتر  و وسائل أتصالات مختلفة ، وتتفاوت الأهمية لهذه المعادن حسب  الاستخدام  وفرة المعادن  فهناك المعادن النفيسة مثل الذهب  والبلاتين  والفضة ، ومعادن عادية مثل الحديد والنحاس والرصاص والزنك والقصدير.

وعلى الطرف الثانى هناك صنف من المعادن التي تسمى معادن أستراتيجية وهى المعادن التى تدخل فى الصناعات المتقدمة ذات التكنولوجيا  العالية والتى تحتاج الى مواصفات خاصة من سبائك معينة .

 ماهى العناصر النادرة

أطلق اصطلاح العناصر النادرة  على بعض العناصر التى تم اكتشافها بسبب تواجدها بندرة فى الطبيعة وصعوبة فصلها بالمقارنة بالعناصر الاخرى ، والتى ظلت فترة طويلة بلا أستخدام ، ولم يبدا استغلالها صناعيا الا فى أواخر القرن  العشرين ، وتتكون من مايزيد عن 30 عنصرا  ويمكن تقسيم هذه العناصر على حسب الصفات الطبيعية لكل منها الى  عدة مجموعات :-

1-العناصر القلوية النادرة مثل : الللثيوم والرابيديوم والسيزيوم.

2-العناصر الخفيفة مثل : البريلويوم.

3-العناصر ذات نقطة الانصهار العالية مثل  التنتالم والنوبيوم والزريكونيوم والهافنيوم .

4-العناصر الارضية النادرة  .

5-العناصر المصاحبة لبعض  الخامات الكبريتتية مثل الجرمونيوم والكادمويوم التلوريوم .

 وعليه  لابد من التفرقة بين مصطلح العناصر النادرة ( Rare Elements ( RE)) وبين العناصر الارضية النادرة (  (REE ) Rare Earth Elements  ) فالعناصر الارضية النادرة مجموعة ضمن محموعات أخرى تحت مظلة ما يعرف بالعناصر النادرة وليس المصطلحان شىء واحد .

البيئات الجيولوجية الحاوية للعناصر النادرة

من خلال مراجعة أهم البيئات الجيولوجية ، والتى يمكن أن تكون هدفا لعمليات التنقيب عن هذه العناصر الهامة ، يمكننا حصر أهم هذه البيئات فى الوحدات الاتية :-

صخور الجرانيت القلوى  -صخور البيجماتيت    -صخور الالباتيت  - صخور النفالين سيانيت -

عروق الفلوريت  -صخور الفوسفات  ---المياه الجوفية المالحة- المياه الجوية المصاحبة للبترول والغاز

مياه الينابيع الحارة   -الرواسب الشاطئية( الرمال السوداء) .

الاستخدامات الصناعية للعناصر ألا رضيه النادرة :+

     تتغيرخواص الــ17 عنصر الارضيه النادره إذا دخلت فى تشكيل سبائك , او مركبات , بعض خلطات لتجعلها مناسبه للعديد من الاستخدامات الصناعيه , ويتحصل على ثلثى الاكاسيد الارضيه النادره المستخدمه فى  الصناعه من معدن bastnaesite, ويتحصل على الثلث المتبقى من معدن monazite .

كانت الولايات المتحدة الامريكية من أكبر منتجى العناصر الارضية النادرة , ولكنها أغلقت مناجمها لدوعى بيئية , وأصبحت الصين الان تسيطر على 97% لهذه العناصر , حيث تمتلك العمالة الرخيصة , ولديها قيودا أقل بالنسبة للبيئة , وتعتبر عمليات استخراج وأستخلاص هذه العناصر من العمليات الصعبة , وينتج عنها سموم ومواد مشعة. ومن أهم أستخدمات هذه العناصر :-

1 - عامل مساعد catalysts   لمعالجه البترول الخام .

 2 - cerium oxide يستخدم ماده للتنعيم polishing agent للزجاج , العدسات (للميكروسكوبات , الكاميرات , النظارات,  ) المرايات , شاشات التليفزيون, وغيرها .

 3 - صناعه الزجاج

الزجاج ما هو الا نتاج رمال بيضاء من الصحراء عالية النقاء وبلعب الزجاج دورا هاما فى حياتنا كمكمل لاثاث المنزل والسيارات والكريستال وغيرها من الاستخدامات الكثيرة ولكن هناك انواع اخرى من الزجاج ذو استخدامات من نوع خاص عالية الجودة وذو مواصفات قياسية  تدخل فى صناعات تكنولوجية متقدمة مثل الميكرسكوبات والكاميرات واجهزة الرؤية وهذا النوع يدخل فى تركيبه بعض العناصر النادرة مثل الزجاج المحتوى على lanthanum oxide يكون له معامل إنكسار عالى جدا وتشتيت منخفض , ويستخدم هذا الزجاج فى العدسات المعقدة, ويضاف اكاسيد الارضيات النادره الى الزجاج المصهور لإنتاج زجاج خاص, حيث يضاف neodymium لمعادله الميل إلى الاصفرار الناتج عن شوائب الحديد .

4- صناعة السبائك عالية الجودة

محركات نفائة وصواريخ عابرة للقارات ومكوكان فضاء وسيارات فائقة السرعة وأجهزة موبيل وأجهزة ملاحة وسفن وغواصات وطائرات وأجهزة اتصالات وغيرها من دلائل التقدم التكنولوجي التى نراها حولنا ليل نهار ما كانت لها ان تخرج الى النور لولا معادن الصحراء ونخص بالذكر العناصر النادرة لما لها من مكانة لعمل السبائك المعدنية التى تدخل فى كل هذه الصناعات فالمعدن الشائعة كالحديد والنحاس والرصاص قد تتعرض للتآكل او البرى او الصدأ او عدم تحمل درجات الحرارة العالية ولكن بإضافة نسبة من هذه العناصر النادرة تعطى هذه المعادن متانة وقوة وقدرة على مقاومة كل عوامل التآكل والأكسدة كما تساعد على تنقية هذه المعادن من الشوائب الغير مرغوب فيها مما يضمن للمعدة عمر افتراضي عالى وتحقيق الهدف المرجو منها .

فعنصر التنتالم  Ta من العناصر النادرة التى تدخل فى صناعة  السبائك التى تدخل فى هياكل الصواريخ العابرة للقارات   ومكوكات الفضاء وذلك لتمتعه بصفة طبيعية هامة وهى ارتفاع درجة انصهاره التى تصل الى ما يزيد على 4000 درجة مئوية مما يساعد هذه الهياكل  تحملها الحرارة الناتجة عن سرعة الانطلاق الرهيبة .

 5-  التليفزيون الملون

عنما بدأ الإرسال التليفزيوني ظهرت الصورة ابيض واسود ثم مرت سنين الى ان بدأ إنتاج التليفزيون الملون والفضل يرجع الى العناصر النادرة حيث تدخل العناصر الارضيه النادرة النقيه جدا فى صناعه التليفزيون حيث وجد انه إذا اضيفت كميه صغيره منEuropium oxide ( Eu2 O3 ) الى yttrium oxide ( Y2 O3)  ينتج لون احمر فوسفورقانى . وفى السابق كان يستخدم  zinc   cadmium sulfide    لإنتاج اللون الأحمر الفوسفور إلا انه لم يكن مناسبا نظرا لان مجال توهجه كان عريضا جدا , وقد صحح Y2 O3 – Eu2 O3هذا العيب ويعطى صوره اكثر وضوح وتستخدم اكاسيد لعناصر ارضيه نادره اخرى , وتظهر على شاشات التليفزيون الملونه الوان احمر , اخضر , ازرق فوسفور .

 6-إنارة الملاعب

كلنا نشاهد مباريات كرة القدم ليلا وكأننا فى وضح النهار ويرجع ذلك الى  أستخدم العناصر الارضيه النادره الفوسفوريه فى كشافات أقواس الزئبق التى تستخدم فى إنارة الملاعب والشوارع بدلا من الناره بأقواس الزئبق الغير صحيه للنظر .

7- فى صناعة السينما

تستخدم كميات من خليط rare – earth fluorides  فى عمل أعمده الكربون التى تستخدم كأقواس فى بعض أبحاث الضوء وفى الإضاءة  التى   تستخدم فى صناعه السينما .

 8- فى صناعة الاتصالات

 yttrium- iron garnet وهو سيليكات ذات درجه انصهار عالية ,يصنع فى إشكال خاصة ليستخدم كمصفاة للموجات الدقيقة micro wave filters فى صناعه الاتصالات وله أيضا استخدامات كثيرة فى الاليكترونيات وكأحجار كريمه ولهذا الجارنت معامل انكسار عالى وصلابة تقارب الماس, ويقطع كالماس المقلد .

9- تستخدم العناصر الارضيه النادرة فى صناعه المغنطيسات القوية والمستديمة المغنطهstrong permanent magnets  باستخدام سبائك مثل cobalt - samarium تنتج مغنطيسات تفوق اغلب الأنواع الأخرى .

 10استخدام حديث هو barium phosphate – europium phosphor  فى الحصول على أفلام تستخدم مع أشعه أكس للحصول على صور فى نصف فتره التعرض لأشعه أكس .

11-فى المفاعلات النووية

 حيث ان  europium, gadolinium, dysprsium  لهم القدره  الفائقة لالتقاط وحبس النيوترونات الحرارية فإنها تستخدم كقضبان تحكم لتنظيم عمليات المفاعلات النووية او لإيقافها إذا ما كانت ستخرج عن التحكم , وتستخدم فى تنظيم عمل المفاعلات بانتظام ثابت, ويستخدم yttrium dihydride كوسيط فى المفاعلات النوويه لتبطئه النيترونات , تستخدم عناصر أرضيه نادرة معينه كدرع حماية نظرا لكبر قطاعها النووي . ويستخدم فلز scandium كمصفاة للنيترونات حيث يسمح بمرور النيترونات التي لها طاقه معينه ( 2كيلو إلكترون فولت )

12 تستخدم معقدات من ytterbium  او europium, praseodymium فى فصل المركبات العضوية التي لا يمكن فصلها إلافى وجود مغناطيس فيما يعرف  بMagnetic resonance .

أطلاله على العناصر القلوية النادرة ( الليثيوم)

  الليثيوم هو  فلزّ ذو لون أبيض فضّي، وهو ليّن وخفيف، حيث أنّه الفلزّ الأقلّ كثافة بين العناصر الكيميائيّة الصلبة وذلك في الظروف القياسيّة من الضغط ودرجة الحرارة   بالاضافة الى كبر سعته الحرارية وفدرته الكبيرة على التفاعل لتكوين سبائك و نتيجة النشاط الكيميائي الكبير لعنصر الليثيوم فهو لا يوجد في الطبيعة بصورته الحرّة، لذلك يحفظ عادةً ضمن وسط من زيت معدني.كغيره من الفلزّات القلويّة يتفاعل الليثيوم بعنف مع الماء.

لليثيوم العديد من التطبيقات التقنيّة المهمّة، أشهرها دخوله في صناعة بطاريات الليثيوم المختلفة التي تستعمل لمرة واحدة بالإضافة إلى بطارية ليثيوم-أيون القابلة للشحن.

تم أكتشافه عام 1817  وأستخلاصه من   معادن  الإسبودومين والليبيدوليت ، وهى المعادن المصاحبة  لصخور البجماتيت داخل الصخور الجرانتية .وفى عام  1821 تم الحصول على الليثيوم النقي بإجراء عملية تحليل كهربائي لأكسيد الليثيوم،

 يمكننا تقسيم المراحل التطبيقية لاستخدام الليثيوم الى ثلاث مراحل أساسية المرحلة الاولى ، أثناء الحرب العالمية الثانية ، فقد  كان  أوّل تطبيق لليثيوم كان أستخدامه في إنتاج  المسحوق الرغوى ، والذى كان يعرف باسم صابون الليثيوم الذي استخدم في تشحيم محرّكات الطائرات وتطبيقات مشابهة  أثناء الحرب  لتمتعه بنقطة انصهار عالية وانخفاض  درجة تأكله مقارنةً مع  مساحيق  الفلزّات القلويّة الأخرى .

المرحلة الثانية  أثناء الحرب الباردة،  ونتيجة سباق التسلح النووي أزداد الطلب عليه ، فقد أُستخدم  نظائر الليثيوم في إنتاج التريتيوم اللازم فى العمليات الحرارية النووية . أما المرحلة الثالثة  بدأت بعد ظهور أستخدام الليثيوم في صناعة البطاريّات، ازداد الطلب عليه مجدّداً، حيث كان هذا المجال هو المسيطر على السوق عام 2007 بالإضافة إلى ذلك، طُوّرت طرق لإنتاج الليثيوم ، وذلك بالاستخراج من المحاليل المركّزة للأملاح، وظهرت شركات جديدة لتلبّي هذا الطلب.

ألاحتياطيات والدول المنتجة

كانت الولايات المتحدة الأمريكية المنتج الأول لليثيوم بين أواخر الخمسينات حتّى منتصف الثمانينات من القرن العشرين. كان حوالي 75% من الإنتاج عبارة عن ليثيوم-6 على شكل هيدروكسيد الليثيوم، والذي كانت كمّيّته تقدّر بحوالي 42 ألف طن. استخدم الليثيوم فيما سبق لتخفيض درجة انصهار الزجاج ولتحسين سلوك الانصهار لأكسيد الألومنيوم  كان هذان التطبيقان هما المسيطران على سوق الليثيوم حتّى منتصف التسعينات. انخفضت أسعار الليثيوم بعد انخفاض الطلب عليه بعد توقّف سباق التسلح النووي، وقيام الدول المنتجة ببيع الكمّيّات المخزّنة للسوق بأسعار مخفّضة .

قدّر الاحتياطي العالمي من الليثيوم طبقا لتقرير هيئة المساحة الجيولوجية الامريكية عام 2014 بحوالي 13.5  مليون طن. تتوافر مناجم الليثيوم بكثرة في أمريكيا الجنوبيّة في كل من تشيلى والارجنتين والبرازيل وبوليفيا   ، كما تحتل أستراليا  مرتبة متقدمة فى الانتاج لعام  2014 ، وتتساوى تقريبا نع تشيلى بأنتاجية تقدر بحوالى 13 الف طن كل منهما ، ومعظم انتاج الليثيوم يتم أستخلاصه من البحيرات لملحيّة.

إنّ تشيلي تملك أكبر احتياطي من الليثيوم، والذي يقدّر بحوالي 7.5 مليون طن. تعدّ أستراليا والأرجنتين والصين من الدول التي تحوي كمّيّات وفيرة من هذا الفلزّ. كما تعد كندا وروسيا والولايات المتحدة الأمريكية من الدول الحاوية على كمّيّات من خامات الليثيوم و في عام 2010، جرت عمليّات كشف جيولوجيّة في بحيرات ملحيّة جافّة غربي أفغانستان .

أنتاج الليثيوم وأحتياطاته بالطن لعام 2014

الصخور الحاوية لليثيوم

على الرغم من أنّ الليثيوم واسع الانتشار على الأرض، إلّا أنّه لا يوجد بصورته الحرّة نتيجة نشاطه الكيميائي الكبير ، وعلى الرغم من وفرته النسبية، فإنّ الليثيوم غالباً ما يوجد بتراكيز ضئيلة، إن كان في المحاليل الملحية المركزة أو في معادنه، ممّا يصعّب من مهمة الحصول عليه. تقدّر نسبة الليثيوم في القشرة الأرضية بحوالي 20 إلى 70 جزء في المليون وزناً. وهو بذلك يوجد في القشرة الأرضية بنسية أقلّ من الزنك والنحاس والتنجستن، ولكن بنسبة أكبر من الكوبالت والقصدير والرصاص.

يدخل الليثيوم في تركيب الصخور الناريّة، ويكون أكثر تركيزاً في الجرانيت، بالإضافة إلى عروق وعدسات صخور البيجماتيت الجرانيتيّة، والتي توفّر كمّيّة معتبرة من المعادن الحاوية على الليثيو�