Американские ученые сумели разделить двухкомпонентные смеси тяжелого и легкого редкоземельных металлов, приложив внешнее магнитное поле при кристаллизации органических комплексов ионов этих элементов. За счет разницы в парамагнетизме авторам исследования, опубликованного в журнале Angewandte Chemie International Edition, удалось почти полностью (99,7 процентов) разделить комплексы лантана и диспрозия.

Редкоземельные элементы (скандий, иттрий и лантаниды) нашли применение в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, оптоэлектронике, химической промышленности и в металлургии. В силу схожести электронной структуры, физико-химические свойства этих элементов идентичны настолько, что часть из них занимает одну ячейку таблицы Менделеева. Поэтому в природе редкоземельные металлы встречаются совместно, а их разделение представляет сложную задачу.

Для ее решения в промышленности часто используют метод экстракции, основанный на различиях в скоростях перехода ионов между несмешивающимися жидкостями из одной в другую. Отделяя ионы металлов таким методом приходится использовать большие количества реактивов и энергии, а также сбрасывать много отходов.

Роберт Хиггинс (Robert Higgins) с коллегами из университета Пенсильвании успешно разделили тяжелые (такие, как тербий и иттербий) и легкие редкоземельные металлы (лантан и неодим), используя их различие в магнитных свойствах. Авторы прикрепили к химическому стакану с раствором смеси комплексных соединений двух редкоземельных металлов магнит и охлаждали жидкость до −25 градусов Цельсия, чтобы комплекс кристаллизовался. Материалы обеих фаз затем анализировали методом оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.

Схематическое изображение разделения димерного и мономерного комплексов редкоземельных элементов / Robert F. Higgins et al. / Angewandte Chemie International Edition, 2019

При низких температурах димерные комплексы легких редкоземельных элементов оставались в растворе, в то время как мономерные комплексы тяжелых в этих условиях кристаллизовались. Кристаллы росли на той стороне стакана, к которой прикрепили магнит, а значит концентрация комплекса тяжелого элемента повысилась в этой области еще до начала кристаллизации.

Почти стопроцентного (99,7 процентов) разделения удалось достигнуть в эксперименте с диамагнитным лантаном и парамагнитным диспрозием. Это свидетельствует о том, что различия магнитных свойств также подходят для эффективного разделения редкоземельных элементов, как и различия в ионных радиусах или окислительно-восстановительных свойствах, но экологичнее и дешевле.

По словам авторов, новый подход можно внедрять в уже разработанные методики разделения. Более того, использованный неодимовый магнит дешевый и долговечный, что необходимо для работы на производстве.