化学

「希土類元素(レアアース)」を化学好き主婦がわかりやすく解説!

よぉ、桜木建二だ。希土類元素(レアアース)という言葉を、ニュースなどで見聞きしたことはないだろうか?スマートフォン、パソコン、スピーカー、ハイブリッド自動車などの製造に欠かせない材料であり、現代の我々の生活を様々な用途で支えている元素だ。

希土類のうち多くは、内部構造が奇妙なために独特な性質を生み出している。薬学部出身の主婦ライターarpeggioと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

西岡壱誠

ライター/西岡壱誠

高校2年生でようやく理系の勉強に着手して以来、特に化学の面白さの虜になり、薬学部へ。最近は学術業務を続ける傍ら、自分の子どもやその友達と、身近なものを使った実験を楽しんでいる。

#1 希土類元素(レアアース)とは?

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1794 年フィンランドの学者ガドリンにより、スウェーデンのイッテルビー地方で鉱物の中からイットリア(Y2O3)が発見されたのが希土類元素の歴史の始まりです。彼により「まれにしか存在しない」との意味で Rare Earth と命名されたと言われています。

1-1. 希土類元素は 17 種類

1-1. 希土類元素は 17 種類

image by Study-Z編集部

希土類(きどるい)元素は、17 種の金属元素の総称です。具体的には、周期表の 左から 3 列目にあたる「3 族」のスカンジウム(Sc、原子番号 21)およびイットリウム(Y、原子番号 39)に、原子番号 57 番のランタン(La)から 71 番のルテチウム(Lu)までの 15 種の元素(ランタノイド)を加えた計 17 元素を指します。

このうち 61 番のプロメチウムは天然ではほとんど存在しません。

ランタノイドのランタン(La)からガドリニウム(Gd、原子番号 64)までを、スカンジウム(Sc)と合わせて「軽希土類」類(Light rare
earth elements、セリウム族)、テルビウム(Tb、原子番号 65)からルテチウム(Lu)までを、イットリウム(Y)と合わせて「重希土類」(Heavy rare earth elements、イットリウム族)と呼びます。

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現在では、実際に必ずしも「まれ」な元素ばかりではないと判明している。

例えば上述のイットリウム(Y)やネオジウム(Nd)の地球上の存在量はコバルト(Co)や鉛(Pb)より多く、セリウム(Ce)はスズ(Sn)よりも多いそうだ。

資源的には必ずしも希少ではないが、希土類鉱物を含む鉱石は特定の地域に偏在していて産生国が偏っていること、化学的に極めて活性で、金属に製錬・生成するために多くのエネルギーを消費することなどから、安定供給の確保が政策的に重要なレアメタルに分類されている。

1-2. 中国の産生量が多い理由

「レアアース」関連の話題というと、中国が全体産生量のうち 8 割以上のトップシェアであること、各国の新たな希土類鉱床の探査や開発、資源ナショナリズムによる価格の高騰…など、ニュースで報道された内容が思い浮かびます。

輸出規制や政策についてはさておき、なぜ中国でこれほどまで多く産生されているのでしょうか?

まず、軽希土類を含む鉱物は地球上に広く分布し、資源的には比較的豊富です。しかし軽希土類を含む鉱石には、ウランやトリウムなど、希土類元素とイオン半径が近い放射性元素が含まれることが多く、軽希土類元素の生産には放射性元素の処理の問題が付いて回るという難点があります。

一方、軽希土類に比べて資源的に希少な重希土類が主に生産されているのは、特定の気候条件や地質条件に恵まれたイオン吸着型鉱床と呼ばれる優良な風化鉱床です。高温多湿によって花崗岩などが徐々に風化する際に、風雨で放射性元素が洗い流され、重希土類のみが粘土層に吸着されて地表に残った鉱床で、放射性元素を含まず、酸による溶出によって容易に希土類元素を抽出できるという利点があります。

優良な鉱床であるイオン吸着型鉱床が中国南部に局在するという圧倒的に恵まれた地理的条件に加えて、放射性物質の処理等に関する環境基準が諸外国と異なること、労働力が確保できることなども、中国が希土類元素の生産大国となっている背景のようです。

1-3. 希土類元素の特徴

希土類 17 元素は原子の外側の電子配置が似ているため、化学的な性質が非常によく似ているのが特徴です。

希土類元素の特徴について説明する前に、まず遷移元素について復習しましょう。

元素を原子番号の順に並べ、番号が順に増えるとき、電子の数も増えていきます。電子が入る「電子殻」は複数の層に分かれており、各層にそれぞれ決まった数の「席」があり、ふつう原子核に近い内側の電子殻から順番に収まっていくのが一般的です。しかし、内部の電子殻にまだ「空席」があるのに、先に外側の電子殻に電子が入ってしまう元素のグループがあります。

周期表の中央部分(3~11 族)に位置する「遷移元素」がこれに該当し、互いに原子番号が違い、電子の数も違うのに、最外殻の電子が 1~2 個であるためお互いの化学的性質が類似しているのです。鉄や銅などが該当するのでしたね。

さて、ランタノイドは、1 つ内側どころか、その更に内側の電子殻、つまり最も外側から数えて 3 つ目の電子殻に電子が入っていく元素です。

それぞれのランタノイドは、内部の電子数は違いますが、最外殻にある電子数は同じであり、イオンになったとき最外殻にある電子の数も同じ(+3 価のイオンになる)であることから、希土類元素も遷移元素同様、化学的な性質がお互いに類似している元素のグループであると言えます。

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西岡壱誠