दुर्लभ-पृथ्वी तत्व आवर्त सारणी में धात्विक तत्वों का एक समूह है। जब रसायनज्ञ इस लेबल का उपयोग करते हैं तो वे आमतौर पर 17 तत्वों के समूह का उल्लेख करते हैं: 15 लैंथेनाइड्स लैंथेनम से ल्यूटेटियम, और स्कैंडियम और येट्रियम तक। अधिकांश कक्षा की आवर्त सारणी में, लैंथेनाइड्स को मुख्य आवर्त सारणी के नीचे एक अलग पंक्ति के रूप में दिखाया गया है। स्कैंडियम और यट्रियम मुख्य तालिका में, समूह 3 में, संक्रमण धातुओं के ऊपर और निकट स्थित हैं।
यहां तक कि जब वे पृथ्वी की पपड़ी में बहुत दुर्लभ नहीं होते हैं, तब भी वे कम सांद्रता में फैलते हैं और एक ही खनिज में एक-दूसरे के साथ मिश्रित होते हैं, इसलिए उन्हें अलग करना मुश्किल और महंगा होता है। हालाँकि, दुनिया भर के देश इन्हें हासिल करने में रुचि रखते हैं क्योंकि ये इनके लिए महत्वपूर्ण हैं उच्च प्रदर्शन मैग्नेटविशेष प्रकाश व्यवस्था और प्रकाशिकी, उत्प्रेरक, और अन्य घटक जो कई हरित प्रौद्योगिकियों और इलेक्ट्रॉनिक्स को रेखांकित करते हैं।
इतिहास और प्रौद्योगिकी
दुर्लभ-पृथ्वी तत्व स्कैंडियम, येट्रियम, लैंथेनम, सेरियम, प्रेजोडायमियम, नियोडिमियम, प्रोमेथियम, समैरियम, यूरोपियम, गैडोलीनियम, टेरबियम, डिस्प्रोसियम, होल्मियम, एर्बियम, थ्यूलियम, येटरबियम और ल्यूटेटियम हैं।
ऐतिहासिक कारणों से इन्हें ‘दुर्लभ पृथ्वी’ कहा जाता है। “पृथ्वी” ऑक्साइड पाउडर के लिए एक पुराना रसायन शास्त्र शब्द था और इनमें से कई तत्वों को पहले ऑक्साइड के रूप में पहचाना गया था, जिनसे उन्हें आसानी से अलग नहीं किया जा सकता था। ये तत्व प्रकृति में शुद्ध देशी धातुओं के रूप में भी बहुत कम पाए जाते हैं।
हालाँकि, लोग अक्सर ‘दुर्लभ-पृथ्वी’ शब्द का प्रयोग शिथिल रूप से करते हैं, जिससे भ्रम पैदा होता है। कुछ लोग ‘दुर्लभ-पृथ्वी’ का उपयोग केवल लैंथेनाइड्स के लिए करते हैं। कुछ अन्य दुर्लभ-पृथ्वी को लिथियम, कोबाल्ट, गैलियम और जर्मेनियम जैसे ‘रणनीतिक’ या ‘महत्वपूर्ण’ तत्वों के साथ जोड़ते हैं, भले ही ये दुर्लभ-पृथ्वी तत्व नहीं हैं।
तत्वों की आवर्त सारणी. | फोटो साभार: संदभ (CC BY-SA)
दुर्लभ-पृथ्वी तत्व अपने उपयोगी विद्युत, चुंबकीय और/या ऑप्टिकल व्यवहार के कारण कई समकालीन प्रौद्योगिकियों में दिखाई देते हैं। एक विशेष रूप से महत्वपूर्ण अनुप्रयोग स्थायी चुम्बक के रूप में है।
नियोडिमियम-आयरन-बोरॉन मैग्नेट, जो दुनिया का सबसे आम प्रकार का चुंबक है जिसमें दुर्लभ-पृथ्वी तत्व शामिल होता है, और जिसमें कभी-कभी प्रेसियोडिमियम और थोड़ी मात्रा में भारी दुर्लभ-पृथ्वी तत्व भी शामिल होते हैं, मोटर और जनरेटर में उपयोग किए जाते हैं, जिनमें कई इलेक्ट्रिक वाहन और पवन टरबाइन शामिल हैं।
फॉस्फोरस – पदार्थ जो विकिरणित होने पर प्रकाश उत्सर्जित करते हैं – इसमें यूरोपियम और टेरबियम भी शामिल होते हैं जबकि लेजर और ऑप्टिकल उपकरणों (फाइबर ऑप्टिक्स सहित) में डोपेंट नियोडिमियम और एर्बियम का उपयोग करते हैं। दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों का उपयोग उत्प्रेरक, कांच और चीनी मिट्टी की चीज़ें, पॉलिशिंग पाउडर और अन्य विशेष सामग्रियों में भी किया जाता है।
चुंबकीय रसायन शास्त्र
स्थायी चुम्बकों में, दुर्लभ-पृथ्वी परमाणुओं के 4f शेल में इलेक्ट्रॉन होते हैं जो अन्य इलेक्ट्रॉनों से भिन्न व्यवहार करते हैं। 4f इलेक्ट्रॉन अपेक्षाकृत अधिक स्थानीयकृत होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे नाभिक के करीब रहते हैं, जबकि अन्य इलेक्ट्रॉन तब ‘स्मियर आउट’ हो जाते हैं जब वे किसी ठोस में बंध का हिस्सा बन जाते हैं। परिणामस्वरूप 4f इलेक्ट्रॉन एक मजबूत चुंबकीय क्षण बनाए रखते हैं, यानी वे छोटे चुंबकों की तरह बहुत ईमानदारी से व्यवहार करते हैं। इस तरह के कई इलेक्ट्रॉनों वाला एक परमाणु भी चुंबक की तरह अधिक मजबूती से व्यवहार करता है।
प्रत्येक अच्छे स्थायी चुंबक में दो चीजों की आवश्यकता होती है: एक बड़ा चुंबकत्व, जिसका अर्थ है कि कई परमाणु चुंबकीय क्षण एक मजबूत समग्र क्षेत्र बनाने के लिए एक ही दिशा में पंक्तिबद्ध हो सकते हैं; और स्थिरता, जिसका अर्थ है कि एक बार जब चुंबकीय क्षण पंक्तिबद्ध हो जाते हैं, तो वे गर्मी, कंपन या यहां तक कि एक विरोधी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा आसानी से संरेखण से बाहर नहीं निकलते हैं।
दुर्लभ-पृथ्वी परमाणुओं में दोनों होते हैं। उनके 4f इलेक्ट्रॉन अपेक्षाकृत बड़े चुंबकीय क्षणों को ले जा सकते हैं, इसलिए वे मजबूत चुंबकत्व में योगदान कर सकते हैं। और क्योंकि ये इलेक्ट्रॉन स्थानीयकृत होते हैं और साथ ही क्रिस्टल की पसंदीदा दिशा के साथ निकटता से संरेखित होते हैं (मैग्नेटोक्रिस्टलाइन अनिसोट्रॉपी नामक एक संपत्ति के कारण) वे चुंबकत्व को ‘पिन’ कर सकते हैं। ऐसे चुम्बकों का उपयोग करने वाले मोटर और जनरेटर उच्च गति और उच्च तापमान पर भी कुशलता से काम करते हैं।
जापानी वैज्ञानिक मसातो सगावा, जिन्होंने नियोडिमियम-आयरन-बोरॉन चुंबक का आविष्कार किया था, दर्शाते हैं कि कैसे केवल 1 ग्राम चुंबक 1.9 किलोग्राम पानी धारण कर सकता है। | फोटो साभार: क्रिस्टीना.एच.चेन (CC BY-SA)
दुर्लभ तत्व भी अच्छे फॉस्फोर होते हैं क्योंकि वे तीखे, स्थिर रंग पैदा करते हैं। विचार यह है कि ऐसे फॉस्फोर को उस आवृत्ति पर ऊर्जा की आपूर्ति की जाए जो इसके 4f इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित करने की संभावना है। जब वे ऐसा करते हैं, तो इलेक्ट्रॉन उत्तेजित हो जाते हैं, फिर डी-एक्साइटेड हो जाते हैं, अतिरिक्त ऊर्जा को एक अलग (लेकिन निश्चित) आवृत्ति पर उत्सर्जित करते हैं। हम इस उत्सर्जन को प्रकाश के रूप में देखते हैं।
चूँकि 4f इलेक्ट्रॉन नाभिक के अपेक्षाकृत करीब बैठते हैं, वे बाहरी इलेक्ट्रॉनों द्वारा आसपास के ठोस पदार्थों से आंशिक रूप से परिरक्षित होते हैं। इसलिए 4f इलेक्ट्रॉनों का सटीक ऊर्जा स्तर उनके अंदर मौजूद क्रिस्टल से ज्यादा प्रभावित नहीं होता है। 4f इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्सर्जित प्रकाश भी रंगों का मिश्रण होने के बजाय दृश्यमान स्पेक्ट्रम के एक छोटे टुकड़े में केंद्रित होता है।
दुर्लभ-पृथ्वी बनाम तेल
दुर्लभ-पृथ्वी अयस्क भंडार जिनका खनन आर्थिक रूप से व्यवहार्य तरीके से किया जा सकता है, आमतौर पर समान रूप से फैले होने के बजाय चट्टान और मिट्टी के कुछ हिस्सों में पाए जाते हैं। कंपनियाँ उन खनिजों की तलाश शुरू करती हैं जिनमें दुर्लभ-पृथ्वी तत्व उच्च सांद्रता में होते हैं, जैसे बास्टनासाइट और मोनाजाइट, या कुछ मिट्टी के भंडार जिनमें दुर्लभ-पृथ्वी आयन मिट्टी के कणों की सतह पर शिथिल रूप से टिके होते हैं।
कई खदानें खुले गड्ढे वाली होती हैं क्योंकि ये खनिज आमतौर पर बड़ी मात्रा में चट्टानों के माध्यम से बिखरे होते हैं और अयस्क को खोदना, कुचलना और बड़ी मात्रा में ले जाना पड़ता है। यहीं पर दुर्लभ-पृथ्वी तत्व मूल्य श्रृंखलाओं की कुछ पर्यावरणीय जटिलताएँ पहली बार सामने आती हैं: कुछ खनिज थोरियम या यूरेनियम के साथ पाए जाते हैं, इसलिए अपशिष्ट चट्टान को सावधानी से संभालने की आवश्यकता होती है। प्रारंभिक सांद्रण उत्पन्न करने के लिए खानों को प्रचुर मात्रा में पानी और विशिष्ट रसायनों की भी आवश्यकता हो सकती है।
2006 में चीन के नी मंगोल स्वायत्त क्षेत्र में दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों के लिए बायन ओबो ओपन-पिट खदान की एक झूठी रंगीन उपग्रह छवि। | फोटो साभार: नासा
इसमें कहा गया है, जबकि दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों और कच्चे तेल दोनों को उपयोग से पहले निकाला और संसाधित किया जाना है, प्रसंस्करण चरण काफी अलग है – इतना कि दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों के लिए यह एक रणनीतिक तत्व के रूप में उभरा है।
एक रिफाइनरी कच्चे तेल को परिष्कृत करने के लिए भौतिक पृथक्करण और कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती है। आंशिक आसवन, मुख्य चरण, काम करता है क्योंकि हाइड्रोकार्बन के क्वथनांक फैले हुए होते हैं, इसलिए कच्चे तेल को गर्म करने और संघनित करने से इसके घटकों को औद्योगिक पैमाने पर कुशलतापूर्वक अलग किया जा सकता है।
दूसरी ओर, दुर्लभ-पृथ्वी उत्पादक ऐसे ठोस पदार्थों से शुरुआत करते हैं जिनमें एक साथ कई तत्व होते हैं, और अनुप्रयोगों के लिए उन्हें बहुत उच्च शुद्धता पर अलग किया जाना चाहिए। समस्या यह है कि पड़ोसी दुर्लभ-पृथ्वी आयन समाधान में समान व्यवहार करते हैं, इसलिए संबंधित पृथक्करण प्रक्रिया विशाल और ऊर्जा-गहन है।
दूसरा, एक चुंबक निर्माता किसी भी या सभी दुर्लभ-तत्वों को नहीं बल्कि न्यूनतम शुद्धता का एक विशिष्ट ऑक्साइड या धातु चाहता है। यदि एक विभाजक में एक तत्व की कमी है या आवश्यक शुद्धता प्रदान नहीं कर सकता है, तो फ़ैक्टरी एक तत्व को दूसरे के लिए स्विच नहीं कर सकती है। हालाँकि, तेल उद्योग में, रिफाइनरियाँ बड़े पैमाने पर फीडस्टॉक और व्यापार मध्यवर्ती की अदला-बदली कर सकती हैं।
मध्य धारा का ख़तरा
खनन के बाद, पहला लक्ष्य एक छोटा, समृद्ध उत्पाद बनाना है। यह लाभकारीकरण से शुरू होता है: कम मूल्यवान खनिज कणों से अधिक मूल्यवान खनिज अनाज को अलग करने के लिए अयस्क को भौतिक रूप से संसाधित करना। श्रमिक अनाज को मुक्त करने के लिए अयस्क को कुचलते और पीसते हैं, फिर अलग-अलग सांद्रणों को अलग-अलग इकट्ठा करने के लिए प्लवनशीलता, चुंबक या गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करते हैं। परिणामी सांद्रण में अभी भी कई दुर्लभ-पृथ्वी तत्व, साथ ही अन्य अवांछित तत्व शामिल होंगे।
अगला है रासायनिक क्रैकिंग, जहां निर्माता मजबूत एसिड या बेस या उच्च तापमान का उपयोग करके दुर्लभ-पृथ्वी खनिजों को तोड़ता है, उन्हें ऐसे रूप में परिवर्तित करता है जो अधिक आसानी से घुल जाता है।
तीसरा है लीचिंग. फटा हुआ पदार्थ एक तरल, अक्सर एक अम्लीय घोल के साथ मिलाया जाता है, इसलिए दुर्लभ-पृथ्वी परमाणु आयनों के रूप में तरल में चले जाते हैं। फिर निर्माता शेष ठोस पदार्थों से तरल को अलग करता है; इस तरल में एक साथ घुले सभी दुर्लभ-पृथ्वी आयनों और कुछ अशुद्धियों का मिश्रण होता है।
सबसे कठिन कदम इस मिश्रण को उच्च शुद्धता वाले अलग-अलग दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों में अलग करना है क्योंकि इन तत्वों में अक्सर समान चार्ज (आमतौर पर +3) होता है और उनके आयन आकार में समान होते हैं। फिर, एक साधारण रासायनिक प्रतिक्रिया में, आयन लगभग उसी तरह व्यवहार करते हैं।
इस प्रकार उद्योग इसके स्थान पर विलायक निष्कर्षण नामक तकनीक का उपयोग करता है। लीच समाधान को बार-बार एक कार्बनिक विलायक के संपर्क में लाया जाता है जो पानी के साथ मिश्रित नहीं होता है। विलायक में ऐसे अणु होते हैं जो दूसरों की तुलना में कुछ दुर्लभ-पृथ्वी आयनों से थोड़ा अधिक जुड़ना पसंद करते हैं। जब दो तरल पदार्थ स्पर्श करते हैं और अलग हो जाते हैं, तो एक दुर्लभ-पृथ्वी तत्व अपने पड़ोसियों की तुलना में थोड़ा अधिक विलायक में चला जाता है। अंतर छोटा है, इसलिए निर्माता तरल पदार्थों को एक पंक्ति में कई चरणों के माध्यम से चलाते हैं, जब तक कि प्रक्रिया तत्वों को एक-एक करके अलग नहीं कर देती है और प्रत्येक तत्व को उच्च शुद्धता पर एक अलग धारा में एकत्र नहीं किया जाता है।
निर्माता अंततः वर्षा द्वारा तरल से तत्वों को ठोस के रूप में पुनर्प्राप्त करते हैं: वे एक यौगिक जोड़ते हैं जो दुर्लभ-पृथ्वी आयनों के साथ बंध जाता है और अघुलनशील हो जाता है, और ठोस के रूप में घोल से बाहर गिर जाता है। ठोस पदार्थों को फ़िल्टर किया जाता है और धोया जाता है, फिर पानी और कुछ अन्य पदार्थों को निकालने के लिए गर्म किया जाता है, जिससे अंततः एक दुर्लभ-पृथ्वी ऑक्साइड प्राप्त होता है। तत्वों को आमतौर पर इन ऑक्साइड के रूप में संग्रहीत और परिवहन किया जाता है।
दुर्लभ-पृथ्वी ऑक्साइड पाउडर आमतौर पर भारी और किरकिरा होते हैं। शीर्ष-केंद्र से दक्षिणावर्त: प्रेज़ियोडिमियम, सेरियम, लैंथेनम, नियोडिमियम, समैरियम, और गैडोलीनियम। | फोटो साभार: सार्वजनिक डोमेन
यदि किसी निर्माता को धातु के रूप में किसी तत्व की आवश्यकता होती है, तो ऑक्साइड को कमी प्रतिक्रिया के अधीन किया जाता है जिसमें ऑक्सीजन परमाणु ऑक्साइड से दूर प्रतिक्रिया करते हैं।
कुछ दुर्लभ-पृथ्वी अयस्कों में थोरियम या यूरेनियम होता है, जो कुछ अपशिष्ट धाराओं को रेडियोधर्मी बना सकता है और सुरक्षित रूप से संग्रहीत करना कठिन हो सकता है। अम्ल और क्षार भी खतरनाक अपशिष्ट पैदा कर सकते हैं यदि उन्हें ठीक से नहीं पकड़ा गया, उपचारित नहीं किया गया और उनका पुनर्चक्रण नहीं किया गया।
चीन का प्रभुत्व
क्योंकि दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों का मध्यप्रवाह शोधन इतना कठिन है, किसी देश में जमीन में पर्याप्त मात्रा में भंडार हो सकता है अभी भी दूसरे देशों पर निर्भर रहना पड़ता है यदि उसके पास अयस्क को दुर्लभ-पृथ्वी ऑक्साइड में परिवर्तित करने का साधन नहीं है।
अमेरिकी भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण के खनिज कमोडिटी सारांश के अनुसार, दुनिया में 90 मिलियन टन से अधिक दुर्लभ-पृथ्वी-ऑक्साइड समकक्ष है। कुछ उल्लेखनीय राष्ट्रीय भंडारों में चीन (44 मिलियन टन, मीट्रिक टन), ब्राज़ील (21 मीट्रिक टन), भारत (6.9 मीट्रिक टन), ऑस्ट्रेलिया (5.7 मीट्रिक टन), रूस (3.8 मीट्रिक टन), वियतनाम (3.5 मीट्रिक टन), अमेरिका (1.9 मीट्रिक टन), और ग्रीनलैंड (1.5 मीट्रिक टन) शामिल हैं। ध्यान दें: इन अनुमानों में स्कैंडियम शामिल नहीं है।
23 दिसंबर, जापान की घोषणा की जनवरी और फरवरी 2026 में, यह मिनामिटोरी द्वीप से 6 किमी दूर पानी के नीचे से दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों से समृद्ध मिट्टी की खुदाई करेगा।
अंतरराष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी ने यह अनुमान लगाया है चीन की स्थिति विशेष रूप से मजबूत है पृथक्करण और शोधन में, वैश्विक उत्पादन का लगभग 91% और पापयुक्त दुर्लभ-पृथ्वी स्थायी चुम्बकों के उत्पादन का लगभग 94% हिस्सा है।
चूंकि कई तेजी से बढ़ती हरित प्रौद्योगिकियों के लिए मोटर, जनरेटर और अन्य हार्डवेयर की आवश्यकता होती है, जहां उच्च-प्रदर्शन वाले चुंबक महत्वपूर्ण हैं, इसलिए देश निर्माण पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं शोधन और चुंबक बनाने की क्षमतासिर्फ नई खदानों को मंजूरी देने के बजाय।