Sebagian besar dari kita menggunakan unsur tanah jarang setiap hari - tanpa menyadarinya. Elemen-elemen yang kurang dikenal dan menarik ini memungkinkan elektronik modern.
Segenggam europium. Gambar melalui Alchemist-hp.
Oleh Stanley Mertzman, Franklin & Marshall College
Kebanyakan orang Amerika menggunakan unsur-unsur tanah jarang setiap hari - tanpa menyadarinya, atau mengetahui apa pun tentang apa yang mereka lakukan. Itu bisa berubah, karena materi yang tidak biasa ini menjadi titik fokus dalam meningkatnya perang dagang antara AS dan China.
Stanley Mertzman, ahli geologi yang spesialisasinya adalah analisis sinar-X batuan dan mineral untuk menentukan komposisi kimianya, dan yang mengajar mineralogi di Franklin & Marshall College, menjawab empat pertanyaan tentang unsur-unsur yang kurang dikenal dan menarik ini - dan elektronik modern yang mereka buat mungkin.
1. Apa elemen tanah jarang?
Sebenarnya, mereka adalah unsur-unsur seperti orang lain di tabel periodik - seperti karbon, hidrogen dan oksigen - dengan nomor atom 57 hingga 71. Ada dua lainnya dengan sifat serupa yang kadang-kadang dikelompokkan bersama mereka, tetapi unsur-unsur tanah jarang utama adalah yang 15. Untuk membuat yang pertama, lantanum, mulailah dengan atom barium dan tambahkan satu proton dan satu elektron. Setiap elemen tanah jarang berturut-turut menambahkan satu proton dan satu elektron lagi.
Diagram elektron dari elemen barium, elemen terakhir sebelum elemen tanah jarang lantanida. Gambar melalui Greg Robson dan Pumbaa.
Diagram elektron dari atom lantanum, dengan satu lebih banyak elektron di orbital kelimanya daripada barium. Gambar melalui Greg Robson dan Pumbaa.
Cerium memiliki satu lebih banyak elektron di orbital kelima dan satu lagi di keempat daripada barium. Gambar melalui Greg Robson dan Pumbaa.
Sangat penting bahwa ada 15 unsur tanah jarang: siswa kimia dapat mengingat bahwa ketika elektron ditambahkan ke atom, mereka mengumpulkan dalam kelompok atau lapisan, yang disebut orbital, yang seperti lingkaran konsentris dari target di sekitar mata banteng nukleus.
Lingkaran target terdalam dari atom apa pun dapat mengandung dua elektron; menambahkan elektron ketiga berarti menambahkan satu di lingkaran target kedua. Di situlah tujuh elektron berikutnya juga pergi - setelah itu elektron harus pergi ke lingkaran target ketiga, yang bisa menampung 18. 18 elektron berikutnya masuk ke lingkaran target keempat.
Kemudian segalanya mulai menjadi sedikit aneh. Meskipun masih ada ruang untuk elektron di lingkaran target keempat, delapan elektron berikutnya masuk ke lingkaran target kelima. Dan meskipun ada lebih banyak ruang di kelima, dua elektron berikutnya setelah itu masuk ke dalam lingkaran target keenam.
Saat itulah atom menjadi barium, nomor atom 56, dan ruang kosong di lingkaran target sebelumnya mulai terisi. Menambahkan satu elektron lagi - untuk membuat lantanum, yang pertama dalam rangkaian unsur tanah jarang - menempatkan elektron itu di lingkaran kelima. Menambahkan yang lain, untuk membuat serium, nomor atom 58, menambahkan elektron ke lingkaran keempat. Membuat elemen berikutnya, praseodymium, sebenarnya memindahkan elektron terbaru di lingkaran kelima ke empat, dan menambahkan satu lagi. Dari sana, elektron tambahan mengisi lingkaran keempat.
Dalam semua elemen, elektron dalam lingkaran terluar sangat memengaruhi sifat kimia elemen tersebut. Karena rare earth memiliki konfigurasi elektron terluar yang identik, propertinya sangat mirip.
2. Apakah unsur tanah jarang benar-benar langka?
Tidak. Mereka jauh lebih berlimpah di kerak bumi daripada banyak elemen berharga lainnya. Bahkan bumi langka yang paling langka, thulium, dengan nomor atom 69, adalah 125 kali lebih umum daripada emas. Dan bumi langka yang paling jarang, cerium, dengan nomor atom 58, adalah 15.000 kali lebih banyak daripada emas.
Unsur tanah jarang yang paling langka, thulium. Gambar melalui Jurii.
Namun mereka jarang ditemukan - ahli mineral akan menyebutnya "tersebar," yang berarti mereka sebagian besar tersebar di planet ini dalam konsentrasi yang relatif rendah. Tanah jarang sering ditemukan di batuan beku langka yang disebut carbonatites - tidak ada yang biasa seperti basal dari Hawaii atau Islandia, atau andesit dari Gunung St. Helens atau Volcano Fuego di Guatemala.
Ada beberapa daerah yang memiliki banyak tanah langka - dan sebagian besar di Cina, yang menghasilkan lebih dari 80 persen dari total tahunan global 130.000 metrik ton. Australia juga memiliki beberapa daerah, seperti halnya beberapa negara lain. AS memiliki sedikit area dengan banyak tanah jarang, tetapi sumber Amerika terakhir untuk mereka, Mountain Pass Quarry, California, ditutup pada 2015.
3. Jika tidak langka, apakah harganya sangat mahal?
Ya cukup. Pada tahun 2018, biaya untuk oksida neodymium, nomor atom 60, adalah US $ 107.000 per metrik ton. Harga diharapkan naik menjadi $ 150.000 pada tahun 2025.
Europium bahkan lebih mahal - sekitar $ 712.000 per metrik ton.
Sebagian alasannya adalah bahwa unsur-unsur tanah jarang secara kimiawi sulit dipisahkan satu sama lain untuk mendapatkan zat murni.
4. Untuk apa elemen tanah jarang berguna?
Pada paruh terakhir abad ke-20, europium, dengan nomor atom 63, menjadi permintaan luas untuk perannya sebagai fosfor penghasil warna di layar video, termasuk monitor komputer dan TV plasma. Ini juga berguna untuk menyerap neutron di batang kendali reaktor nuklir.
Sebuah kubus magnet neodymium kecil. Gambar melalui XRDoDRX.
Tanah jarang lainnya juga umum digunakan dalam perangkat elektronik saat ini. Neodymium, nomor atom 60, misalnya, adalah magnet yang kuat, berguna untuk telepon pintar, televisi, laser, baterai isi ulang, dan hard drive. Versi yang akan datang dari motor mobil listrik Tesla juga diperkirakan akan menggunakan neodymium.
Permintaan akan tanah langka telah meningkat terus sejak pertengahan abad ke-20, dan tidak ada bahan alternatif nyata untuk menggantikannya. Sama pentingnya dengan tanah jarang dengan masyarakat berbasis teknologi modern, dan sama sulitnya dengan mereka untuk menambang dan menggunakan, pertempuran tarif dapat menempatkan AS di tempat yang sangat buruk, mengubah negara dan elemen tanah jarang menjadi pion di permainan catur ekonomi ini.
Stanley Mertzman, Profesor Geosciences, Franklin & Marshall College
Artikel ini awalnya diterbitkan pada Percakapan. Baca artikel aslinya.
Intinya: Empat pertanyaan tentang elemen tanah jarang dijawab.
