عنصر أرضي نادر

اكتُشفت العناصر الأرضية النادرة بشكل رئيسي كمكونات للمعادن. يشير مصطلح "نادر" إلى هذه المعادن التي نادراً ما توجد، وكلمة "أرض" مشتقة من اسم قديم للأكاسيد، وهي الشكل الكيميائي لهذه العناصر في المعدن. ^{[ 12 ] : 5} وقد تعني صفة "نادر" أيضاً غريباً أو غير عادي. ^{[ 13 ] : 12}

في عام 1787، وصل معدن اكتشفه الملازم كارل أكسل أرهينيوس في محجر بقرية يتربي في السويد، ^{[ 12 ] : 9} إلى يوهان غادولين ، أستاذ الأكاديمية الملكية في توركو ، وأسفر تحليله عن أكسيد غير معروف أطلق عليه اسم الإيتريا . ^{[ 14 ]}

قام الكيميائي التحليلي السويدي أندرس غوستاف إيكيبيرغ بعزل البريليوم كيميائيًا من الغادولينيت، لكنه لم يتمكن من التعرف على عناصر أخرى في الخام. بعد هذا الاكتشاف عام 1794، أعاد يونس جاكوب بيرزيليوس وويلهلم هيسينغر فحص معدن من باستناس بالقرب من ريدارهيتان في السويد، كان يُعتقد أنه معدن حديد-تنغستن. في عام 1803 ، حصلا على أكسيد أبيض وأطلقا عليه اسم السيريا . اكتشف مارتن هاينريش كلابروث بشكل مستقل نفس الأكسيد وأطلق عليه اسم الأوكرويا . استغرق الأمر 30 عامًا أخرى حتى تمكن الباحثون من تحديد وجود عناصر أخرى في خامي السيريا والإيتريا. وقد صعّب تشابه الخصائص الكيميائية للمعادن الأرضية النادرة عملية فصلها.

في عام ١٨٣٩، قام كارل غوستاف موساندر ، مساعد بيرزيليوس، بفصل السيريا عن طريق تسخين النترات وإذابة الناتج في حمض النيتريك . وأطلق على أكسيد الملح القابل للذوبان اسم اللانثانا . واستغرق الأمر منه ثلاث سنوات أخرى لفصل اللانثانا إلى ديديميا ولانثانا نقية. وعلى الرغم من أن تقنيات موساندر لم تسمح بفصل الديديميا بشكل كامل، إلا أنها كانت في الواقع خليطًا من الأكاسيد.

في عام 1842، فصل موساندر الإيتريا إلى ثلاثة أكاسيد: الإيتريا النقية، والتيربيا، والإربيا. جميع هذه الأسماء مشتقة من اسم بلدة "يتيربي". أطلق على الأرض التي تُنتج الأملاح الوردية اسم التيربيوم ، وعلى الأرض التي تُنتج بيروكسيدًا أصفر اسم الإربيوم . ^{[ 15 ]} وبحلول ذلك الوقت، وصل عدد العناصر الأرضية النادرة المعروفة إلى ستة: الإيتريوم، والسيريوم، واللانثانوم، والديديميوم، والإربيوم، والتيربيوم.

حاول نيلز يوهان برلين ومارك ديلافونتين فصل الإيتريا الخام، ووجدا نفس المواد التي حصل عليها موساندر. في عام 1860، أطلق برلين على المادة التي تعطي أملاحًا وردية اسم الإربيوم . أما ديلافونتين، فقد أطلق على المادة التي تعطي بيروكسيدًا أصفر اسم التيربيوم . أدى هذا الالتباس إلى ظهور العديد من الادعاءات الخاطئة باكتشاف عناصر جديدة، مثل موساندريوم الذي اكتشفه ج. لورانس سميث ، أو فيليبيوم وديسيبيوم اللذين اكتشفهما ديلافونتين. ونظرًا لصعوبة فصل المعادن والتأكد من اكتمال الفصل، بلغ إجمالي عدد الاكتشافات الخاطئة العشرات، ^{[ 16 ] [ 17 ]} بينما قدّر البعض العدد الإجمالي بأكثر من مئة. ^{[ 18 ]}

لم تُسجّل أي اكتشافات أخرى لمدة ثلاثين عامًا، وأُدرج عنصر الديديميوم في الجدول الدوري للعناصر بكتلة جزيئية قدرها 138. وفي عام 1879، استخدم ديلافونتين عملية التحليل الطيفي اللهبي الضوئي الجديدة ، واكتشف عدة خطوط طيفية جديدة في الديديميوم. وفي العام نفسه، عزل بول إميل ليكوك دي بويسبودران عنصر الساماريوم الجديد من معدن السامارسكيت .

في عام 1886، قام ليكوك دي بويسبودران بفصل تراب الساماريا بشكل أكبر. وحصل جان شارل غاليسار دي مارينياك على نتيجة مماثلة من خلال العزل المباشر من السامارسكيت. أطلقوا على العنصر اسم الغادولينيوم نسبةً إلى يوهان غادولين ، وسُمّي أكسيده " غادولينيا ". ^{[ 19 ]}

أسفرت تحليلات طيفية إضافية أجراها ويليام كروكس وليكوك دي بويسبودران ويوجين أناتول ديمارساي بين عامي 1886 و1901 على الساماريا والإيتريا والسامارسكيت عن ظهور عدة خطوط طيفية جديدة أشارت إلى وجود عنصر غير معروف. وفي عام 1901، أسفر التبلور الجزئي للأكاسيد عن اكتشاف اليوروبيوم .

في عام ١٨٣٩، أصبح المصدر الثالث للعناصر الأرضية النادرة متاحًا. وهو معدن مشابه للغادولينيت يُسمى يورانوتانتالوم ، ويُعرف الآن باسم " سامارسكييت "، وهو أكسيد لمزيج من عناصر مثل الإيتريوم، والإيتربيوم، والحديد، واليورانيوم، والثوريوم، والكالسيوم، والنيوبيوم، والتنتالوم. وقد وثّق غوستاف روز هذا المعدن في مياس بجبال الأورال الجنوبية . اقترح الكيميائي الروسي ر. هارمان وجود عنصر جديد أطلق عليه اسم " إلمنيوم " في هذا المعدن، ولكن لاحقًا، لم يجد كريستيان فيلهلم بلومستراند ، وغاليسارد دي مارينياك، وهينريش روز سوى التنتالوم والنيوبيوم ( الكولومبيوم ) فيه.

كان العدد الدقيق لعناصر الأرض النادرة غير واضح تمامًا، وقُدِّر الحد الأقصى بـ 25 عنصرًا. وباستخدام أطياف الأشعة السينية، أكد هنري غوين جيفريز موزلي النظرية الذرية لنيلز بور ، وطوّر في الوقت نفسه نظرية الأعداد الذرية للعناصر. ^{[ 20 ]} اكتشف موزلي أن العدد الدقيق لللانثانيدات يجب أن يكون 15، كاشفًا بذلك عن عنصر مفقود، وهو العنصر 61 ، وهو عنصر مشعّ يبلغ عمر النصف له 18 عامًا، والذي تم إنتاجه وتوصيفه لأول مرة عام 1945. ^{[ 21 ]}

باستخدام هذه الحقائق المتعلقة بالأعداد الذرية من علم البلورات بالأشعة السينية، أثبت موزلي أيضًا أن الهافنيوم (العنصر 72) ليس من العناصر الأرضية النادرة. قُتل موزلي في الحرب العالمية الأولى عام 1915، قبل سنوات من اكتشاف الهافنيوم. لذا، فإن ادعاء جورج أوربان باكتشافه للعنصر 72 كان خاطئًا. يقع الهافنيوم في الجدول الدوري أسفل الزركونيوم مباشرةً ، ويتمتع كل من الهافنيوم والزركونيوم بخصائص كيميائية وفيزيائية متشابهة جدًا.

في أربعينيات القرن العشرين، قام فرانك سبيدينغ وآخرون في الولايات المتحدة، خلال مشروع مانهاتن ، بتطوير إجراءات التبادل الأيوني الكيميائي لفصل وتنقية العناصر الأرضية النادرة. طُبقت هذه الطريقة لأول مرة على الأكتينيدات لفصل البلوتونيوم -239 والنبتونيوم عن اليورانيوم والثوريوم والأكتينيوم ، وغيرها من الأكتينيدات الموجودة في المواد المُنتجة في المفاعلات النووية . كان البلوتونيوم-239 مرغوبًا للغاية لكونه مادة انشطارية .

تم إنتاج العنصر المفقود رقم 61، البروميثيوم ، صناعياً في عام 1945، ليصبح آخر عنصر من العناصر الأرضية النادرة يتم اكتشافه. وهو لا يوجد بكميات كبيرة في الطبيعة. ^{[ 22 ]}

بين عامي 1985 و1995، زادت الصين حصتها في إنتاج العناصر الأرضية النادرة من 21% إلى 60%. ^{[ 23 ]} تُعزى أسباب هذا الارتفاع إلى تخفيض الضرائب، والتسهيلات الائتمانية الميسرة، والتي عززها انخفاض تكاليف العمالة وغياب التنظيم البيئي. ^{[ 23 ]}

قبل توفر طرق التبادل الأيوني والإذابة ، كان فصل العناصر الأرضية النادرة يتم في المقام الأول عن طريق الترسيب المتكرر أو التبلور . في ذلك الوقت، كان الفصل الأول يتم إلى مجموعتين رئيسيتين، وهما عناصر السيريوم الأرضية (اللانثانوم، والسيريوم، والبراسيوديميوم، والنيوديميوم، والساماريوم) وعناصر الإيتريوم الأرضية (السكانديوم، والإيتريوم، والديسبروسيوم، والهولميوم، والإربيوم، والثوليوم، والإيتربيوم، واللوتيتيوم).

كان يُنظر إلى اليوروبيوم والغادولينيوم والتيربيوم إما كمجموعة منفصلة من عناصر الأرض النادرة (مجموعة التيربيوم)، أو كان اليوروبيوم يُضم إلى مجموعة السيريوم، بينما يُضم الغادولينيوم والتيربيوم إلى مجموعة الإيتريوم. في الحالة الأخيرة، تُقسم عناصر الفئة f إلى نصفين: النصف الأول (من اللانثانوم إلى اليوروبيوم) يُشكل مجموعة السيريوم، والنصف الثاني (من الغادولينيوم إلى الإيتربيوم) مع عناصر المجموعة 3 (السكانديوم، والإيتريوم، واللوتيتيوم) يُشكل مجموعة الإيتريوم.

يعود سبب هذا التقسيم إلى اختلاف ذوبانية كبريتات العناصر الأرضية النادرة المزدوجة مع الصوديوم والبوتاسيوم. فكبريتات الصوديوم المزدوجة لمجموعة السيريوم قليلة الذوبان، وكبريتات مجموعة التيربيوم قليلة الذوبان، بينما كبريتات مجموعة الإيتريوم عالية الذوبان. ^{[ 32 ]} في بعض الأحيان، كانت مجموعة الإيتريوم تُقسّم إلى مجموعة الإربيوم (الديسبروسيوم، والهولميوم، والإربيوم، والثوليوم) ومجموعة الإيتربيوم (الإيتربيوم واللوتيتيوم)، ولكن التصنيف الرئيسي اليوم يقع بين مجموعتي السيريوم والإيتريوم. ^{[ 33 ]} تُصنّف العناصر الأرضية النادرة اليوم إلى عناصر أرضية نادرة خفيفة وعناصر أرضية نادرة ثقيلة، بدلاً من تصنيفها ضمن مجموعتي السيريوم والإيتريوم.

تُعدّ العناصر الأرضية النادرة، باستثناء السكانديوم ، أثقل من الحديد ، ولذا تُنتَج عن طريق التخليق النووي في المستعرات العظمى أو عن طريق عملية الالتقاط البطيء للنيوترونات في النجوم العملاقة المقاربة . في الطبيعة، يُنتج الانشطار التلقائي لليورانيوم -238 كميات ضئيلة من البروميثيوم المشع ، ولكن يُنتَج معظم البروميثيوم صناعيًا في المفاعلات النووية. نظرًا لتشابهها الكيميائي، فإن تركيزات العناصر الأرضية النادرة في الصخور لا تتغير إلا ببطء بفعل العمليات الجيوكيميائية، مما يجعل نسبها مفيدة في تحديد العمر الجيولوجي وتأريخ الأحافير.

تُعدّ معادن الباستناسيت ( RCO₃F ، حيث R خليط من عناصر الأرض النادرة)، والمونازيت (XPO₄، حيث X خليط من عناصر الأرض _{النادرة} وأحيانًا الثوريوم ) ، واللوباريت ( Ce,Na,Ca)(Ti,Nb)O₃ ₎ ، بالإضافة إلى طين اللاتريتي المُمتصّ للأيونات، المصادر _{الرئيسية} لعناصر الأرض النادرة . وعلى الرغم من وفرتها النسبية العالية، فإنّ معادن الأرض النادرة أصعب في التعدين والاستخلاص من مصادر مماثلة للمعادن الانتقالية ، ويعود ذلك جزئيًا إلى خصائصها الكيميائية المتشابهة، مما يجعل عناصر الأرض النادرة باهظة الثمن نسبيًا. وقد كان استخدامها الصناعي محدودًا للغاية إلى أن طُوّرت تقنيات فصل فعّالة، مثل التبادل الأيوني ، والتبلور الجزئي، والاستخلاص السائل-السائل في أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات من القرن الماضي. ^{[ 39 ]} تحتوي بعض مركزات الإلمنيت على كميات صغيرة من السكانديوم وعناصر أرضية نادرة أخرى، والتي يمكن تحليلها بواسطة التألق بالأشعة السينية (XRF). ^{[ 40 ]}

بحسب الكيميائي أندريا سيلا في عام 2016، تختلف العناصر الأرضية النادرة عن العناصر الأخرى، إذ أنها عند تحليلها، تكاد تكون متطابقة، ولها خصائص كيميائية متشابهة. مع ذلك، من حيث خصائصها الإلكترونية والمغناطيسية، يشغل كل عنصر منها مكانة تقنية فريدة لا مثيل لها. ^{[ 41 ]} على سبيل المثال، "يمكن دمج عنصري البراسيوديميوم (Pr) والنيوديميوم (Nd) من العناصر الأرضية النادرة داخل الزجاج، وهما يمنعان وهج اللهب تمامًا عند نفخ الزجاج ." ^{[ 41 ]}

يُعتبر السكانديوم والإتريوم من العناصر الأرضية النادرة لأنهما يميلان إلى التواجد في نفس رواسب الخام التي تتواجد فيها اللانثانيدات، ويُظهران خصائص كيميائية متشابهة، لكنهما يختلفان في الخصائص الكهربائية والمغناطيسية . ^{[ 41 ] [ 42 ]}

تتأكسد المعادن الأرضية النادرة ببطء في الهواء عند درجة حرارة الغرفة، وتتفاعل ببطء مع الماء البارد لتكوين هيدروكسيدات، مطلقةً الهيدروجين . كما تتفاعل مع البخار لتكوين أكاسيد، وتشتعل تلقائيًا عند درجة حرارة 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) . لا تؤدي هذه العناصر ومركباتها أي وظيفة بيولوجية باستثناء وجودها في بعض الإنزيمات المتخصصة، مثل إنزيمات نازعة هيدروجين الميثانول المعتمدة على اللانثانيدات في البكتيريا. ^{[ 43 ]} المركبات الذائبة في الماء سامة بشكل طفيف إلى متوسط، بينما المركبات غير الذائبة غير سامة. ^{[ 44 ]} جميع نظائر البروميثيوم مشعة، ولا يوجد بشكل طبيعي في قشرة الأرض، باستثناء كمية ضئيلة ناتجة عن الانشطار التلقائي لليورانيوم -238 . غالبًا ما توجد هذه النظائر في المعادن التي تحتوي على الثوريوم ، وبشكل أقل شيوعًا في المعادن التي تحتوي على اليورانيوم .  

توجد العناصر الأرضية النادرة في الطبيعة بالاشتراك مع الفوسفات ( المونازيت )، والكربونات - الفلورايد ( الباستنازيت )، وأنيونات الأكسجين.

في أكاسيدها، تمتلك معظم عناصر الأرض النادرة تكافؤًا ثلاثيًا فقط، وتُشكّل أكاسيدًا _ثلاثية (يُشكّل السيريوم CeO₂ ). تُعرف خمسة تراكيب بلورية مختلفة، تبعًا للعنصر ودرجة الحرارة. لا يكون الطور X والطور H مستقرين إلا فوق 2000 كلفن. عند درجات حرارة أقل، يوجد الطور A السداسي، والطور B أحادي الميل _، والطور C المكعب، وهو الشكل المستقر عند درجة حرارة الغرفة لمعظم العناصر. كان يُعتقد سابقًا أن الطور C ينتمي إلى المجموعة الفراغية I₁₃ ( رقم 199)، ^{[ 45 ]} ولكن من المعروف الآن أنه ينتمي إلى المجموعة الفراغية Ia₃ (رقم 206) . 

يشبه تركيبها تركيب الفلوريت أو ثاني أكسيد السيريوم (حيث تشكل الكاتيونات شبكة مكعبة مركزية الوجوه ، وتستقر الأنيونات داخل رباعيات الأوجه من الكاتيونات)، باستثناء أن ربع الأنيونات (الأكسجين) مفقود. تتوافق وحدة الخلية لهذه الأكاسيد الثلاثية مع ثماني وحدات خلية من الفلوريت أو ثاني أكسيد السيريوم، مع 32 كاتيونًا بدلًا من 4. يُطلق على هذا التركيب اسم تركيب البيكسبيت ، لأنه يوجد في معدن يحمل الاسم نفسه ( (Mn ^, Fe) _{₂O₃ )} . [ ^{46 ]}

بسبب خصائصها الجيوكيميائية ، عادةً ما تكون العناصر الأرضية النادرة متفرقة ونادراً ما توجد مركزة في معادنها . ونتيجة لذلك، فإن رواسب الخامات القابلة للاستغلال الاقتصادي نادرة. ^{[ 54 ]}

حتى عام 1948، كان معظم إنتاج العناصر الأرضية النادرة في العالم يُستخرج من رواسب الرمال الغرينية في الهند والبرازيل. وفي خمسينيات القرن العشرين، كانت جنوب أفريقيا المصدر العالمي لهذه العناصر، من شعاب مرجانية غنية بالمونازيت في منجم ستينكامبسكراال بمقاطعة كيب الغربية . ^{[ 55 ]} ومنذ ستينيات القرن العشرين وحتى ثمانينياته، جعل منجم ماونتن باس للعناصر الأرضية النادرة في كاليفورنيا الولايات المتحدة المنتج الرائد. ^{[ 54 ]} وفي تسعينيات القرن العشرين، أنتجت الدول الأوروبية، ولا سيما فرنسا، كميات كبيرة من العناصر الأرضية النادرة. ^{[ 56 ]} وبعد أن خفضت الصين أسعارها العالمية في تسعينيات القرن العشرين، أُغلقت العديد من المناجم في دول أخرى، ويستغرق الأمر عدة سنوات لإعادة تشغيل الإنتاج. ^{[ 57 ] [ 58 ]}

في عام 2009، كان من المتوقع أن يتجاوز الطلب العالمي على العناصر الأرضية النادرة العرض بمقدار 40,000 طن متري سنويًا ما لم يتم تطوير مصادر جديدة رئيسية. ^{[ 59 ]} ونتيجةً لزيادة الطلب وتشديد القيود على صادرات هذه المعادن من الصين، قامت بعض الدول في عام 2011 بتخزين موارد العناصر الأرضية النادرة. ^{[ 60 ]} واستمر البحث عن مصادر بديلة في العديد من الدول الأخرى. ^{[ 61 ]} وفي عام 2013، ذُكر أن الطلب على العناصر الأرضية النادرة سيزداد نظرًا لاعتماد الاتحاد الأوروبي عليها، ولأنها غير قابلة للاستبدال بعناصر أخرى، ولأن معدل إعادة تدويرها منخفض. ونظرًا لزيادة الطلب وانخفاض العرض، كان من المتوقع ارتفاع الأسعار مستقبلًا. ^{[ 62 ]} ويستمر الطلب في الازدياد نظرًا لأهميتها في التقنيات الجديدة والمبتكرة. تشمل هذه المنتجات الجديدة التي تتطلب العناصر الأرضية النادرة معدات عالية التقنية مثل الهواتف الذكية ، والكاميرات الرقمية، ومكونات الحواسيب، وأشباه الموصلات، وغيرها. إضافةً إلى ذلك، تنتشر هذه العناصر بكثرة في صناعات مثل تكنولوجيا الطاقة المتجددة، والمعدات العسكرية، وصناعة الزجاج، والتعدين. ^{[ 63 ]} وقد أدى ازدياد الطلب إلى ضغط على العرض، وتزايدت المخاوف من احتمال مواجهة العالم قريباً لنقص في العناصر الأرضية النادرة. ^{[ 64 ]} وبحلول أواخر عام 2023، كان من المتوقع أن يزداد الطلب العالمي على العناصر الأرضية النادرة بأكثر من خمسة أضعاف بحلول عام 2030. ^{[ 65 ] [ 66 ]}

في عام 2017، أنتجت الصين 81% من إمدادات العناصر الأرضية النادرة في العالم، معظمها في منغوليا الداخلية ، ^{[ 54 ] [ 67 ]} على الرغم من أن حصتها من الاحتياطيات العالمية لم تتجاوز 36.7%. ^{[ 68 ]} وكانت أستراليا ثاني أكبر منتج في العالم، واللاعب الرئيسي الآخر الوحيد، بنسبة 15% من الإنتاج العالمي. ^{[ 68 ]} وبرز منجم براونز رينج، الواقع على بُعد 160 كيلومترًا (99 ميلًا) جنوب شرق هولز كريك في شمال غرب أستراليا ، والذي بدأ تشغيله في عام 2018 ^{[ 69 ]} ، كأول منتج رئيسي للديسبروسيوم خارج الصين. ^{[ 70 ]} وحتى عام 2022، كانت جميع العناصر الأرضية النادرة الثقيلة في العالم (مثل الديسبروسيوم) لا تزال تُستخرج من مصادر صينية، مثل رواسب بيان أوبو متعددة المعادن . ^{[ 67 ] [ 71 ]} في عام 2023، كان هناك أكثر من مائة مشروع تعدين قيد التنفيذ، العديد منها خارج الصين. ^{[ 72 ]}  

اعتبارًا من عام 2025كانت الصين تستحوذ على 85-90% من طاقة تكرير المعادن الأرضية النادرة العالمية، ^{[ 73 ]} حيث تقوم باستخراجها وتكريرها على نطاق واسع. وتُعد الصين مسؤولة عن أكثر من نصف عمليات التعدين العالمية، ونحو 90% من عمليات معالجة المعادن الأرضية النادرة. ويُستورد حوالي 80% من إمدادات الولايات المتحدة من هذه المعادن من الصين، بينما يستورد الاتحاد الأوروبي حوالي 98% من احتياجاته منها. ^{[ 56 ]} ويبلغ حجم السوق العالمي الإجمالي للمعادن الأرضية النادرة حوالي 300 ألف طن متري سنويًا، أي ما يعادل 5 مليارات دولار أمريكي تقريبًا. ^{[ 73 ]}

الدول الثماني الأولى من حيث احتياطيات العناصر الأرضية النادرة ، وفقًا لتقرير هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية الصادر في فبراير 2025 عن العناصر الأرضية النادرة، هي كما يلي ( بالأطنان من مكافئ أكسيد العناصر الأرضية النادرة): ^{[ 74 ]}

رتبة	دولة	الاحتياطيات (مليون طن متري)	الاحتياطيات للفرد (كجم)
—	عالم	130	15.73
1	الصين	44	31.07
2	البرازيل	21	98.39
3	الهند	6.9	4.87
4	أستراليا	5.7	202.39
5	روسيا	3.8	26.02
6	فيتنام	3.5	34.45
7	الولايات المتحدة الأمريكية	1.9	5.47
8	غرينلاند (الدنمارك)	1.5	249.90
9	تنزانيا	0.9	12.76
10	جنوب أفريقيا	0.9	13.90
11	كندا	0.8	20.40

توسعت استخدامات وتطبيقات العناصر الأرضية النادرة، وزاد الطلب عليها، على مر السنين. عالميًا، استُخدمت معظم هذه العناصر في المحفزات والمغناطيسات عام ٢٠١٥. ^{[ ١٨١ ]} وفي الولايات المتحدة، يُستخدم أكثر من نصفها في المحفزات؛ كما تُعد السيراميك والزجاج والتلميع من الاستخدامات الرئيسية لها. ^{[ ١٨٢ ]} وقد أدى التوجه العالمي نحو تقنيات الطاقة المتجددة ، إلى جانب الإلكترونيات المتقدمة والتطبيقات الجديدة في المجال الدفاعي، إلى زيادة الطلب على العناصر الأرضية النادرة. ^{[ ١٨٣ ]}

يُستخدم كلوريد اللانثانوم في التكسير التحفيزي المائع لإنتاج البنزين والديزل. ويُستخدم أكسيد السيريوم (III) في المحولات الحفزية . ^{[ 184 ] : 141-165}

بحسب لوكاس وآخرون، "تُعدّ مغناطيسات سبائك المعادن الأرضية النادرة والمعادن الانتقالية الأقوى في العالم. تسمح المجالات المغناطيسية القوية التي تُولّدها هذه المواد بتصغير حجم المحركات والمولدات الكهربائية، لأن مغناطيسات الأرض النادرة الصغيرة تُولّد قوىً هائلة. وتكون مغناطيسات النيوديميوم-حديد-بورون هي الأقوى في درجات الحرارة المحيطة." مع ذلك، عند درجات حرارة أعلى من 150  درجة مئوية، تكون مغناطيسات الساماريوم-كوبالت أقوى. فمغناطيسات NdFeB وSmCo أقوى بعشر وست مرات على التوالي من مغناطيسات الفريت القياسية. كما أن النيوديميوم والساماريوم أقل تكلفة من عناصر الأرض النادرة الأخرى، مما يجعل استخدامهما أكثر اقتصادية. "من بين أهم تطبيقاتها المغناطيسات الكهربائية ، والمولدات ، ومولدات الطاقة . يستخدم كل مولد طاقة عدة أطنان من مغناطيس NdFeB الدائم في محور طاحونة الهواء . تُستخدم مغناطيسات NdFeB في المحركات الصناعية ، ومحركات السيارات ، ومحركات الدراجات الكهربائية ، بالإضافة إلى المحركات الصغيرة المتطورة التي تُشغّل الأقراص الصلبة لأجهزة الكمبيوتر." تُستخدم مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة أيضًا في التصوير بالرنين المغناطيسي وطباعة الليثوغرافيا باستخدام حزمة الأيونات . ^{[ 184 ]}

يُعدّ الديسبروسيوم والنيوديميوم والبراسيوديميوم والتيربيوم موادًا أساسية في تقنيات الطاقة المتجددة الحالية، لا سيما في المركبات الكهربائية وتوربينات الرياح. تستهلك المركبات الكهربائية ما بين 1 و2  كيلوغرام  من النيوديميوم والبراسيوديميوم لكل مركبة، بينما تستهلك توربينات الرياح  ما يصل إلى 600 كيلوغرام  من العناصر الأرضية النادرة في مولدات المغناطيس الدائم. ^{[ 183 ]} ​​على الرغم من أن العناصر الأرضية النادرة ليست ضرورية لبناء توربينات الرياح، إلا أن غالبية المنشآت البحرية تستخدم مغناطيسًا دائمًا يتطلب الديسبروسيوم والنيوديميوم والبراسيوديميوم والتيربيوم. ^{[ 5 ]} يُعزى أقل من 10% من الطلب العالمي على الديسبروسيوم والنيوديميوم إلى قطاعات الطاقة المتجددة، بينما تتجاوز نسبة الطلب على عنصري البراسيوديميوم والتيربيوم، وهما عنصران أقل شيوعًا، 30%. يوجد تباين بين نماذج نمو الطاقة المتجددة نظرًا لنقص البيانات السابقة حول هذه الأسواق الحديثة نسبيًا. في عمليات المحاكاة المصممة لمراعاة أهداف خفض الانبعاثات الكربونية كما وردت في الاتفاقيات الدولية، تشير التوقعات إلى أن الطلب على العناصر الأرضية النادرة سيتجاوز الزيادات المتوقعة في العرض. وقد حفز هذا الأمر السعي نحو عمليات إعادة استخدام وتدوير أكثر كفاءة. ^{[ 185 ]}

تُستخدم المعادن الأرضية النادرة في سبائك المغنيسيوم والحديد الزهر والحديد الزهر المطاوع . يُعد السيريا مادة كاشطة أساسية لتلميع الزجاج بدقة عالية والتسوية الكيميائية الميكانيكية . ^{[ 184 ] : 181-212}

تستفيد تطبيقات الإضاءة من انبعاث إلكترونات 4f غير المزدوجة للفوتون بعد إثارته من حالته الأساسية. ووفقًا للوكاس وآخرون، "تُستخدم العناصر الأرضية النادرة على نطاق واسع في التطبيقات التي يُعد فيها انبعاث الضوء معيارًا للأداء". تشمل أجهزة وشاشات الإضاءة الفوسفورية "المصابيح ثلاثية الألوان (أو المصابيح الموفرة للطاقة )، ​​حيث يُستخدم اللانثانوم والإتريوم والسيريوم والتيربيوم واليوروبيوم بشكل أساسي للتحكم في اللون، والثنائيات الباعثة للضوء (LEDs)، التي تستخدم بشكل أساسي الإتريوم والسيريوم واليوروبيوم، وشاشات البلازما ، وأنابيب أشعة الكاثود القديمة (CRTs)، وشاشات الكريستال السائل (LCDs) ذات الإضاءة الخلفية الفلورية ، والتي تستهلك اللانثانوم والإتريوم والسيريوم والتيربيوم واليوروبيوم". يُعدّ أيون اليوروبيوم ^{الثلاثي} (Eu³⁺ ) أكثر المواد المُطعِّمة شيوعًا لانبعاث الضوء الأحمر، ويتراوح طول موجته من البرتقالي (585 نانومتر مع مصفوفة YBO₃) إلى الأحمر الداكن (627 _{نانومتر} مع مصفوفة Y₂O₂S). أما أيون اليوروبيوم الثنائي (Eu²⁺ _{) فهو أكثر} ^المواد المُطعِّمة شيوعًا لانبعاث الضوء الأزرق، ويُستخدم كمادة مُطعِّمة في مادة BAM BaMgAl₁₀O₁₇ في الإضاءة الفلورية وشاشات البلازما. ويُظهر أيون السيريوم الثلاثي (Ce³⁺ ) _السلوك ^نفسه ، بالإضافة إلى استخدام بلورات _Lu₂SiO₅ :Ce³⁺ ^{الأحادية في} التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني . ويُعدّ أيون التيربيوم الثلاثي (Tb³⁺ ₎ أكثر ^المواد المُطعِّمة شيوعًا لانبعاث الضوء الأخضر، حيث تبلغ ذروة طول موجته 542 نانومتر. وتُستخدم أيونات النيوديميوم ^{الثلاثي (Nd³⁺) والإيتربيوم الثلاثي} (Yb³⁺ ) والإربيوم الثلاثي (Er³⁺ ⁾ في أجهزة الليزر ومضخمات الإشارة الضوئية . ^{[ 184 ] : 251-281 [ 186 ] [ 187 ]}   

تُعدّ عناصر السيريوم واللانثانوم والنيوديميوم مهمة في صناعة السبائك، وإنتاج خلايا الوقود وبطاريات هيدريد النيكل المعدني . كما تُستخدم عناصر السيريوم والغاليوم والنيوديميوم في الإلكترونيات، وتحديدًا في إنتاج شاشات الكريستال السائل وشاشات البلازما، والألياف البصرية، والليزر، ^{[ 188 ]} وفي التصوير الطبي. وتشمل الاستخدامات الإضافية للعناصر الأرضية النادرة استخدامها كمتتبعات في التطبيقات الطبية، والأسمدة، ومعالجة المياه. ^{[ 36 ]} وتُساهم الإلكترونيات الاستهلاكية في زيادة الطلب، حيث تستحوذ منتجات مثل الهواتف الذكية على 8% من الاستهلاك العالمي للعناصر الأرضية النادرة. ^{[ 183 ]}

تُستخدم العناصر الأرضية النادرة أيضًا في المجال الدفاعي، مثل أنظمة التوجيه الدقيق التي تتطلب مركبات خاصة منها. ^{[ 183 ]} ​​ويمكن الاستفادة من قوة مغناطيس النيوديميوم في أنظمة توجيه الصواريخ. أما في عدسات الكاميرات عالية الجودة المستخدمة في الاستخبارات، فيُحسّن اللانثانوم من وضوح الزجاج. ^{[ 189 ]}

يُعدّ تطبيق العناصر الأرضية النادرة في علم الجيولوجيا ذا أهمية بالغة لفهم العمليات البترولوجية لتكوين الصخور النارية والرسوبية والمتحولة . في علم الجيوكيمياء ، يمكن استخدام العناصر الأرضية النادرة لاستنتاج الآليات البترولوجية التي أثرت على الصخور، وذلك بفضل الاختلافات الدقيقة في الحجم الذري بين هذه العناصر، مما يؤدي إلى تجزئة تفضيلية لبعض العناصر الأرضية النادرة مقارنةً بغيرها، تبعًا للعمليات الجارية.

لا تُجرى الدراسة الجيوكيميائية للعناصر الأرضية النادرة على أساس التركيزات المطلقة - كما هو الحال عادةً مع العناصر الكيميائية الأخرى - بل على أساس التركيزات المعيارية لملاحظة سلوكها التسلسلي. في الجيوكيمياء، تُعرض العناصر الأرضية النادرة عادةً في مخططات "عنكبوتية" معيارية، حيث يُعاير تركيز هذه العناصر وفقًا لمعيار مرجعي، ثم يُعبّر عنه بلوغاريتم القيمة للأساس 10.

عادةً ما تُقاس وفرة العناصر الأرضية النادرة بالنسبة للنيازك الكوندريتية ، إذ يُعتقد أنها أقرب تمثيل لمواد النظام الشمسي غير المجزأة . مع ذلك، يمكن تطبيق معايير قياس أخرى حسب غرض الدراسة. يسمح القياس باستخدام قيمة مرجعية قياسية، خاصةً لمادة يُعتقد أنها غير مجزأة ، بمقارنة الوفرة المرصودة بالوفرة الأولية للعنصر. كما يُزيل القياس نمط "الزقزاق" الواضح الناتج عن الاختلافات في الوفرة بين الأعداد الذرية الزوجية والفردية . يُجرى القياس بقسمة التركيزات التحليلية لكل عنصر من السلسلة على تركيز العنصر نفسه في معيار مُحدد، وفقًا للمعادلة التالية:

${\displaystyle [{\text{REE}}_{i}]_{n}={\frac {[{\text{REE}}_{i}]_{\text{sam}}}{[{\text{REE}}_{i}]_{\text{std}}}}}$

حيث يشير n إلى التركيز المعياري،${\displaystyle {[{\text{REE}}_{i}]_{\text{sam}}}}$التركيز التحليلي للعنصر المقاس في العينة، و${\displaystyle {[{\text{REE}}_{i}]_{\text{ref}}}}$تركيز العنصر نفسه في المادة المرجعية. ^{[ 190 ]}

يمكن ملاحظة الاتجاه التسلسلي للعناصر الأرضية النادرة من خلال الإبلاغ عن تركيزاتها المعيارية مقابل العدد الذري. تُعرف الاتجاهات الملاحظة في مخططات "العنكبوت" عادةً باسم "الأنماط"، والتي قد تكون مؤشراً على العمليات البترولوجية التي أثرت على المادة محل الدراسة. ^{[ 34 ]}

يمكن الحصول على معلومات حول النظام قيد الدراسة والعمليات الجيوكيميائية الجارية، وذلك من خلال الشكل العام للأنماط أو بفضل وجود (أو غياب) ما يُسمى بـ"الشذوذات". تمثل هذه الشذوذات زيادةً (شذوذات موجبة) أو نقصًا (شذوذات سالبة) في تركيز عناصر محددة على طول السلسلة، ويمكن تمييزها بيانيًا على شكل "قمم" موجبة أو سالبة على طول أنماط العناصر الأرضية النادرة. ويمكن تحديد الشذوذات كميًا كنسبة بين التركيز المُعَيَّر للعنصر الذي يُظهر الشذوذ والتركيز المُتوقع بناءً على متوسط ​​التركيزات المُعَيَّرة للعنصرين في الموضعين السابق واللاحق في السلسلة، وفقًا للمعادلة التالية:

${\displaystyle {\frac {{\text{REE}}_{i}}{{\text{REE}}_{i}^{*}}}={\frac {[{\text{REE}}_{i}]_{n}\times 2}{[{\text{REE}}_{i-1}]_{n}+[{\text{REE}}_{i+1}]_{n}}}}$

أين${\displaystyle [{\text{REE}}_{i}]_{n}}$يمثل التركيز المعياري للعنصر الذي يجب حساب شذوذه،${\displaystyle [{\text{REE}}_{i-1}]_{n}}$و${\displaystyle [{\text{REE}}_{i+1}]_{n}}$التركيزات المعيارية للعناصر السابقة واللاحقة على التوالي على طول السلسلة.

تُعدّ أنماط العناصر الأرضية النادرة الملاحظة في الصخور النارية دالةً أساسيةً للتركيب الكيميائي للمصدر الذي نشأت منه الصخرة، بالإضافة إلى تاريخ التجزئة الذي خضعت له. ^{[ 34 ]} وتُعدّ التجزئة بدورها دالةً لمعاملات التوزيع لكل عنصر. وتُعدّ معاملات التوزيع مسؤولةً عن تجزئة العناصر النزرة (بما في ذلك العناصر الأرضية النادرة) بين الطور السائل (المصهور/الصهارة) والطور الصلب (المعدن). يُطلق على العنصر الذي يبقى في الطور الصلب بشكل تفضيلي اسم "متوافق"، بينما يُوصف العنصر الذي يتوزع بشكل تفضيلي في الطور المصهور بأنه "غير متوافق". ^{[ 34 ]} لكل عنصر معامل توزيع مختلف، وبالتالي يتجزأ إلى الطورين الصلب والسائل بشكل متميز. تنطبق هذه المفاهيم أيضًا على علم الصخور المتحولة والرسوبية.

في الصخور النارية، وخاصة في الصهارة الفلسية ، تنطبق الملاحظات التالية: تهيمن عملية تبلور الفلسبارات على الشذوذات في اليوروبيوم . يتحكم الهورنبلند في إثراء العناصر الأرضية النادرة المتوسطة (MREE) مقارنةً بالعناصر الأرضية النادرة الخفيفة (LREE) والثقيلة (HREE). قد يعود نقص العناصر الأرضية النادرة الخفيفة (LREE) مقارنةً بالعناصر الأرضية النادرة الثقيلة (HREE) إلى تبلور الأوليفين والأورثوبيروكسين والكلينوبيروكسين . من ناحية أخرى ، قد يعود نقص العناصر الأرضية النادرة الثقيلة (HREE) مقارنةً بالعناصر الأرضية النادرة الخفيفة (LREE) إلى وجود العقيق ، حيث يدمج العقيق العناصر الأرضية النادرة الثقيلة (HREE) بشكل تفضيلي في بنيته البلورية. كما قد يُحدث وجود الزركون تأثيرًا مشابهًا. ^{[ 34 ]}

في الصخور الرسوبية، تُعدّ العناصر الأرضية النادرة في الرواسب الفتاتية مؤشراً على مصدرها. لا تتأثر تركيزات هذه العناصر عادةً بمياه البحار والأنهار، لأنها غير قابلة للذوبان، وبالتالي تكون تركيزاتها منخفضة جداً في هذه السوائل. ونتيجةً لذلك، عند نقل الرواسب، لا تتأثر تركيزات العناصر الأرضية النادرة بالسوائل، بل تحتفظ الصخور بتركيزها الأصلي من مصدرها. ^{[ 34 ]}

تتميز مياه البحار والأنهار عادةً بانخفاض تركيزات العناصر الأرضية النادرة. ومع ذلك، لا تزال الجيوكيمياء المائية ذات أهمية بالغة. ففي المحيطات، تعكس العناصر الأرضية النادرة المدخلات من الأنهار والفتحات الحرارية المائية والمصادر الريحية ؛ ^{[ 34 ]} وهذا أمر مهم في دراسة اختلاط المحيطات ودورانها. ^{[ 36 ]}

تُعدّ العناصر الأرضية النادرة مفيدة أيضاً في تحديد عمر الصخور، إذ تتميز بعض النظائر المشعة بفترات نصف عمر طويلة. ومن بين هذه النظائر، تحظى أنظمة ^138La - ^138Ce و ¹⁴⁷ Sm - ^143Nd و ¹⁷⁶ Lu- ^176Hf باهتمام خاص . ^{[ 36 ]}

استُخدمت العناصر الأرضية النادرة في الزراعة لزيادة نمو النباتات وإنتاجيتها ومقاومتها للإجهاد. ويمكن استخدامها في الزراعة من خلال الأسمدة المُخصبة بها، وهي ممارسة شائعة في الصين عام 2002. ^{[ 191 ]} تُستخدم العناصر الأرضية النادرة كمضافات علفية للماشية، مما أدى إلى زيادة الإنتاج، مثل زيادة حجم الحيوانات وارتفاع إنتاج البيض ومنتجات الألبان. وقد نتج عن هذه الممارسة تراكم حيوي للعناصر الأرضية النادرة في الماشية، مما أثر على نمو النباتات والطحالب في هذه المناطق الزراعية. ^{[ 192 ]} لوحظ تراكم حيوي في جذور الذرة المعالجة بسماد العناصر الأرضية النادرة بعد 10 أيام. كما لوحظت آثار سلبية على الكتلة الحيوية للذرة عند التركيزات العالية من هذه العناصر. ^{[ 193 ]} في حين لم تُلاحظ أي آثار ضارة عند التركيزات المنخفضة الحالية، إلا أن الآثار على المدى الطويل ومع التراكم بمرور الوقت غير معروفة، مما دفع البعض إلى المطالبة بإجراء المزيد من البحوث حول آثارها المحتملة. ^{[ 191 ] [ 194 ]}

أُغلق مكتب المناجم الأمريكي في عام 1996 ، مما أدى إلى تباطؤ كبير في عمليات التعدين والبحوث المحلية للعناصر الأرضية النادرة. ^{[ 210 ]}

توجد العناصر الأرضية النادرة بشكل طبيعي بتراكيز منخفضة جدًا في البيئة. وقد يؤدي التعدين غير المنظم إلى انتهاكات لحقوق الإنسان، وإزالة الغابات، وتلوث الأراضي والمياه. ^{[ 214 ] [ 215 ]} وبشكل عام، تشير التقديرات إلى أن استخراج طن متري واحد من العناصر الأرضية النادرة يُنتج حوالي 2000 طن متري من النفايات، بعضها سام، بما في ذلك طن واحد من النفايات المشعة. وقد أنتج موقع بايان أوبو في الصين ، وهو أكبر موقع لتعدين العناصر الأرضية النادرة، أكثر من 70000 طن من النفايات المشعة، مما أدى إلى تلوث المياه الجوفية. ^{[ 216 ]}

بالقرب من مواقع التعدين والمواقع الصناعية، قد ترتفع تركيزات العناصر الأرضية النادرة إلى أضعاف مستوياتها الطبيعية. وبمجرد دخولها البيئة، تتسرب هذه العناصر إلى التربة، حيث يتحدد انتقالها بعوامل عديدة كالتآكل والتجوية ودرجة الحموضة والهطول المطري والمياه الجوفية، وغيرها. وكما هو الحال مع المعادن، يمكن أن تتوزع هذه العناصر حسب حالة التربة، فتكون إما متحركة أو ملتصقة بجزيئات التربة. وبناءً على توافرها الحيوي، يمكن امتصاص العناصر الأرضية النادرة في النباتات، ثم استهلاكها لاحقًا من قبل الإنسان والحيوان. ^{[ 217 ]}

يُساهم استخراج العناصر الأرضية النادرة، واستخدام الأسمدة المُخصبة بها، وإنتاج الأسمدة الفوسفورية، في تلوث البيئة بهذه العناصر. ^{[ 217 ]} تُستخدم الأحماض القوية خلال عملية استخراج العناصر الأرضية النادرة، والتي قد تتسرب إلى البيئة وتنتقل عبر المسطحات المائية، مما يؤدي إلى تحمض البيئات المائية. ومن المواد المضافة الأخرى لاستخراج العناصر الأرضية النادرة التي تُساهم في تلوث البيئة بها أكسيد السيريوم ( CeO₂) .₂ )، والذي ينتج أثناء احتراق الديزل وينطلق كعادم، مما يساهم بشكل كبير في تلوث التربة والمياه. ^{[ 192 ]}

تُخلّف عمليات استخراج وتكرير وإعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة آثارًا بيئية وخيمة في حال عدم إدارتها بشكل سليم. تُشكّل المخلفات المشعة منخفضة المستوى ، الناتجة عن وجود الثوريوم واليورانيوم في خامات العناصر الأرضية النادرة ، خطرًا محتملاً ^{[ 218 ] [ 219 ]} ، وقد يؤدي سوء التعامل مع هذه المواد إلى أضرار بيئية جسيمة. في مايو/أيار 2010، أعلنت الصين عن حملة واسعة النطاق، استمرت خمسة أشهر، لمكافحة التعدين غير القانوني بهدف حماية البيئة ومواردها. ومن المتوقع أن تتركز هذه الحملة في الجنوب ^{[ 220 ]} ، حيث تُعدّ المناجم  - التي غالبًا ما تكون صغيرة وريفية وغير قانونية  - عرضةً بشكل خاص لإطلاق النفايات السامة في مصادر المياه العامة. ^{[ 67 ] [ 221 ]}

تسببت العملية الضخمة في باوتو ، بمنطقة منغوليا الداخلية، حيث يُكرر جزء كبير من إمدادات العالم من العناصر الأرضية النادرة، في أضرار بيئية جسيمة. ^{[ 204 ]} وقدّرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الصينية تكاليف التنظيف في مقاطعة جيانغشي بنحو 5.5 مليار دولار. ^{[ 215 ]}

من الممكن ترشيح واستخلاص أي عناصر أرضية نادرة تتدفق مع مياه الصرف الصحي من منشآت التعدين. وقد لا تكون معدات الترشيح والاستخلاص هذه موجودة دائمًا على مخارج مياه الصرف الصحي. ^{[ 222 ] [ 223 ] [ 224 ]}