המתכות היקרות של הטבלה המחזורית
הזהב לא לבד. יש מתכות שעשויות לעלות עשרות אלפי דולר לקילוגרם, והיסודות הרדיואקטיביים אפילו יותר. כמה חסכונות צריך לשבור כדי לקנות גרם פלוטוניום?
בטבלה המחזורית יש יסודות רבים, השונים מאוד זה מזה בשכיחותם, בקלות השגתם ובמחירם. לצד החמצן (O) והחנקן (N), שזמינים עבורנו פחות או יותר בחינם באוויר שאנחנו נושמים, או יסודות נפוצים וזולים כמו פחמן (C) ואלומיניום (Al), יש גם יסודות יקרים במיוחד וכאלה שכלל אי אפשר להשיג בטבע או לייצר בכמויות גדולות. מהם היסודות היקרים האלה ולמה הם כך?
עוד כתבות מאתר מכון דוידסון לחינוך מדעי
איך צחוק מתגלגל? מעיין הנעורים שבוורידינו?פיתוח חדש: חיידקים עמידים לקרינה
המבנה קובע
ראשית, אחדים מהיסודות שנחשבים יקרים הם למעשה זולים למדי. כסף (Ag), למשל, נתפס כמתכת יקרה אך מחירו עומד על כ-500 דולרים לקילוגרם בלבד - טיפה בים לעומת המחירים שנראה בהמשך. אגב, אחד היסודות הזולים ביותר בטבלה המחזורית לפי משקל הוא ברזל (Fe), שעולה כמה מאות דולרים לטונה, כלומר רק עשרות סנט לק"ג. גם הגופרית זולה מאוד.
יש יסודות שרק צורות מסוימות שלהם עולות הרבה. הדוגמה המתבקשת היא היהלום - צורה נדירה ויקרה של היסוד פחמן, שבה האטומים מסודרים במבנה שונה מהצורות הנפוצות יותר של היסוד: פחם או גרפיט. יהלומים טבעיים, ללא פגמים ובאיכות גבוהה ביותר עשויים להגיע למחיר של עשרות אלפי דולרים לגרם.
דוגמה אחרת היא איזוטופים רדיואקטיביים של יסודות שיש להם איזוטופים יציבים. איזוטופים שונים של אותו יסוד הם אטומים בעלי מספר זהה של פרוטונים אך מספר שונה של ניטרונים בגרעין האטום. שינוי כזה אינו משפיע בדרך כלל על תכונותיהם הכימיות של היסודות, אלא רק על תכונותיהם הגרעיניות (למשל רדיואקטיביות), ועל מאפייניהם הפיזיקליים (למשל צפיפות).
לדוגמה, טריטיום (T או H3) הוא איזוטופ רדיואקטיבי שימושי, נדיר ויקר מאוד של מימן - שהוא יסוד זול בדרך כלל. טריטיום הוא חומר נדיר במיוחד שמחירו עשוי להגיע ל-30 אלף דולר לגרם. כמובן, ברוב השימושים נדרשות רק כמויות קטנות שלו.
דוגמאות נוספות ליסודות שנחשבים יקרים רק בצורות מסוימות הם בורון (B) ופלואור (F). היסודות האלה זולים ונפוצים למדי כחלק מתרכובות, אך יקרים למדי בצורתם הטהורה. את הבורון קשה מאוד לייצר כיסוד טהור בלי זיהומים, ואילו הפלואור פעיל מאוד (ריאקטיבי) כך שאפילו אחסונו בלי שיאכל את הכלי שבו הוא מוחזק הוא משימה מאתגרת. עקב כך שניהם עולים כמה אלפי דולרים לק"ג למי שצריך אותם כיסודות נקיים.
גם צזיום (Cs) ורובידיום (Rb) הן מתכות פעילות מאוד ולכן הן מופיעות בטבע רק כמלחים - תרכובות של יוני המתכת עם יונים אחרים. המלחים האלה זולים יחסית, אך מי שרוצה את היסודות האלו במצב של מתכות טהורות יצטרך לשלם יותר מעשרת אלפים דולר לק"ג, עקב הקושי להפיק אותן מהמלחים שלהן.
לא כל הנוצץ זהב
פרט לאלה, כל היסודות היקרים האחרים בטבלה המחזורית - שעולים אלפי דולרים לקילוגרם או יותר - הם מתכות.
הקבוצה הראשונה כוללת את המתכות מקבוצת הפלטינה - רותניום (Ru), רודיום (Rh), פלדיום (Pd), אוסמיום (Os) אירידיום (Ir) וכמובן פלטינה (Pt). היסודות הללו דומים זה לזה, מופיעים בדרך כלל ביחד בטבע ותמיד בכמויות קטנות מאוד וקשים להפקה, כך שכרייתם אינה כלכלית. לכן הם מופקים כתוצרי לוואי של כריית מתכות אחרות, ובעיקר ניקל (Ni).
המחיר שלהם הוא בהתאם. פרט לרותניום, כל היסודות האלה עולים יותר מעשרת אלפים דולר לק"ג, ובדרך כלל פי כמה מזה. היקר ביותר הוא הרודיום, אף על פי שדווקא האוסמיום נדיר יותר - למעשה הוא היסוד היציב הנדיר ביותר בקרום כדור הארץ: פחות מאלף קילוגרם ממנו מופקים בעולם מדי שנה, כך שמעדיפים למצוא לו תחליפים אחרים והביקוש הקטן מפחית את מחירו. הרותניום זול רק בהשוואה לאחרים ועולה כמה אלפי דולר לק"ג.
כל היסודות הללו אדישים למדי מבחינה כימית - כלומר אינם מגיבים בקלות עם יסודות אחרים ולכן ממעטים להתחמצן או לעבור קורוזיה - התהליך שבו ברזל, למשל, הופך לחלודה במגע עם חמצן. התכונה הזאת תורמת למחירם הגבוה ולשימושים שלהם. למשל, המטר הסטנדרטי והקילוגרם הסטנדרטי, ששימשו להגדרת היחידות, עשויים מסגסוגת של פלטינה ואירידיום.
פלטינה משמשת בעיקר לייצור תכשיטים ומכונה בשל כך "זהב לבן", אבל יש לה גם שימושים תעשייתיים ורפואיים. שאר היסודות בקבוצה משמשים בעיקר בתעשייה, למשל כזרזים בממירים קטליטיים, הנמצאים בכל מכונית ותפקידם להקטין את זיהום האוויר הנפלט.
מתכת נוספת שעלותה גבוהה היא כמובן הזהב (Au) המוכר לנו היטב. מדובר ביסוד אדיש כימית ויקר, אך הוא בעל תכונות כימיות שונות מקבוצת הפלטינה ואינו מופיע בטבע יחד עם המתכות מהקבוצה הזאת.
מחיר הזהב נע סביב 40-30 אלף דולר לק"ג - בדרך כלל זול יותר מפלטינה ורודיום אך יקר משאר המתכות בקבוצת הפלטינה, בהתאם לתנודות המחירים בשוק. רניום (Re) אף הוא מתכת נדירה ויקרה, אך מחירו נמוך יותר ועומד על כמה אלפי דולר לק"ג.
הקשים להשגה
קבוצה נוספת של מתכות יקרות הן נדירות בטבע או קשות להפקה. לא פעם הן מופיעות בריכוזים נמוכים מאוד, לצד יסודות הדומים להן בתכונותיהם, כך שלא פשוט לחלץ אותן מהעפרות.
הקבוצה הזאת כוללת בין השאר את הסקנדיום (Sc), הדומה לאלומיניום בתכונותיו. מדובר ביסוד פעיל למדי מבחינה כימית ואף אינו נדיר במיוחד. הקושי למצוא ולהפיק אותו נובע מכך שהוא אינו מרוכז בכמות גדולה בשום מקום. ולכן גם הוא יקר מאוד - יותר מ-10,000 דולר לק"ג.
תליום (Tl) הוא יסוד רעיל מכיוון שהגוף מתקשה להבחין בינו לבין אשלגן, שחיוני לתהליכים ביולוגיים רבים. הוא יקר מאוד עקב הקושי להפיק אותו ונדירותו, ועולה כמה אלפי דולרים לק"ג. גם הלנתנידים (קבוצת מתכות שמספריהן האטומיים בין 57 ל-71) לוטציום (Lu) ותוליום (Tm) עולים כ-10,000 דולר. בעבר לוטציום היה קשה עוד יותר להפקה ולכן יקר יותר, והוא גם הלנתניד האחרון שהתגלה בטבע, ואחד היסודות היציבים האחרונים שנמצאו. כל אלה יקרים מכדי שהפקתם תשתלם כלכלית, והם מופקים רק כתוצרי לוואי של הפקת מתכות אחרות.
זהירות, קרינה
הקבוצה השלישית של מתכות יקרות מורכבת מיסודות רדיואקטיביים. יש בטבע לא מעט יסודות רדיואקטיביים, אולם רק אורניום (U) ותוריום (Th) מופיעים בכמויות גדולות, והם זולים למדי. את כל שאר היסודות הרדיואקטיביים, זולת פלוטוניום, אי אפשר להשיג בכמויות שעולות על כמה קילוגרמים. ברובם הכמות הכוללת שיוצרה אי פעם מסתכמת בגרמים ספורים, אם לא פחות מכך.
חלק מהיסודות האלה פשוט נדירים מדי וקיימים בכמויות זעירות – למשל אקטיניום (Ac) ואסטטין (At). אחרים דווקא נוצרים בשפע בכורים גרעיניים, אך בדרך כלל לא מופרדים משאר הפסולת הגרעינית – למשל, טכנציום (Tc) ונפטוניום (Np). לחלופין, הם אינם קיימים בטבע כלל ומיוצרים בכורים גרעיניים בכמויות קטנות בלבד. למשל הכמות הכוללת של אמריציום (Am) וקיריום (Cm) שיוצרה אי פעם בעולם מסתכמת בקילוגרמים ספורים, והיסודות הכבדים מהם יוצרו בכמויות קטנות אפילו יותר.
רוב הכורים הגרעיניים בעולם משמשים לייצור חשמל, וכל יסוד כבד מפלוטוניום שהם מייצרים הוא בדרך כלל תוצר לוואי - לפעמים רצוי - של פעילות הכור. ההפצה של היסודות הללו מוגבלת ורק מעבדות מורשות יכולות להשיג אותם. למשל גם אם אתם רוצים מאוד פלוטוניום להפעלת מכונת הזמן במכונית הדלוריאן שלכם, לא תוכלו להשיג אותו בצורה חוקית בארצות הברית או בישראל.
אם כבר הקמתם מוסד מתאים ומורשה לטיפול בחומרים רדיואקטיביים, כמו מכון מחקר או צבא, עדיין תצטרכו לשלם - והרבה. כמה הרבה? המון!
ייצור פלוטוניום עבור נשק גרעיני דורש הקמת כור ומתקנים ייעודיים להפרדת הפלוטוניום. לכן מחירו של פלוטוניום באיכות מספקת לשימוש צבאי עומד כנראה על מאות דולרים לגרם, אם לא למעלה מזה, כלומר מאות אלפי דולר לק"ג, יקר פי כמה עשרות מזהב. מאחר שפצצה גרעינית דורשת לפחות 4 ק"ג פלוטוניום, חומר הגלם לכלי נשק כזה עולה יותר ממיליון דולר. וכאמור, אין כמעט שוק לחומר הזה, כך שמדובר בעלות הייצור.
אורניום מועשר לרמת נשק, כלומר שלפחות 93 אחוז ממנו הוא האיזוטופ אורניום 235, זול הרבה יותר ועולה בערך כפליים מזהב - עד מאה אלף דולר לק"ג. גם כאן מדובר בעלות הייצור, שכן החומר נתון לבקרה הדוקה ואדם פרטי או חברה מסחרית אינם יכולים להשיגו.
את שאר היסודות הרדיואקטיביים אין טעם לתמחר בקילוגרמים, שכן כל הכמות שלהם שיוצרה אי פעם עומדת על קילוגרמים בודדים או פחות. העלות של קיריום ואמריציום, שאפילו נעשה בו שימוש מסחרי בגלאי עשן, דומה לפלוטוניום או מעט יקרה יותר: בערך מאתיים דולר לגרם קיריום, וכאלף דולר לגרם אמריציום. מאחר שבגלאי עשן ממוצע יש פחות ממיליונית הגרם אמריציום, המחיר עבור השימוש הזה נמוך למדי.
קליפורניום (Cf) הוא היסוד הכבד ביותר שיש לו שימושים תעשייתיים מחוץ למעבדה, והוא יקר להחריד: מיליונית הגרם עולה כמה עשרות דולרים, כלומר עשרות מיליוני דולר לגרם. אולם הכמות הכוללת שיוצרה אי פעם נמדדת בגרמים, וכל השימושים שלו מתבססים על פליטת הניטרונים החזקה שלו כתוצאה מהרדיואקטיביות שלו, ולכן מספיקות כמויות זעירות. בעבר, הצריכה השנתית בעולם כולו הסתכמה ב-150 מיליגרם בשנה. לכן, גם השימושים הללו אינם יקרים במיוחד.
לברקליום (Bk), היסוד האחרון הכבד מאורניום שאפשר לייצר בכמויות גדולות יחסית של עשרות או מאות מיליגרמים, אין כמעט שום שימוש מחוץ למעבדה. הוא יקר אף יותר מקליפורניום – כ-200 דולר למיליונית הגרם, כלומר פי יותר מחמישה מיליון ממחירו של זהב במשקל דומה.
בין היסודות הרדיואקטיביים הקלים מאורניום, היחיד שיש לו שימוש נרחב יחסית מחוץ למעבדות הוא פולוניום (Po), בצורת האיזוטופ פולוניום 210. גם הוא יקר מאוד ועולה פי כמה מאות או אלפים מזהב. גם בו השימוש מוגבל בדרך כלל לכמויות זעירות של מיליגרמים אחדים. עם זאת, התוצרת השנתית בעולם רבה יחסית ליסוד מלאכותי כזה: מיוצרים כמאה גרם בשנה, וכולם באופן מכוון, שכן הוא איננו תוצר לוואי של כורים גרעיניים ונדרש מאמץ מיוחד לייצרו שם. בין השאר, פולוניום 210 שימש להתנקשות בחיי המרגל הרוסי אלכסנדר ליטוויננקו.
להיות אלכימאים
האלכימאים בימי הביניים חלמו להפוך עופרת לזהב. האם בימינו אפשר לייצר יסודות נדירים ויקרים מיסודות זולים יותר, כמו שאנחנו מייצרים יסודות כבדים מאורניום בכורים גרעיניים? אומנם הפיכת עופרת לזהב היא פעולה מאוד לא משתלמת, אך לפחות להלכה אפשר לסנתז את רוב המתכות היקרות במעבדה מיסודות אחרים.
יש שתי שיטות אפשריות לעשות את זה. הראשונה מתבססת על כך שהמתכות הקלות בקבוצת הפלטינה - רותניום, רודיום ופלדיום - הן גם תוצרים של ביקוע גרעיני, ולכן קיימות בפסולת גרעינית. כלומר אפשר להתייחס לביקוע גרעיני של אורניום כהפיכת אורניום זול למתכות יקרות. הפקתן בצורה זאת נשקלה בעבר, וגם הפקה של המתכת כסף שנוצרת אף היא במהלך ביקוע גרעיני. עם זאת, נראה כי בשל הקושי להיפטר מהזיהום הרדיואקטיבי של התוצרים והעלות הגבוהה של התהליך, עקב הצורך להתמודד עם פסולת רדיואקטיבית מאוד, התהליך הזה אינו כלכלי.
השיטה השנייה מתבססת על הקרנת יסוד בניטרונים בכור גרעיני כדי להפוך אותו ליסוד אחר, בדרך כלל במרחק של מקום אחד או שניים אחריו בטבלה המחזורית. בשיטה זו אחד מהניטרונים שנקלט בגרעין הופך לפרוטון (פולטים אלקטרון), וכך היסוד הופך ליסוד כבד יותר. הבעיה היא שהיסודות היקרים, כפי שראינו, נוטים להיות קרובים זה לזה, כך שכדי לייצר יסוד יקר בשיטה הזאת צריך בדרך כלל להתחיל מיסוד זול יותר אך יקר כשלעצמו. למשל לייצור זהב צריך פלטינה, שהיא כאמור יקרה מאוד בפני עצמה, או כספית – שתיצור בעיקר איזוטופים רדיואקטיביים של זהב.
אפשרויות אחרות שנשקלו בעבר כללו הפיכת טונגסטן (W) לרניום (Re), רניום לאוסמיום (Os), אוסמיום לאירידיום (Ir) ואירידיום לפלטינה, וגם רותניום לרודיום. כל אלו לא בוצעו מעולם בצורה מסחרית ולא נראה שתהליך כזה יהיה כלכלי בזמן הנראה לעין. הסיבות לכך דומות: השיטה יקרה למדי ועלולה לייצר זיהום רדיואקטיבי בתוצר, דבר שכמובן יוריד מאוד את ערכו. עם זאת, אולי בבוא היום אכן נצליח לשכלל טכניקות כאלה כדי לייצר מתכות יקרות ממתכות זולות יותר. –במילים אחרות - להיות אלכימאים!
אורי טייכמן, סטודנט לתואר שני בכימיה במכון ויצמן וכתב באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי
לפנייה לכתב/ת 
