稀土元素知识学习

一、稀土元素简介稀土，曾称稀土金属，或称稀土元素，是元素周期表第Ⅲ族副族元素钪、钇和镧系元素共17种化学元素的合称。稀土是制造被称为“灵巧炸弹”的精密制导武器、雷达和夜视镜等各种武器装备不可缺少的元素。因其天然丰度小，又以氧化物或含氧酸盐矿物共生形式存在，故叫“稀土”。1.基本简介稀土金属，或称稀土元素，是元素周期表第Ⅲ族副族元素钪、钇和镧系元素共17种化学元素的合称。钪和钇因为经常与镧系元素在矿床中共生，且具有相似的化学性质，故被认为是稀土元素。与其名称暗示的不同，稀土元素（钷除外）在地壳中的丰度相当高，其中铈在地壳元素丰度排名第25，占0.0068%（与铜接近）。然而，由于其化学性质，稀土元素很少富集到经济上可以开采的程度。稀土元素的名称正是源自其匮乏性。人类第一种发现的稀土矿物是从瑞典伊特比村的矿山中提取出的硅铍钇矿，许多稀土元素的名称正源自于此地。2.元素组成稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc）和钇(Y）共17种元素，称为稀土元素。周期系ⅢB族中原子序数为21、39和57～71的17种化学元素的统称。其中原子序数为57～71的15种化学元素又统称为镧系元素。稀土元素的共性是：①它们的原子结构相似；②离子半径相近（REE3+离子半径1.06×10^-10m~0.84×10^-10m，Y3+为0.89×10^-10m）；③它们在自然界密切共生。稀土元素有多种分组方法，目前最常用的有两种：两分法：铈族稀土，La-Eu，亦称轻稀土（LREE）钇族稀土，Gd-Lu+Y，亦称重稀土（HREE）两分法分组以Gd划界的原因是：从Gd开始在4f亚层上新增加电子的自旋方向改变了。而Y归入重稀土组主要是由于Y3+离子半径与重稀土相近，化学性质与重稀土相似，它们在自然界密切共生。也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外（有的将钪划归稀散元素），划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷；中稀土组为钐、铕、钆、铽、镝；重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇。三分法：轻稀土为La~Nd；中稀土为Sm~Ho；重稀土为Er~Lu+Y。3.基本特性稀土元素是周期表中IIIB族钪、钇和镧系元素之总称。其中钷是人造放射性元素。他们都是很活泼的金属，性质极为相似，常见化合价+3，其水合离子大多有颜色，易形成稳定的配化合物。溶剂萃取和离子交换是目前分离稀土的较好方法。镧、铈、镨、钕等轻稀土金属，由于熔点较低，在电解过程可呈熔融状态在阴极上析出，故一般均采用电解法制取。可用氯化物和氟化物两种盐系，前者以稀土氯化物为原料加入电解槽，后者则以氧化物的形式加入。4.稀土矿物在自然界中主要矿物有独居石、铈硅石、铈铝石、黑稀金矿和磷酸钇矿。因其天然丰度小，又以氧化物或含氧酸盐矿物共生形式存在，故得名。已经发现的稀土矿物有250种以上，最重要的有氟碳铈镧矿[（Ce，La）FCo3]、独居石[CePO4，Th3（PO4）4]、磷钇石（YPO4）、黑稀金矿[(Y，Ce，Ca)(Nb，Ta，Ti)2O6]、硅铍钇矿（Y2FeBe2Si2O10）、褐帘石[（Ca，Ce）2(Al，Fe)3Si3O12]、铈硅石[（Ce，Y，Pr）2Si2O7•H2O]。现已查明，稀土元素并不稀少，特别是中国的稀土资源十分丰富，有开采价值的储量占世界第一位。5.元素用途大多数稀土元素呈现顺磁性。钆在0℃时比铁具更强的铁磁性。铽、镝、钬、铒等在低温下也呈现铁磁性，镧、铈的低熔点和钐、铕、镱的高蒸气压表现出稀土金属的物理性质有极大差异。钐、铕、钇的热中子吸收截面比广泛用于核反应堆控制材料的镉、硼还大。稀土金属具有可塑性，以钐和镱为最好。除镱外，钇组稀土较铈组稀土具有更高的硬度。稀土元素已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。常用的氯化物体系为KCl-RECl3他们在工农业生产和科研中有广泛的用途，在钢铁、铸铁和合金中加入少量稀土能大大改善性能。用稀土制得的磁性材料其磁性极强，用途广泛。在化学工业中广泛用作催化剂。稀土氧化物是重要的发光材料、激光材料。中国拥有丰富的稀土矿产资源，成矿条件优越，堪称得天独厚，探明的储量居世界之首，为发展中国稀土工业提供了坚实的基础。6.发展历程稀土一词是历史遗留下来的名称。稀土元素（RareEarthElement）是从18世纪末叶开始陆续发现，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土。稀土一般是以氧化物状态分离出来的，又很稀少，因而得名为稀土（RareEarth，简称RE或R）。这些稀土元素的发现，从1794年芬兰人加多林（J。Gadolin）分离出钇到1947年美国人马林斯基（J。A。Marinsky）等制得钷，历时150多年。其中大部分稀土元素是欧洲的一些矿物学家、化学家、冶金学家等发现制取的。钷是美国人马林斯基、格兰德宁（L。E。Glendenin）和科列尔（C。D。Coryell）用离子交换分离，在铀裂变产物的稀土元素中获得的。过去认为自然界中不存在钷，直到1965年，芬兰一家磷酸盐工厂在处理磷灰石时发现了少量的钷。二、稀土氧化物稀土元素氧化物是指元素周期表中原子序数为57到71的15种镧系元素氧化物，以及与镧系元素化学性质相似的钪（Sc）和钇（Y）共17种元素的氧化物。稀土元素在石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料等领域都得到了广泛的应用，随着科技的进步和应用技术的不断突破，稀土氧化物的价值将越来越大。1.氧化镧La2O3分子量325．84，白色无定形粉末。密度6．51g/cm3。熔点2217℃。沸点4200℃。微溶于水，易溶于酸而生成相应的盐类。露置空气中易吸收二氧化碳和水，逐渐变成碳酸镧。灼烧的氧化镧与水化合放出大量的热。应用领域主要用于制造精密光学玻璃、高折射光学纤维板，适合做摄影机、照相机、显微镜镜头和高级光学仪器棱镜等。还用了制造陶瓷电容器、压电陶瓷掺入剂和X射线发光材料溴氧化镧粉等。2.氧化铈铈的氧化物的总称。常见者有三氧化二铈(diceriumtrioxide，Ce2O3)和二氧化铈(ceriumdioxide，CeO2)。在三氧化二铈与二氧化铈之间存在相当多的氧化物物相，均不稳定。三氧化二铈具有稀土倍半氧化物的六方结构。熔点2210℃。沸点3730℃。对空气敏感。在一氧化碳气氛中，1250℃温度下加热二氧化铈和碳粉的混合物即可制得。主要用作催化剂。二氧化铈是最重要的、具有代表性的铈的氧化物。具有萤石结构。黄色固体(纯品为白色)。熔点2600℃。不溶于水。难溶于硫酸、硝酸。在空气中加热铈、氢氧化铈(III)或草酸铈(III)均可制得二氧化铈。用于镜头抛光剂。二氧化铈在低温、低压下形成缺氧物相，例如CenO2n-2(n=4，6，7，9，10，11)，通常呈蓝色。Ce6O11，蓝色固体。Ce7O12，在CeO2晶胞结构基础上短缺七分之一的氧，蓝黑色固体，熔点1000℃(分解)。Ce9O16暗蓝色固体，熔点625℃(分解)。Cel0O18，在CeO2晶脆结构基础上短缺十分之一的氧，暗蓝色固体，熔点575～595℃(分解)。Ce11O2O，暗蓝色固体，熔点435℃(分解)。它们在半导体材料、高级颜料及感光玻璃的增感剂、汽车尾气的净化器方面有广泛应用。3.氧化镨性质：氧化镨也有多种，其中最稳定为Pr6O11，黑色三斜结构。其余为PrO1.65，体心立方。PrO1.714，斜方，PrO1.800单斜，都为黑色。制备方法同于氧化铈。可以用来制备变阻材料及颜料等。4.氧化铷氧化铷（Rb2O），是铷的氧化物之一，呈黄色，有很强的潮解性。铷在空气中燃烧时，主要生成的是过氧化铷，只有少量的氧化铷和超氧化铷生成。当金属铷被露置于空气中时，它会很快氧化，失去金属光泽，并产生一系列有颜色的氧化产物。其中生成了铷的低氧化物，例如青铜色的Rb6O和红棕色的Rb9O2。铷最终的氧化产物主要是过氧化铷。三、17种稀土元素简介镧镧：原子序数57，原子量138.9055，元素名来源于希腊文，原意是“隐蔽”。镧1839年瑞典化学家莫桑德尔从粗硝酸铈中发现镧，并确认是一种新元素。镧在地壳中的含量为0.00183%，是稀土元素中含量最丰富的一个。镧有两种天然同位素：镧139和放射性镧138。银白色的软金属，有延展性。化学性质活泼。易溶于稀酸。在空气中易氧化；加热能燃烧，生成氧化物和氮化物。在氢气中加热生成氢化物，在热水中反应强烈并放出氢气。镧存在于独居石沙和氟碳铈镧矿中。易溶于稀酸。镧为可锻压、可延展的银白色金属，质软可用刀切开；熔点921°C，沸点3457°C，密度6.174克/厘米³。镧化学性质活泼，在干燥空气中迅速变暗，在冷水中缓慢腐蚀，热水中加快；镧可直接与碳、氮、硼、硒、硅、磷、硫、卤素等反应；镧的化合物呈反磁性。高纯氧化镧可用于制造精密透镜；镧镍合金可做储氢材料，六硼化镧广泛用作大功率电子发射阴极。铈周期系第ΙΙΙ族副族镧系元素，一种稀土元素。原子序数58。稳定同位素：136、138、140、142。灰色金属，有展性。密度：正方晶体6.9，立方晶体6.7。熔点799℃，沸点3426℃。铈是一种银灰色的活泼金属，粉末在空气中易自燃，易溶于酸。铈的名称来源于小行星谷神星的英文名。铈在地壳中的含量约0.0046%，是稀土元素中丰度最高的。金属铈主要做还原剂。灰色活泼的金属，是镧系金属中自然丰度最高的一种。弯折铈条时常迸溅出火星。铈在室温下很容易氧化，在空气中很容易失去光泽，用刀刮即可在空气中燃烧（纯的铈不易自燃，但稍氧化或与铁生成合金时，极易自燃）。加热时，在空气中燃烧生成二氧化铈。能与沸水作用产生氢氧化铈，溶于酸，不溶于碱。铈也能在卤素中燃烧，如在氯气中燃烧，产生三氯化铈(CeCl3)：2Ce+3Cl2==Δ(或点燃)==2CeCl3。受低温和高压时，出现一种反磁性体，比普通形式的铈致密18%。用于制造打火石、陶瓷和合金等。铈是除铕外稀土元素中最活泼的。铈在冷水中缓慢反应，在热水中反应加快。用作还原剂、催化剂。用作合金添加剂，及用于生产铈盐等，也用于医药、制革、玻璃、纺织等工业。铈可作催化剂、电弧电极、特种玻璃等。铈的合金耐高热，可以用来制造喷气推进器零件。镨镨，原子序数59，原子量140.90765，元素名来源于希腊文，原意是“绿色”。1841年瑞典化学家莫桑德尔从铈土中得到镨、钕的混合物；1885年奥地利的韦耳斯拔从中分离出绿色的镨盐和玫瑰色的钕盐，确定它们是两种新元素。镨在地壳中的含量约0.000553%，常于其它稀土元素共生于许多矿物中。天然稳定同位素只有镨141。镨是一种银白色的，中等柔软的金属元素，是镧系元素，在空气中抗腐蚀能力比镧、铈、钕和铕都要强，但暴露在空气中会产生一层易碎的绿色氧化物，所以纯镨必须在矿物油或密封塑料中保存。镨的熔点931°C，沸点3512°C，密度6.773g/cm3;。镨在空气中缓慢形成绿色易碎氧化物层；镨通常以三价氧化态存在。三氧化二镨可用于制造优良的高温陶瓷材料，也用于制造绿色的镨玻璃；镨在石油化工方面可用作催化剂。常用来制造有色玻璃、搪瓷和陶瓷；制造特种合金和用作催化剂。镨钕的混合氧化物，常用来制造遮光眼镜，作为电焊工和玻璃工的防护镜。镨和镁一起用于制造飞机引擎的合金中；用于碳弧光照明的碳芯中；镨的氧化物用于为玻璃或珐琅添加黄色；镨和钕的混合物可以用于制造电焊和玻璃制造使用的护目镜。镨钕环烷—烷基铝—氯化烷基铝三元体系催化剂用于合成橡胶。钕钕为银白色金属，熔点1024°C，密度7.004g/cm³。钕是最活泼的稀土金属之一，在空气中能迅速变暗，生成氧化物；在冷水中缓慢反应