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1、一稀土元素的簡(jiǎn)介和性質(zhì) 二 . 稀土元素的應(yīng)用 三 . 稀土元素的分離 四 . 稀土元素的制備 稀土元素 的組成 稀土元素 的發(fā)現(xiàn) 稀土元素的 化學(xué)性質(zhì) 稀土元素的 物理性質(zhì) 稀土元素的組成 稀土元素 ：周期系 B族中原子序數(shù)為 21、 39和 57 71的 17種化學(xué)元素的統(tǒng)稱(chēng)。 其中原子序數(shù)為 57 71的 15種化學(xué)元 素又統(tǒng)稱(chēng)為鑭系元素。 稀土元素包括鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、 钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、 镥。 稀 土 元 素 的 發(fā) 現(xiàn) 稀土金屬是芬蘭學(xué)者加多林 (Johan Gado1in)在 1794年發(fā)現(xiàn)的。 當(dāng)時(shí)在瑞典的礦石中發(fā)現(xiàn)了礦物 組成類(lèi)似“土”狀物而存在的

2、釔 土，且又認(rèn)為稀少，便定名為 (Baxe Earth)。 氧化物穩(wěn)定。 比其他金屬元素都活潑。 燃點(diǎn)低。 氧化物熔點(diǎn)高，生成自由能負(fù)值大。 稀土元素的性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)， 下面是稀土元素的原子結(jié)構(gòu)和一些重要性質(zhì)。 （ 1）電子構(gòu)型角度： 稀土元素在基態(tài)時(shí)的電子排布特征 是最后填充的電子大都進(jìn)入 4f亞層，只有 釔和鑭例外，下表列出稀土元素原子和 離子（ RE3+）的電子結(jié)構(gòu)及某些性質(zhì)。 圖 -1 稀土元素的原子性質(zhì)圖 從上表中可 看到 ， La有 4f空軌道 ， Gd的 4f軌道 為半充滿(mǎn) ， Lu的 4f軌道 為全充滿(mǎn) ， 這些都是穩(wěn) 定的電子構(gòu) 型 。 （ 2）原子半徑和離子半徑角

3、度 鑭系元素的原子半徑及 Ln3+離子半徑 ， 在總的趨勢(shì)上 都隨著原子核電荷數(shù)的增大 而減小 ， 這一現(xiàn)象叫做 鑭系 收縮 。 在鑭系 原子半徑收 縮的過(guò)程 中，有兩處 突躍。 即銪和 鐿的原子半 徑突然增 大，在圖中 在銪和鐿處 出現(xiàn)了兩個(gè) 峰值。 由于銪和鐿各自具有半充滿(mǎn)和全充滿(mǎn)的 4f 亞層，這一相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)對(duì)核電荷的屏 蔽較大，所以原子半徑明顯增大。 離 子 半 徑 稀土元素的重要化合物 氫氧化物 氧化物 堿性氧化物 配合物 類(lèi)型 和 數(shù)目 比 d過(guò)渡元素要少得多。 Ln3+離子半徑較大，配合物穩(wěn)定 性差。 Ln3+與配位體之間的作用力很弱， 主要通過(guò) 靜電作用 。 配合物 大部分

4、稀土金屬呈 緊密六方晶格 或 面 心立方晶格 結(jié)構(gòu)，只有釤為菱形結(jié)構(gòu)，銪為 體心立方結(jié)構(gòu)。 具有 4f0構(gòu)型的 La3+、 Ce3+和 4f14的 Yb2+、 Lu3+，因無(wú)成單電子而呈 反磁性 ，而具有 4f113構(gòu)型的鑭系元素及其化合物，則因含有 成單電子而表現(xiàn) 順磁性 。 Sc Y La Ce Pr Nd Pm Sm Eu 密度 (g/cm3) 2.99 4.47 6.19 6.77 6.78 7.00 7.54 5.26 熔點(diǎn) ( ) 1539 1509 920 795 935 1024 1072 826 Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 密度 (g/cm3) 7.88

5、8.27 8.54 8.80 9.05 9.33 6.98 9.84 熔點(diǎn) ( ) 1312 1356 1407 1461 1497 1545 824 1652 +3氧化態(tài)鑭系元素離子多數(shù)有顏色，如果陰離子 為無(wú)色，在結(jié)晶鹽和水溶液中都保持 Ln3+的特征顏色 離子的顏色似乎決定于 f層中的未成對(duì)的電子數(shù)。 當(dāng)三價(jià)離子具有 fn和 f14-n電子構(gòu)型時(shí)，它們的顏色是相 同相近的。這就是 Ln3+離子顏色的周期性變化。 M a g i c Rare earth element 工業(yè)領(lǐng)域 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 醫(yī) 藥 領(lǐng) 域 1. 稀土在冶金工業(yè)中應(yīng)用量 很大 ， 約占稀土總用量的 1/3。 鋼水中加入稀土

6、， 可起脫 硫脫氧改變夾雜物形態(tài)作用； 鑄鐵中稀土作為石墨球化 劑 、 形核劑核對(duì)有害元素的控 制劑 ， 提高鑄件質(zhì)量 ， 改善機(jī) 械性能 。 有色合金方面 ， 可改善合 金的物理和機(jī)械性能 。 應(yīng)用最 多的使鋁 、 鎂 、 銅三個(gè)系列 。 稀 土 元 素 在 工 業(yè) 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 1.冶金工業(yè)領(lǐng)域 2.石油化工領(lǐng)域 3.玻璃工業(yè)領(lǐng)域 4.陶瓷工業(yè)領(lǐng)域 5.電光源工業(yè)領(lǐng)域 6.材料工業(yè)領(lǐng)域 2. 在石油裂化工業(yè)中，稀土分 子作為篩裂化催化劑，活性高、 選擇性好、汽油的生產(chǎn)率高。 可以用于石油裂化、合成 橡膠等工業(yè)。近來(lái)，科學(xué)家正 致力于研究用稀土金屬作為汽 車(chē)尾氣凈化的催化劑。稀土在 這

7、方面的用量很大。 3. 稀土在玻璃工業(yè)中有三個(gè) 應(yīng)用： 玻璃著色 、 玻璃脫色 和 制備特種性能的玻璃 。 釹玻璃為粉紅色并帶有紫 色光澤、鐠玻璃為綠色 (制造濾 光片 )等； 二氧化鈰可將玻璃中呈黃 綠色的二價(jià)鐵氧化為三價(jià)而脫 色，還可以加入氧化釹進(jìn)行物 理脫色； 稀土特種玻璃如鈰玻璃 (防 輻射玻璃 )、鑭玻璃 (光學(xué)玻璃 )。 4. 稀土可以加入陶瓷和瓷釉 之中 ， 減少釉和破裂并使其 具有光澤 。 但更主要用做陶 瓷的顏料 ， 它可使陶瓷的顏 色更柔和 、 純正 ， 色調(diào)新穎 ， 光潔度好 。 稀土氧化物還可 以制造耐高溫透明陶瓷 (應(yīng)用 于激光等領(lǐng)域 )、 耐高溫坩堝 (冶金 )。

8、5. 稀土作為熒光燈的發(fā) 光材料 ， 是節(jié)能性的光 源 ， 特點(diǎn)是光效好 、 光 色好 、 壽命長(zhǎng) 。 比白熾 燈可節(jié)電 75 80%。 優(yōu)點(diǎn) ： 電動(dòng)機(jī)的效率增強(qiáng)； 電動(dòng)汽車(chē)起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力會(huì)大大 增加而體積卻大大減??； 家用電器能耗顯著降低； 有廣泛的應(yīng)用前景 ， 如：磁懸浮 高速列車(chē) ， 自動(dòng)化高速公路 。 缺點(diǎn) ：成本變高 磁性材料 結(jié)構(gòu)材料： 使鋼鐵得到良好特性 超導(dǎo)材料： 混合稀土 -鋇 -銅 -氧超導(dǎo)體 貯氫材料： 高容量充電電池的電極。 發(fā)光材料： 節(jié)能光源 大面積超薄型顯示屏 （ 1） 、 微合金化作用 （ 3） 、 與其它有害元素的作用 （ 2） 、 捕氫作用 （ 4） 、

9、稀土元素的脫硫 、 脫氧 鋼液中 加稀土 凈化的 鋼液 復(fù)雜的 硫化物 降至 201ppm 稀土元素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 增加經(jīng)濟(jì)效益 增加作物產(chǎn)量 改善作物品質(zhì) 增強(qiáng)作物抗逆性 對(duì)消化系統(tǒng)作用 對(duì)內(nèi)分泌系統(tǒng)作用 對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用 對(duì)人體皮膚的作用 對(duì)人體癌腫及愛(ài)滋病毒的作用 稀土元素在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 稀土是一種低毒性物質(zhì)，其毒性與鐵差 不多， 適量 攝人，有助于提高機(jī)體的免疫力； 但是，大量補(bǔ)充則會(huì)造成對(duì)機(jī)體的危害。 稀土有促進(jìn)保護(hù)效應(yīng)。大量的實(shí)驗(yàn)表明，稀 土可促進(jìn)細(xì)胞的活性；對(duì)胰島素細(xì)胞的分泌 有調(diào)節(jié)作用，對(duì)胃粘膜起保護(hù)作用。 稀土是有效的殺菌物。稀土化合物在醫(yī)藥方面 的應(yīng)用顯示其特點(diǎn)及優(yōu)越性

10、，對(duì)于改善藥物的 性能、提高藥效找到了新的途徑。 直接食用稀土元素（或離子）濃 度過(guò)大，可能是致癌、促癌的原因之 一。然而取食于動(dòng)植物，從而獲取稀 土有機(jī)物，看來(lái)既安全又有益。 稀土雜多配合物顯示出較強(qiáng)的抗 愛(ài)滋病毒活性及較低的細(xì)胞毒性，是 目前為止發(fā)現(xiàn)的一種較好的抗愛(ài)滋病 毒雜多配合物。 從大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中可以看出 REC13對(duì)鼠腺垂體 細(xì)胞有作用；對(duì)甲狀腺結(jié)構(gòu)變化有影響。 一是 鑭系元素之間的物理性質(zhì)和化學(xué) 性質(zhì)十分相似 二是 混合稀土化合物中伴生的雜質(zhì)元 素較多（如鈾、釷、鈦、鐵、等）。 分步法 分步法 是 利用化合物在溶劑中溶解的難易程 度（溶解度）上的差別來(lái)進(jìn)行分離和提純的。 分步

11、析出 溶解 濃縮 加熱 但因?yàn)橄⊥猎刂g的溶解度 差別很小，必須重復(fù)操作多次才能 將這兩種稀土元素分離開(kāi)來(lái)。因而 這是一件非常困難的工作，全部稀 土元素的單一分離耗費(fèi)了 100多年 ，一次分離重復(fù)操作竟達(dá) 2萬(wàn)次， 對(duì)于化學(xué)工作者而言，其艱辛的程 度，可想而知。因此用這樣的方法 不能大量生產(chǎn)單一稀土。 離子交換法 陽(yáng)離子交換 樹(shù)脂填充于 柱子內(nèi) 待分離稀土 從上到下流 經(jīng)柱子 形成絡(luò)合物的 稀土就脫離離 子交換樹(shù)脂 稀土絡(luò)合 物分解 吸附于 樹(shù)脂上 離子交換法 優(yōu)點(diǎn) ：一次操作可以分離多個(gè)元素， 產(chǎn)品純度高。 缺點(diǎn) ：不能連續(xù)處理，一次操作 周期長(zhǎng)，成本高。 溶劑萃取法 優(yōu)點(diǎn) ：分離效果好、

12、生產(chǎn)能力大、便于 快速連續(xù)生產(chǎn)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 反萃取 洗滌 萃取 鑭系元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì) /V 從稀土元素的電極反 應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)值可知， 稀土金屬非常活潑， 且稀土氧化物的生成 熱很大，十分穩(wěn)定， 制備純金屬比較困難， 通常采用熔鹽電解法 和金屬熱還原法等。 熔鹽電解法 用于制取大量混合稀土金屬或單一稀土金屬， 電解液：無(wú)水 RECl3、助熔劑（ NaCl或 KCl）。 如果原料為混合的 RECl3，電解產(chǎn)物為混合 稀土金屬；如果原料為單一的 RECl3，則電解產(chǎn) 物也是唯一的稀土金屬。 有關(guān)的電極反應(yīng)為： 陰極 RE3+ + 3e- RE 陽(yáng)極 Cl- 1/2Cl2 + e- 熔鹽電解

13、法 通過(guò)電流密度、電解槽溫度及電解液組成等 條件控制，使電解在析出稀土金屬的范圍進(jìn)行。 氧化物 -氟化物熔鹽體系的電解是利用稀土氧 化物溶解在氟化物（作為助熔劑）中電解，電解 時(shí)的反應(yīng)為 ： 陰極 RE3+ + 3e- RE 陽(yáng)極 O2- + C CO + 2e- 2O2- + C CO2 + 4e- 2O2- O2 +4e- 陽(yáng)極 上可有 CO， CO2及 O2氣放出。 陰極 上析出 稀土金屬。 金屬熱還原法 輕稀土金屬（ La、 Ce、 Pr、 Nd等）常用金屬 Ca還 原它們的氯化物來(lái)制備： 2RECl3 + 3Ca -2RE + 3CaCl 2 重稀土元素 （ Tb、 Dy、 Y、 Ho、 Er、 Tm、 Yb等 ） 可 用金屬 Ca還原其氟化物來(lái)制備： 2REF3 + 3Ca -2RE + 3CaF 2 金屬熱還原法 除用金屬 Ca做還原劑外 ， 也有用金屬 Ba 或 Mg做還原劑 ， 稀土鹵化物也有以溴化 物作原料的 。 用金屬熱還原法制得的稀 土金屬 ， 不同程度的含有各種雜質(zhì) ， 還 需進(jìn)一步提純 。 此外 ， 還有氧化物的鑭 、 鈰還原法 ， 其主要反應(yīng)為： RE2O3（ s） + 2La（ s） -2RE （ g） + La2O3（ s） （ RE代表 Sm、 Eu、 Yb） 謝謝??！