稀土

稀土物理化学性质
• 稀土易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点 高的化合物，因此在钢水中加入稀土，可 以起到净化钢的效果。由于稀土元素的金 属原子半径比铁的原子半径大，很容易填 补在其晶粒及缺陷中，并生成能阻碍晶粒 继续生长的膜，从而使晶粒细化而提高钢 的性能。 •
稀土物理化学性质
• 稀土元素具有未充满的4f电子层结构，并由 此而产生多种多样的电子能级。因此，稀 土可以作为优良的荧光，激光和电光源材 料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。 •
离子交换法
• 离子交换色层法的原理是：首先将阳离子交换树脂填充于柱子内 ，再将待分离的混合稀土吸附在柱子入口处的那一端，然后让淋 洗液从上到下流经柱子。形成了络合物的稀土就脱离离子交换树 脂而随淋洗液一起向下流动。流动的过程中稀土络合物分解，再 吸附于树脂上。就这样，稀土离子一边吸附、脱离树脂，一边随 着淋洗液向柱子的出口端流动。由于稀土离子与络合剂形成的络 合物的稳定性不同，因此各种稀土离子向下移动的速度不一样， 亲和力大的稀土向下流动快，结果先到达出口端。 • 离子交换法的优点是一次操作可以将多个元素加以分离。而且还 能得到高纯度的产品。这种方法的缺点是不能连续处理，一次操 作周期花费时间长，还有树脂的再生、交换等所耗成本高，因此 ，这种曾经是分离大量稀土的主要方法已从主流分离方法上退下 来，而被溶剂萃取法取代。但由于离子交换色层法具有获得高纯 度单一稀土产品的突出特点，目前，为制取超高纯单品以及一些 重稀土元素的分离，还需用离子交换色层法分离制取一稀土产。
稀土金属提纯
• 工业上大量使 用的是工业纯 稀土金属，较 高纯度的稀土 金属主要供测 定物理化学性 能之用。目前 主要有四种提 纯方法在试验 室中使用
稀 土 金 属 提 纯
真 空 熔 融 法
电 迁 移 法
真 空 蒸 馏 法
区 域 熔 炼 法
真空熔融法
• 将蒸气压较低的稀土金属，如钪、钇 、镧、铈、镨、钕、钆、铽和镥，在 真空度大于10-6托,用高于金属熔点 200～1000℃的温度进行熔融提纯。 在这种情况下，蒸气压高的杂质如碱 金属、碱土金属以及氟化物、低价氧 化物(RO)能被蒸馏出去，但对钽、铁 、钒、铬这些沸点高的杂质的去除效 果较差。
稀土金属-化学性质
• 稀土金属的化学活性很强。当和氧作用时，生成稳定性很高 的R2O3型氧化物(R表示稀土金属)。铈、镨、铽还生成 CeO2、Pr6O11、PrO2、Tb4O7、TbO2型氧化物。它们的 标准生成热和标准自由焓值比钙、铝、镁氧化物的值还大。 稀土金属氧化物的熔点在2000℃以上。铕的原子半径最大, 性质最活泼,在室温下暴露于空气中立即失去金属光泽，很 快氧化成粉末。镧、铈、镨、钕也易于氧化，在表面生成氧 化物薄膜。金属钇、钆、镥的抗腐蚀性强，能较长时间地保 持其金属光泽。稀土金属能以不同速率与水反应。铕与冷水 剧烈反应释放出氢。铈组稀土金属在室温下与水反应缓慢， 温度ห้องสมุดไป่ตู้高则反应加快。钇组稀土金属则较为稳定。稀土金属 在高温下与卤素反应生成 ＋2、＋3、＋4价的卤化物。无水 卤化物吸水性很强，很容易水解生成ROX（X表示卤素）型 卤氧化物。稀土金属还能和硼、碳、硫、磷、氢、氮反应生 成相应的化合物。稀土金属合金如镧镍合金(LaNi5)具有大 量吸氢的能力，是良好的贮氢材料。
电迁移法
• 将稀土金属棒在超高真空或惰性气氛中 通上直流电，在比金属熔点低100～ 200℃下保持1～3周。在高温和直流电 场作用下，各种杂质元素因为有效电荷 、扩散系数和迁移率不同，便沿试棒向 两端富集。切去试棒两端，中段可再次 进行电迁移提纯。在试验室中用电迁移 法对镧、铈、镨、钕、钆、铽、钇、镥 进行提纯，去除碳、氧和氮这些杂质的 效果显著。
溶剂萃取法
• 利用有机溶剂从与其不相混溶的水溶液中把被萃取物提取分 离出来的方法称之为有机溶剂液-液液萃取法，简称溶剂萃 取法，它是一种把物质从一个液相转移到另一个液相的传质 过程。 • 溶剂萃取法其萃取过程与分级沉淀、分级结晶、离子交换等 分离方法相比，具有分离效果好、生产能力大、便于快速连 续生产、易于实现自动控制等一系列优点，因而逐渐变成分 离大量稀土的主要方法。 • 溶剂萃取法的分离设备有混合澄清槽、离心萃取器等，提纯 稀土所用的萃取剂有：以酸性磷酸酯为代表的阳离子萃取剂 如P204稀土萃取剂、P507稀土萃取剂，以胺为代表的阴离 子交换液N1923和以TBP、P350等中性磷酸酯为代表的溶 剂萃取剂三种。这些萃取剂的粘度与比重都很高，与水不易 分离。通常用煤油等溶剂将其稀释再用。
稀土物理化学性质
• 稀土离子与羟基、偶氮基或磺酸基等形成 结合物，使稀土广泛用于印染行业。而某 些稀土元素具有中子俘获截面积大的特性 ，如钐、铕、钆、镝和铒，可用作原子能 反应堆的控制材料和减速剂。而铈、钇的 中子俘获截面积小，则可作为反应堆燃料 的稀释剂。
稀土物理化学性质
• 稀土具有类似微量元素的性质，可 以促进农作物的种子萌发，促进根系生 长，促进植物的光合作用。
稀土元素的分离
稀土元素的分离
分步法
离子交换法
溶剂萃取法
分步法
• 从1794年发现的钇(Y)到1905年发现的镥(Lu)为止，所 有天然存在的稀土元素间的单一分离，还有居里夫妇发 现的镭，都是用这种方法分离的。分步法是利用化合物 在溶剂中溶解的难易程度(溶解度)上的差别来进行分离 和提纯的。方法的操作程序是：将含有两种稀土元素的 化合物先以适宜的溶剂溶解后，加热浓缩，溶液中一部 分元素化合物析出来(结晶或沉淀)。析出物中，溶解度 较小的稀土元素得到富集，溶解度较大点的稀土元素在 溶液中也得到富集。因为稀土元素之间的溶解度差别很 小，必须重复操作多次才能将这两种稀土元素分离开来 ，因而这是一件非常困难的工作。全部稀土元素的单一 分离耗费了100多年，一次分离重复操作竟达2万次，对 于化学工作者而言，其艰辛的程度，可想而知。因此用 这样的方法不能大量生产单一稀土。
冶金工业方面
• 稀土金属或氟化物、硅化物加入钢中，能起 到精炼、脱硫、中和低熔点有害杂质的作用 ，并可以改善钢的加工性能；稀土硅铁合金 、稀土硅镁合金作为球化剂生产稀土球墨铸 铁，由于这种球墨铸铁特别适用于生产有特 殊要求的复杂球铁件，被广泛用于汽车、拖 拉机、柴油机等机械制造业；稀土金属添加 至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中，可以 改善合金的物理化学性能，并提高合金室温 及高温机械性能。
稀土分组
• 根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以 及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生 不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组。 • 轻稀土（又称铈组）包括：镧、铈、镨、钕、钷、 钐、铕、钆。 • 重稀土（又称钇组）包括：铽、镝、钬、铒、铥、 镱、镥、钪、钇。 • 铈组或钇组，是因为矿物经分离得到的稀土混合物 中，常以铈或钇占优势而得名。
真空蒸馏法
• 又名真空升华法。在真空度为 10-6～ 10-9托和温度为1600～1725℃下蒸 馏提纯钇、钆、铽、镥以及在1550～ 1650℃下升华提纯钪、镝、钬、铒、 铥、钐、铕、镱。在这种条件下，钽 、钨等蒸气压低的金属杂质和含碳、 氮、氧的化合物便会留于坩埚中。此 法往往同真空熔融法并用。
新材料方面
• 稀土钴及钕、铁、硼永磁材料，具有高剩磁、 高矫顽力和高磁能积，被广泛用于电子及航天 工业；纯稀土氧化物和三氧化二铁化合而成的 石榴石型铁氧体单晶及多晶，可用于微波与电 子工业；用高纯氧化钕制作的钇铝石榴石和钕 玻璃，可作为固体激光材料；稀土六硼化物可 用于制作电子发射的阴极材料；镧镍金属是70 年代新发展起来的贮氢材料；铬酸镧是高温热 电材料；近年来，世界各国采用钡钇铜氧元素 改进的钡基氧化物制作的超导材料，可在液氮 温区获得超导体.
稀土用途
新材料
军事方面
玻璃陶瓷
稀土
冶金工业
石油化工
军事方面
• 稀土有工业“黄金”之称，由于其具有 优良的光电磁等物理特性,能与其他材 料组成性能各异、品种繁多的新型材料 ，其最显著的功能就是大幅度提高其他 产品的质量和性能。比如大幅度提高用 于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合 金、镁合金、钛合金的战术性能。而且 ，稀土同样是电子、激光、核工业、超 导等诸多高科技的润滑剂。
稀土金属-物理性质
• 稀土金属的光泽介于银和铁之间。杂质含量对它 们的性质影响很大，因而载于文献中的物理性质 常有明显差异。镧在6K时是超导体。大多数稀土 金属呈现顺磁性，钆在 0℃时比铁具有更强的铁磁 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、钆的 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。
区域熔炼法
• 稀土金属棒在区域熔炼炉中以很慢的 速度（如提纯钇时为0.4毫米／分） ，进行多次区熔,对去除铁、铝、镁、 铜、镍等金属杂质有明显效果，但对 氧、氮、碳、氢无效。此外，电解精 炼、区熔－电迁移联合法提纯稀土也 有一定效果。
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玻璃陶瓷方面
• 稀土氧化物或经过加工处理的稀土精矿，可作 为抛光粉广泛用于光学玻璃、眼镜片、显象管 、示波管、平板玻璃、塑料及金属餐具的抛光 ；在熔制玻璃过程中可利用二氧化铈对铁有很 强的氧化作用，降低玻璃中的铁含量，以达到 脱除玻璃中绿色的目的；添加稀土氧化物可以 制得不同用途的光学玻璃和特种玻璃，其中包 括能通过红外线、吸收紫外线的玻璃、耐酸及 耐热的玻璃、防X-射线的玻璃等；在陶釉和瓷 釉中添加稀土，可以减轻釉的碎裂性，并能使 制品呈现不同的颜色和光泽。
稀土介绍
稀土
• 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(Rare Earth)。简称稀土(RE或R)。 它们的原子序数是21(Sc)、39(Y)、 57(La)到71(Lu)。