稀有金属及其特殊应用

无机读书报告

题目：稀有金属及其特殊应用班级：化学121

学号：12900126

姓名：朱敏

指导老师：李良超

稀有金属及其特殊应用

摘要：本文稀有金属，通常指在自然界中含量较少或分布稀散的金属，介绍了分类、资源储量、性质和镧(La)、铈（Ce）、镨(Pr)、钷(Pm)、钆(Gd)、镝（Dy）、钬(Ho)等稀有金属在材料、玻璃陶瓷、工业等方面的应用。

关键字：稀土金属、材料、方面

稀有金属的名称具有一定的相对性，随着人们对稀有金属的广泛研究，新产源及新提炼方法的发现以及它们应用范围的扩大，稀有金属和其它金属的界限将逐渐消失，如有的稀有金属在地壳中的含量比铜、汞、镉等金属还要多。

有的稀有金属在物理－化学性质上近似而不容易分离成单一金属。过去制取和使用得很少，因此得名为稀有金属。19世纪即有稀有元素(rare elements)一词，20世纪20年代在此基础上定名为稀有金属。稀有金属开发较晚，所以有时还称为新金属(new metals)。第二次世界大战以来，由于新技术的发展，需求量的增大，稀有金属研究和应用迅速发展，冶金新工艺不断出现，这些金属的生产量也逐渐增多。稀有金属已经不稀。稀有金属所包括的金属也在变化，如钛在现代技术中应用日益广泛，产量增多，所以有时也被列入轻金属。

分类

稀有金属根据各种元素的物理和化学性质，赋存状态，生产工艺以及其他一些特征，一般从技术上分

稀有金属为以下五类：

稀有轻金属

包括锂Li、铷Rb、铯Cs、铍Be。比重较小，化学活性强。

稀有难熔金属

包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨。熔点较高，与碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔点也较高。

稀有分散金属

简称稀散金属，包括镓、铟、铊、锗、铼以及硒、碲。大部分赋存于其他元素的矿物中。稀有金属

稀有稀土金属

简称稀土金属，包括钪、钇及镧系元素。它们的化学性质非常相似，在矿物中相互伴生。稀有放射性金属

包括天然存在的钫、镭、钋和锕系金属中的锕、钍、镤、铀，以及人工制造的锝、钷、锕系其他元素和104至107号元素。

上述分类不是十分严格的。有些稀有金属既可以列入这一类,又可列入另一类。例如铼可列入稀散金属也可列入稀有难熔金属。

资源储量

稀土在地壳中的含量并不稀少，这组元素的克拉克值达0.0236%,其中铈组元素为0.01592%,钇组元素为0.0077%；比常见元素铜（0.01%),锌(0.005%),锡(0.004%),铅(0.0016%),镍(0.008%),钴(0.003%)等都多。这组元素更不是土，而是一组典型的金属元素，其活泼性仅次于碱金属和碱土金属。

表1-1 稀土元素在地壳中的丰度

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。稀土元素的4f轨道电子数目是稀土元素之间最明显的差异，正是4f轨道电子数目的差异引发了稀土材料之间的性能差异。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。

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负值比钙、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，温度增高则反应加快。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。

一些稀有金属的特殊应用

镧(La)：镧的应用非常广泛，如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料（兰粉）、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。她也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中，光转换农用薄膜也用到镧，在国外，科学家把镧对作物的作用赋与"超级钙"的美称。

铈（Ce）：1，铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。从1997年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈，1996年用于汽车玻璃的氧化铈至少有2000吨，美国约1000多吨。2，目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。3，硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。目前领先的是法国罗纳普朗克公司。4，Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学。铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。

镨(Pr)：1，镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其与陶瓷釉混合制成色釉，也可单独作釉下颜料，制成的颜料呈淡黄色，色调纯正、淡雅。2，用于制造永磁体。选用廉价的镨钕金属代替纯钕金属制造永磁材料，其抗氧性能和机械性能明显提高，可加工成各种形状的磁体。广泛应用于各类电子器件和马达上。3，用于石油催化裂化。以镨钕富集物的形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂，可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。我国70年代开始投入工业使用，用量不断增大。4，镨还可用于磨料抛光。另外，镨在光纤领域的用途也越来越广。

钕(Nd)：钕元素的到来活跃了稀土领域，在稀土领域中扮演着重要角色，并且左右着稀土市场。金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料。钕铁硼永磁体的问世，为稀土高科技领域注入了新的生机与活力。钕铁硼磁体磁能积高，被称作当代"永磁之王"，以其优异的性能广泛用于电子、机械等行业。阿尔法磁谱仪的研制成功，标志着我国钕铁硼磁体的各项磁性能已跨入世界一流水平。钕还应用于有色金属材料。在镁或铝合金中添加1.5～2.5%钕，可提高合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性，广泛用作航空航天材料。另外，掺钕的钇铝石榴石产生短波激光束，在工业上广泛用于厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在医疗上，掺钕钇铝石榴石激光器代替手术刀用于摘除手术或消毒创伤口。钕也用于玻璃和陶瓷材料的着色以及橡胶制品的添加剂。随着科学技术的发展，稀土科技领域的拓展和延伸，钕元素将会有更广阔的利用空间。

钷(Pm)：钷为核反应堆生产的人造放射性元素，主要用途如下：1，可作热源。为真空探测和人造卫星提供辅助能量。2，Pm147放出能量低的β射线，用于制造钷电池。作为导弹制导仪器及钟表的电源。此种电池体积小，能连续使用数年之久。此外，钷还用于便携式X-射线仪、制备荧光粉、度量厚度以及航标灯中。

钐（Sm）：钐钴磁体是最早得到工业应用的稀土磁体。这种永磁体有SmCo5系和Sm2Co17系两类。70年代前期发明了SmCo5系，后期发明了Sm2Co17系。现在是以后者的需求为主。钐钴磁体所用的氧化钐的纯度不需太高，从成本方面考虑，主要使用95%左右的产品。此外，氧化钐还用于陶瓷电容器和催化剂方面。另外，钐还具有核性质，可用作原子能反应堆的结构材料，屏敝材料和控制材料，使核裂变产生巨大的能量得以安全利用。