稀土元素化学

加拿大的铀残渣
0.8 3.7 1.0 4.1 4.5 0.2 8.5 1.2 11.2 2.6 5.5 0.9 4.0 0.4 51.4
1.4 稀土资源的分布及我国的稀土资源
（1）储量大。 （2）分布广。 （3）类型多。 （4）矿种全。 （5）综合利用价值高。
• 可见稀土的储量是很丰富的，可供持续发展的需要虽然随着稀土在各 方面的应用快速增长，消耗量也将急剧上升，但探明的稀土储量也不
断增长。至1997年，世界的稀土探明储量已增至9200万吨。
中国稀土资源分布
➢ 白云鄂博稀土矿：白云鄂博稀土矿与铁共生，主要稀土 矿物有氟碳铈矿和独居石，其比例为3∶1，都达到了稀土 回收品位，故称混合矿，稀土总储量REO为3500万吨，约 占世界储量的38%，中国储量的92%，堪称为世界第一大稀 土矿。 ➢ 江西等地的风化壳淋积型稀土矿：是一种新型稀土矿种， 它的选冶相对较简单，且含中重稀土较高，是一类很有市 场竞争力的稀土矿。 ➢ 冕宁稀土矿和山东微山稀土矿：是以氟碳铈矿为主，伴 生有重晶石等，是组成相对简单的一类易选的稀土矿。 ➢ 湖南褐钇铌矿：含稀土的有色金属矿。 ➢ 海滨砂矿：极为丰富，存积在整个南海、海南岛、台湾 岛等海岸线，有近代沉积砂矿和古砂矿，作为采集钛铁矿 和锆英石的副产品，主要是独居石和磷钇矿。
陕西（大颗粒）
东芝SPD-586
发射峰
626nm
626nm
色度值 x
0.642 ± 0.010
0.652 ± 0.020
y
0.350 ± 0.010
0.341 ± 0.020
粒度
9.5 ± 2.0 μm
6.1 ± 1.0 μm
反射率
500 nm 处,46-56 % 450nm:52 ±5%,625nm:> 83.0%
汽车尾气处理器： 里面的催化剂是 稀土化合物
⑦ 农业中的应用
不同稀土使用方法对部分农作物增产效果的影响
稀土使用方法
浸
种
拌
种
喷
施
春小麦 10. 8 8.3 7.1
增产效果，%
花生
大豆
8.3
6.7
9.4
6.4
甜菜 10.2 10.3 7.0
白菜
15.5 15.0
⑧ 医药中的应用 ● 抗凝血：因 RE 对 Ca2+ 的拮抗作用所致 ● 烧伤药物 ● 抗炎、杀菌 ● 抗动脉硬化作用
1. 3 稀土元素在自然界中的存在
1.3.1 稀土元素在自然界中的同位素 1.3.2 稀土元素在自然界中的分布 稀土元素在地壳中的分布有如下特点： （1）整个稀土元素在地壳中的丰度比一些常见元素要多。 （2）在地壳中铈组元素的丰度比钇组元素大。 （3）稀土元素分布是不均匀的，一般服从奥多-哈尔根斯规则：
● 磁光材料：指在紫外到红外波段， 具有磁光效应的光信息功能.如磁 光光盘等.
● 超磁致伸缩材料：指稀土—铁汞化 合物，具有比铁、镍等大得多的磁
场伸缩值. 可做声纳系统、驱动器等.
② 发光、激光材料：固 f-f、f-d 跃迁而使发出的光能量差大、波长 短而成 为发光宝库.
厂家
Y2O2S:Eu + α–Fe2O3 红色荧光粉的性质
③ 玻璃陶瓷材料：光学玻璃、光纤
氧化铈在电子陶瓷中的应用
稀土 铈
用
途
陶瓷电容器
半导体电容器
PTC热敏电阻
非线性电阻
陶瓷振子
功
能
转换剂
低阻抗化
半导体化
半导体化
微粒子化
材
料
(BaCe)TiO3 (SrCe)TiO3 (BaCe)TiO3 (SrCe)TiO3 (PbCe)TiO3
④ 贮氢、发热、超导材料
澳大利亚的独居 石
20.2 45.3 5.4 18.3 4.6 0.1 2.0 0.2 1.15 0.05 0.40 微量 0.20 微量 2.1
表1-9 几种以钇族稀土为主的工业矿物的组成百分比 (％)
以稀土氧化物表示 La2O3 CeO2 Pr6O11 Nd2O3 Sm2O3 Eu2O3 Gd2O3 Tb4O7 Dy2O3 Ho2O3 Er2O3 Tm2O3 Yb2O3 Lu2O3 Y2O3
5 稀土元素的应用
（1）在冶金工业上的应用。 （2）在石油化工领域的应用 （3）在玻璃、陶瓷工业中的应用 （4）在新型功能材料中的应用 （5）稀土磨料、抛光粉和打火石 （6）在核工业中的应用 （7）在农业和轻工业中的应用
• 稀土功能材料在高新技术领域中的应 用
• 一、稀土永磁材料及其应用 • 二、稀土发光材料及其应用 • 三、稀土在汽车尾气净化中的应用 • 四、稀土贮氢材料及其应用 • 五、稀土磁致伸缩材料及其应用
第七章 稀土元素化学
主讲人：吴wk.baidu.com绣
第1章 稀土元素概论
1.1 稀土元素和镧系元素及其分类
➢ 稀土的英文是Rare Earth，意即“稀少的土”。 ➢ 元素周期表第三副族中原子序数从57到71的15个镧系
元素，即镧（57）、铈（58）、镨（59）、钕（60）、 钷（61）、钐（62）、铕（63）、钆（64）、铽 （65）、镝（66）、钬（67）、铒（68）、铥（69）、 镱（70）、镥（71），再加上与其电子结构和化学性质 相近的钪（21）和钇（39），共计17个元素。除钪和 钷外，其余15个元素往往共生。 ➢ 轻稀土(铈组)La~Eu；重稀土(钇组)Gd~Lu，Y 轻稀土La~Pm，中稀土Sm~Dy, 重稀土Ho~Lu，Y
世界稀土资源
➢ 全世界已经发现的稀土矿物约有250种； ➢ 具有工业价值的稀土矿物有50～60种； ➢ 目前具有开采价值的只有10种左右；
表1.7 含稀土的矿物
氟化物 磷酸盐 碳酸盐及氟碳酸盐 硅酸盐
氧化物
砷酸盐 硼酸盐 硫酸盐 钒酸盐
钇萤矿、氟铈矿CeF3
磷钇矿YPO4、独居石(Ce、Y)PO4 氟碳铈矿CeFCO3、水菱铈矿RE2O3·3CO2·4H2O 硅铍钇矿BeFeY2Si2O10、铈硅矿(Ca、Mg)2RE[(SiO4)7x(FCO3)x][(OH)x(H2O)3-x]、淡红硅钇矿Y2Si2O7 铌钇矿(Fe、RE、U、Th) (Nb、Ta)2O6、褐钇钽矿(RE、 Ca、Fe、U) (Nb、Ta)O4、方铈石(Ce、Th)O2 砷钇矿YAsO4 水铈钙硼矿 Ca3Al2 RE(SO4)F13·10H2O 钒钇矿
3200 3500 3710 4000 4200 4300 4400 4500 4935 4000 6000 6800
● 抗肿瘤 ● 降血糖
稀土制剂对皮肤病的疗效
病
例 例数，人 痊愈，人 有效，人 无效，人 有效率，%
脓 疱 疮 96
46
35
15
84.4
虫 咬 皮 炎 44
21
17
6
86.4
多发性疖疮 34
17
12
5
85.3
总
计 174
84
64
26
85.1
⑨ 织物纤维染色
皮革鞣制和染色 镀铬技术
塑料助剂
时间 /年
原子序数为偶数的元素其丰度比相邻的奇数元素大。 （4）在地壳中稀土元素集中在岩石圈中，主要富集在花岗岩、
伟晶岩、正长石中等。
稀土元素和一些元素在地壳中的丰度（ppm）
元
素
丰度 元素 丰度 元素 丰度 元素 丰度
La
18.3
Dy
Ce
46.1
Ho
Pr
5.53
Er
Nd 23.9
Tm
Pm
4.5×10-20 Yb
表1-8 几种以铈族稀土为主的工业矿物的组成百分比 (％)
以稀土氧化物表 示
La2O3 CeO2 Pr6O11 Nd2O3 Sm2O3 Eu2O3 Gd2O3 Tb4O7 Dy2O3 Ho2O3 Er2O3 Tm2O3 Yb2O3 Lu2O3 YO
包头白云鄂博的 氟碳铈矿
23.0 50.7 6.20 19.5 1.20 0.2 0.5 0.1 0.2 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 0.03
能、玻璃陶瓷和电子等工业。
• 一、是1959年出版了《The Journal of LessCommon Metals》(现在已改名为《J.Alloys and Compound》)，刊登的有关稀土的文章不断增加
• 二、是1960年首届“稀土研究会议”召开
• 三、是1966年由美国原子能委员会资助的稀土信 息中心(RIC)成立，并出版了《RIC NEWS》 (《稀土信息中心新闻》)(季刊)
黄金时代(1970年~现在)
99.99％～99.9999％
其中摇篮时代正好是第一次发现稀土至最后一个稀土钷面世这
一历史时期。
启蒙时代（1950~1969年)
• 1951年发现了LaB6的强大热离子发射。 • 1961年发现了重稀土具有奇妙复杂的磁性结构。 • 1962年稀土催化剂在石油裂化工业中应用。 • 1963年钇和铕荧光体用于制造彩色电视的红色荧光粉。 • 1963年制得最后一个金属态放射性元素钷。 • 1966年发现高强度稀土—钴永磁体YCo5。 • 1967年制得良好的稀土永磁体SmCo5。 • 这期间还将钕玻璃用于制造激光器，各种稀土用于原子
离子吸附型矿龙南
2.18 1.09 1.08 3.47 2.34 0.10 5.69 1.13 7.48 1.60 4.26 0.60 3.34 0.47 64.10
马来西亚的磷钇矿
0.5 5.0 0.7 2.2 1.9 0.2 4.0 1.0 8.7 2.1 5.4 0.9 6.2 0.4 60.8
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
我国稀土应用分布情况（REO）/t·a-1
冶金 机械
石油 化工
玻璃 陶瓷
高科技 农 业 、 材料 轻工、纺织
总计
4450 4950 4960 5050 5100 5200 5300 5400 5410 5000 9738 10085
稀土元素发现过程示意图
图1-2 轻稀土元素发现过程的简单示意图
图1-3 重稀土元素发现过程的简单示意图
1.2.2 稀土元素的发展史
盖施奈德(K.A.Gschncider)把稀土冶金及其应用开发分三个时代:
摇篮时代(1787~1949年) 纯度：90％
启蒙时代（1950~1969年)：
95％～99％
3.3 稀土元素的存在状态
三种情况：
（1）参加矿物晶格，是矿物不可缺少的部分，即稀 土矿物，如独居石、氟碳铈矿等。
（2）以类质同晶置换的形式分散在造岩矿物中，这 类矿物可称为含有稀土元素的矿物，如磷灰石、 钛铀矿等。
（3）呈吸附状态存在于矿物中，如粘土矿、云母矿 等。这类状态的稀土元素很容易提取。
（2—3） × 105 Pa
LaNi5 3 H2
微热
贮氢合金的多种功能
LaNi5H6
化学能
热能
氢的贮存、运输
充电电池
氢 + 合金
放热
氢化物
吸热
热泵 氢的分解、提纯
压力
机械能
电能
催化剂 传感器、控制器
超导材料的两大特性：临界温度 Tc 以下电阻为零，具有非斥 磁场效应. 人们渴望制备超导电缆，因为它可减少或避免能量损失 ，如可使粒子加速器再极高能量下操作.
• 九、稀土在交通领域中的应用 • 十、稀土在通讯领域中的应用 • 十一、稀土信息产业中的应用 • 十二、稀土在汽车工业中的应用 • 十三、稀土在生物医药领域中的应用 • 十四、稀土在轻纺方面的应用 • 十五、稀土在农业方面的应用
(3) 应用
① 磁性材料 ● 永磁材料：永磁体最基本的作用是
在某一特定空间产生一恒定磁场， 维持此磁场并不需要任何外部能 源. 图中的磁体能吸起自重的 800 倍.
Sm 6.47
Lu
Eu
1.06
Sc
Gd 6.36
Y
Tb
0.91
4.47 Be
1.15 Co
2.47 Ni
0.20 Cu
2.66
Zn
0.75 Ga
5
As
28.1 Nb
Mo
6
Ag
23
Cd
100
Sn
100
Sb
40
I
15
Ta
5
Au
24
Pb
2.5~15 Bi
0.1 0.15 40 1 0.3 2.1 0.005 16 0.2
1987年，中科院赵忠贤和美国Houston大学朱经武等独立发现 YBa2Cu3O7 的超导体，Tc 达95 K .
Cu Ba Y
YBa2Cu3O7 的结构相当 于失去部分O 的钙钛矿
超导体的排斥磁场效应
⑤ 在冶金工业中的应用：铸铁、钢、有色金属，可 改变结构性 能.
⑥ 催化中的应用：石油裂化、汽车 尾汽净化、合成橡胶以及石油 化工等.
四川的氟碳铈矿
29.49 47.56 4.42 15.13 1.24 0.23 0.56 0.12 0.21 0.05 0.06 0.14 0.05 0.007 1.99
美国蒙顿帕斯的 氟碳铈矿
32.0 49.0 4.4 13.5 0.5 0.1 0.3 0.01 0.03 0.01 0.01 0.02 0.01 0.01 0.10