重稀土

稀土被人們稱為新材料的"寶庫"，是各國科學(xué)家，尤其是材料專家最關(guān)注的一組元素，被美國、日本等國家有關(guān)部門列為發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵元素。有人認(rèn)為，隨著稀土元素的開發(fā)，將會(huì)引發(fā)一場(chǎng)新的技術(shù)革命。

稀土元素最初是從瑞典產(chǎn)的比較稀少的礦物中發(fā)現(xiàn)的，"土"是按當(dāng)時(shí)的習(xí)慣，稱不溶于水的物質(zhì)，故稱稀土。稀土的英文是RareEarth,意即"稀少的土"。人類第一次從天然礦物中發(fā)現(xiàn)稀土是1794年。稀土元素之間的性質(zhì)相近，在自然界中往往共生在一起，1794年首次發(fā)現(xiàn)的是混合稀土。由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的限制，人們只能制得一些不純凈的、像土一樣的氧化物，故人們便給這組元素留下了這么一個(gè)別致有趣的名字。隨著科技的進(jìn)步，以后才逐漸將它們彼此分離出來。從發(fā)現(xiàn)稀土到將17個(gè)稀土元素找齊最后一個(gè)稀土元素是1947年發(fā)現(xiàn)的，共經(jīng)歷了150多年。

根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)對(duì)稀土元素的定義，稀土類元素是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數(shù)從57至71的15個(gè)鑭系元素，即鑭57、鈰58、鐠59、釹60、钷61、釤62、銪63、釓64、鋱65、鏑66、鈥67、鉺68、銩69、鐿70、镥71，再加上與其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相近的鈧21和釔39，共計(jì)17個(gè)元素。除鈧與钷外，其余15個(gè)元素往往共生。

稀土元素在元素周期表中的位置十分特殊,17個(gè)元素同處在第ⅢB族，鈧、釔、鑭、分別為第四、五、六、長(zhǎng)周期中過渡元素系列的第一個(gè)元素。鑭與其后的14個(gè)元素性質(zhì)十分相似，化學(xué)家們只能把它們放入一個(gè)格子內(nèi)，難怪有人把它們當(dāng)成"同位素"對(duì)待，然而由于其原子序數(shù)不同，還不能算作真正的同位素。就是說，它們性質(zhì)十分相似，又不完全一樣，這就造成了這組元素分離的困難，但也表明只要利用其微小的差別，分離又是可能的。

稀土元素是典型的金屬元素。它們的金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬元素，而比其他金屬元素活潑。在17個(gè)稀土元素當(dāng)中，按金屬的活潑次序排列，由鈧，釔、鑭遞增，由鑭到镥遞減，即鑭元素最活潑。稀土元素能形成化學(xué)穩(wěn)定的氧化物、鹵化物、硫化物。稀土元素可以和氮、氫、碳、磷發(fā)生反應(yīng)，易溶于鹽酸、硫酸和硝酸中。

稀土易和氧、硫、鉛等元素化合生成熔點(diǎn)高的化合物，因此在鋼水中加入稀土，可以起到凈化鋼的效果。由于稀土元素的金屬原子半徑比鐵的原子半徑大，很容易填補(bǔ)在其晶粒及缺陷中，并生成能阻礙晶粒繼續(xù)生長(zhǎng)的膜，從而使晶粒細(xì)化而提高鋼的性能。

稀土元素具有未充滿的4f電子層結(jié)構(gòu)，并由此而產(chǎn)生多種多樣的電子能級(jí)。因此，稀土可以作為優(yōu)良的熒光，激光和電光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。稀土離子與羥基、偶氮基或磺酸基等形成結(jié)合物，使稀土廣泛用于印染行業(yè)。而某些稀土元素具有中子俘獲截面積大的特性，如釤、銪、釓、鏑和鉺，可用作原子能反應(yīng)堆的控制材料和減速劑。而鈰、釔的中子俘獲截面積小，則可作為反應(yīng)堆燃料的稀釋劑。

稀土具有類似微量元素的性質(zhì)，可以促進(jìn)農(nóng)作物的種子萌發(fā)，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，促進(jìn)植物的光合作用。

根據(jù)稀土元素間物理化學(xué)性質(zhì)和地球化學(xué)性質(zhì)的某些差異和分離工藝的要求，學(xué)者們往往把稀土類元素分為輕、重兩組或者 輕、中、重三組。兩組的分法以釓為界，釓以前的鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪7個(gè)元素為輕稀土元素，亦稱鈰組稀土元素;釓及釓以后的鋱、鈥、鉺、銩、鐿、镥和釔等9個(gè)元素稱為重稀土元素，亦稱釔組稀土元素。盡管釔的原子量?jī)H為89，但由于其離子半徑在其它重稀土元素的離子半徑鏈環(huán)之中，其化學(xué)性質(zhì)更接近重稀土元素。在自然界也與其它重稀土元素共生。故它被歸為重稀土組。輕中重三組稀土的分類法沒有一定之規(guī)，如按稀土硫酸復(fù)鹽溶解度大小可分為:難溶性鈰組即輕稀土組，包括鑭、鈰、鐠、釹、釤;微溶性鋱組即中稀土組，包括銪、釓、鋱、鏑;較易溶性的釔組即重稀土組，包括釔、鈥、鉺、銩、鐿、镥。然而各組之間相鄰元素間的溶解度差別很小，用這種方法是分不凈的。多用萃取法分組，例如用二2乙基已基磷酸即P204可在釹/釤間分組，然后再在釓/鋱間分組等。這們，鑭、鈰、鐠、釹稱為輕稀土，釤、銪、釓稱為中稀土，鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥再加上釔稱為重稀土。

根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征，十七種稀土元素通常分為二組:

輕稀土包括:鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、。

重稀土包括:釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。

按礦物特點(diǎn)分類:

鈰組(輕稀土)-鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤和銪;

釔組(重稀土)-釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥和鈧。

按萃取分離分類: 輕稀土(P204弱酸度萃取)-鑭、鈰、鐠、釹;

中稀土(P204低酸度萃取)-釤、銪、釓、鋱和鏑;

重稀土(P204中酸度萃取)-鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔。