稀土材料第1章

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1、稀土材料稀土材料The Rare Earth materials第第1 1章章 绪论绪论稀土元素、资源及其材料应用稀土元素、资源及其材料应用1 1 稀土元素概述稀土元素概述一一. .稀土元素稀土元素(Rare Earth Element)(Rare Earth Element)用用“RERE”表示表示 在门捷列夫元素周期表的第六周期的在门捷列夫元素周期表的第六周期的AA族钡族钡(Ba)(Ba)和和BB族铪族铪(H(Hf) )元素之间元素之间, ,存在一个系列元素存在一个系列元素。它们位于第它们位于第六周期的六周期的BB族族。它们的特征是在内层的它们的特征是在内层的4f4f轨道内逐一填轨道内逐一

2、填充电子充电子。也就是原子序数为：也就是原子序数为：57La57La71Lu71Lu的的1515个个LnLn系系元素元素, ,用符号用符号LnLn表示表示. .包括镧包括镧La57,La57,铈铈Ce58,Ce58,镨镨Pr59,Pr59,钕钕Nd60,Nd60,钷钷* *Pm61,Pm61,钐钐Sm62,Sm62,铕铕Eu63,Eu63,钆钆Gd64,Gd64,铽铽Tb65,Tb65,镝镝Dy66,Dy66,钬钬Ho67,Ho67,铒铒Er68,Er68,铥铥Tm69,Tm69,镱镱Yb70,Yb70,镥镥Lu71.Lu71.共共1515个元素。个元素。二二.Ln.Ln系收缩现象系收缩现象

3、Ln Ln系收缩系收缩: : 指指LnLn系元素随着原子序数的增加系元素随着原子序数的增加, ,原子半径和原子半径和离子半径在总的趋势上有所缩小的现象离子半径在总的趋势上有所缩小的现象.(.(从从LaLuLaLu的半径总共缩小的半径总共缩小14.3pm14.3pm左右左右) )。 Ln Ln系收缩导致两个重要的结果系收缩导致两个重要的结果: : 其一是钇其一是钇Y Y3+3+(88pm)(88pm)在离子半径的序列中落在在离子半径的序列中落在铒铒ErEr3+3+(88.1pm)(88.1pm)的附近的附近, ,因而使钇在自然界中常因而使钇在自然界中常与镧系元素共生而成为稀土元素中的一员。其二与

4、镧系元素共生而成为稀土元素中的一员。其二是使是使LnLn系后面各族过渡元素的原子半径和离子半系后面各族过渡元素的原子半径和离子半径径, ,分别与相应同族上面一个元素原子半径和离分别与相应同族上面一个元素原子半径和离子半径非常接近。子半径非常接近。 稀土元素的分组：稀土元素的分组：可根据研究者的研究目的和目标要求不同可根据研究者的研究目的和目标要求不同, ,而而有不同的分组方法。有不同的分组方法。如以族中主量元素命名分为如以族中主量元素命名分为: :铈族和钇族稀土铈族和钇族稀土; ;也有根据元素原子量的大小把稀土分为也有根据元素原子量的大小把稀土分为; ;轻轻Ln,Ln,中中LnLn和重和重Ln

5、Ln系系三组。三组。 按照稀土元素的物理与化学性质的微小差异按照稀土元素的物理与化学性质的微小差异和稀土矿物的形成特点和稀土矿物的形成特点,16,16个稀土元素划分为轻个稀土元素划分为轻稀土稀土(Ce(Ce组组) )和重稀土和重稀土(Y(Y组组) )两组。这种方法是：两组。这种方法是：以钆以钆(Gd)(Gd)元素为界线元素为界线,Gd,Gd前面的前面的LaLa、CeCe、PrPr、NdNd、* *PmPm、SmSm、Eu7Eu7个元素为轻稀土个元素为轻稀土(Ce(Ce组组) )元素；元素；GdGd后后面的面的GdGd、TbTb、DyDy、HoHo、ErEr、TmTm、YbYb、LuLu、和、和

6、Y 9Y 9个为重稀土个为重稀土(Y(Y组组) )元素。元素。根据稀土元素的分离工艺根据稀土元素的分离工艺, ,可以把可以把1616个稀土元个稀土元素分成铈素分成铈(Ce)(Ce)组组, ,铽铽(Tb)(Tb)组和组和(Y)(Y)组三组组三组。 1.1.2 铈族和钇族 苏锵院士提出： 铈族：镧至铕 钇族：钆至镥和钇三三. .稀土元素的发现与命名稀土元素的发现与命名从从Y(1794Y(1794年年)Ce(1803)Ce(1803年年),),发现钇土和铈土开始计算发现钇土和铈土开始计算: :18141814年年(Ce,(Ce,纪念当时发现的谷神星纪念当时发现的谷神星)1839)1839184118

7、41年年(La,(La,希腊语的意思是隐藏者希腊语的意思是隐藏者)1843)1843年年(Y,(Y,来自小镇来自小镇Ytterby)Ytterby)18781878年年(Tb,Er,Yb,(Tb,Er,Yb,来自小镇来自小镇Ytterby)1879Ytterby)1879年年(Sm,(Sm,以俄罗斯人命名的铍钇矿以俄罗斯人命名的铍钇矿SamarskiteSamarskite中提取命名的中提取命名的;Tm,;Tm,以斯堪的纳维亚的古老名称以斯堪的纳维亚的古老名称ThuleThule命名的命名的;Ho,;Ho,以瑞典的首以瑞典的首都斯德哥尔摩都斯德哥尔摩StockholStockhol命名的命名的

8、)1880)1880年年(Gd,(Gd,以以J JGadolinGadolin的名字命名的的名字命名的)1885)1885年年(Nd,(Nd,希腊语的意思是希腊语的意思是新的孪生子新的孪生子; ;PrPr希腊语的意思是绿色的孪生子希腊语的意思是绿色的孪生子)1886)1886年年(Dy,(Dy,希腊语希腊语的意思是难以接近的的意思是难以接近的)1897)189719011901年年(Eu,(Eu,以欧洲以欧洲EuropeEurope命名的命名的)1907)1907年年(Lu(Lu以巴黎的古老名词以巴黎的古老名词LuteriaLuteria命名命名)19471947年年( (* *Pm,Pm,以

9、希腊神话中为人类盗来火种的火神普罗以希腊神话中为人类盗来火种的火神普罗米修斯米修斯PrometheusPrometheus命名的命名的) )从钇土发现年代计算到从钇土发现年代计算到19471947年有年有153153年年, ,从铈元素发现从铈元素发现年代计算到年代计算到19471947年有年有133133年。年。 1717种稀土元素的用途简介种稀土元素的用途简介: : 镧镧(57La)(57La)镧的应用非常广泛镧的应用非常广泛, ,如应用于压电材料、电热如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料材料、热电材料、磁阻材料、发光材料( (蓝粉蓝粉) )、贮氢材料、光学玻璃、激光材料

10、、各种合金材料贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。它也应用到制备许多有机化工产品的催化剂等。它也应用到制备许多有机化工产品的催化剂 我国的常乐我国的常乐 益植素是以镧、铈为主要成分益植素是以镧、铈为主要成分的稀土农用产品。的稀土农用产品。2020多年的研究和推广应用证明多年的研究和推广应用证明, ,它能促进作物生根、发芽和叶绿素的增加它能促进作物生根、发芽和叶绿素的增加, ,提高提高作物的光合效率作物的光合效率, ,促进作物对磷等元素的吸收促进作物对磷等元素的吸收, ,因因而可使多种作物增产和改善品质。既能单独使用而可使多种作物增产和改善品质。既能单独使用, ,也可与多种化肥、除草剂

11、、农药或微量也可与多种化肥、除草剂、农药或微量 元素复元素复合使用。光转换农用薄膜也用到镧合使用。光转换农用薄膜也用到镧, ,在国外在国外, ,科学科学家把镧对作物的作用赋与家把镧对作物的作用赋与“超级钙超级钙”的美称。的美称。铈铈(58Ce) (58Ce) 铈广泛应用于铈广泛应用于:(1):(1)铈作为玻璃添加剂铈作为玻璃添加剂, ,能吸收紫外线能吸收紫外线与红外线与红外线, ,已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线, ,还可降低车内温度还可降低车内温度, ,节约空调用电。从节约空调用电。从19971997年起年起, ,日本汽日本汽车玻璃全加入车玻璃全加