稀土元素課件

1、稀土元素稀土元素一稀土元素的簡介和性質(zhì)一稀土元素的簡介和性質(zhì) 二二. 稀土元素的應(yīng)用稀土元素的應(yīng)用三三. 稀土元素的分離稀土元素的分離 四四. 稀土元素的制備稀土元素的制備 稀土元素稀土元素稀土元素的組成的組成 稀土元素稀土元素的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) 稀土元素的稀土元素的化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 稀土元素的稀土元素的物理性質(zhì)物理性質(zhì) 稀土元素稀土元素的組成稀土元素的組成：周期系：周期系B族中原子序數(shù)為族中原子序數(shù)為21、39和和5771的的17種化學(xué)元素的統(tǒng)稱。種化學(xué)元素的統(tǒng)稱。 其中原子序數(shù)為其中原子序數(shù)為57 71的的15種化學(xué)元種化學(xué)元素又統(tǒng)稱為鑭系元素。素又統(tǒng)稱為鑭系元素。 稀土元素包括鈧、釔、鑭、鈰、

2、鐠、釹、稀土元素包括鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥。镥。稀土元素稀土元素稀稀土土元元素素的的發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn) 稀土金屬是芬蘭學(xué)者加多林(Johan Gado1in)在1794年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時在瑞典的礦石中發(fā)現(xiàn)了礦物組成類似“土”狀物而存在的釔土，且又認(rèn)為稀少，便定名為 (Baxe Earth)。稀土元素 氧化物穩(wěn)定。比其他金屬元素都活潑。燃點低。氧化物熔點高，生成自由能負(fù)值大。 稀土元素 稀土元素的性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，下面是稀土元素的原子結(jié)構(gòu)和一些重要性質(zhì)。 （1 1）電子構(gòu)型角度：）電子構(gòu)型角度： 稀土元素在基態(tài)時的電子

3、排布特征是最后填充的電子大都進(jìn)入4f亞層，只有釔和鑭例外，下表列出稀土元素原子和離子（RE3+）的電子結(jié)構(gòu)及某些性質(zhì)。 稀土元素圖圖-1 稀土元素的原子性質(zhì)圖稀土元素的原子性質(zhì)圖 從上表中可從上表中可看到，看到，LaLa有有4f4f空軌道，空軌道，GdGd的的4f4f軌道軌道為半充滿，為半充滿，LuLu的的4f4f軌道軌道為全充滿，為全充滿，這些都是穩(wěn)這些都是穩(wěn)定的電子構(gòu)定的電子構(gòu)型。型。稀土元素（2 2）原子半徑和離子半徑角度）原子半徑和離子半徑角度 鑭系元素的原子半徑及Ln3+離子半徑，在總的趨勢上都隨著原子核電荷數(shù)的增大而減小，這一現(xiàn)象叫做鑭系鑭系收縮收縮。 稀土元素 在鑭系在鑭系原子半

4、徑收原子半徑收縮的過程中，縮的過程中，有兩處突躍。有兩處突躍。 即銪和即銪和鐿的原子半鐿的原子半徑突然增大，徑突然增大，在圖中在銪在圖中在銪和鐿處出現(xiàn)和鐿處出現(xiàn)了兩個峰值。了兩個峰值。 由于銪和鐿各自具有半充滿和全充滿的由于銪和鐿各自具有半充滿和全充滿的4f亞層，這一相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)對核電荷的屏亞層，這一相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)對核電荷的屏蔽較大，所以原子半徑明顯增大。蔽較大，所以原子半徑明顯增大。稀土元素離子半徑離子半徑稀土元素稀土元素的重要化合物稀土元素的重要化合物氫氧化物氧化物堿性氧化物配合物配合物稀土元素類型類型和數(shù)目數(shù)目比d過渡元素要少得多。 Ln3+離子半徑較大，配合物穩(wěn)定性差。 Ln3+與配

5、位體之間的作用力很弱，主要通過靜電作用靜電作用。配合物配合物稀土元素 大部分稀土金屬呈緊密六方晶格緊密六方晶格或面面心立方晶格心立方晶格結(jié)構(gòu)，只有釤為菱形結(jié)構(gòu)，銪為體心立方結(jié)構(gòu)。 具有4f0構(gòu)型的La3+、Ce3+和4f14的Yb2+、Lu3+，因無成單電子而呈反磁性反磁性，而具有4f113構(gòu)型的鑭系元素及其化合物，則因含有成單電子而表現(xiàn)順磁性順磁性。 稀土元素ScYLaCePrNdPmSmEu密度(g/cm3)2.994.476.196.776.787.00 7.545.26熔點()1539 1509 9207959351024 1072 826GdTbDyHoErTmYbLu密度(g/cm

6、3)7.888.278.548.809.059.336.989.84熔點()1312 1356 1407 1461 1497 1545 8241652稀土元素 +3氧化態(tài)鑭系元素離子多數(shù)有顏色，如果陰離子為無色，在結(jié)晶鹽和水溶液中都保持Ln3+的特征顏色 離子的顏色似乎決定于f層中的未成對的電子數(shù)。當(dāng)三價離子具有fn和f14-n電子構(gòu)型時，它們的顏色是相同相近的。這就是Ln3+離子顏色的周期性變化。 稀土元素Magic Rareearthelement 工業(yè)領(lǐng)域農(nóng)業(yè)領(lǐng)域醫(yī)藥領(lǐng)域稀土元素1.1. 稀土在冶金工業(yè)中應(yīng)用量很大，約占稀土總用量的1/3。 鋼水中加入稀土，可起脫硫脫氧改變夾雜物形態(tài)作用

7、； 鑄鐵中稀土作為石墨球化劑、形核劑核對有害元素的控制劑，提高鑄件質(zhì)量，改善機械性能。 有色合金方面，可改善合金的物理和機械性能。應(yīng)用最多的使鋁、鎂、銅三個系列。稀土元素在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用稀土元素在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 1.冶金工業(yè)領(lǐng)域 2.石油化工領(lǐng)域 3.玻璃工業(yè)領(lǐng)域 4.陶瓷工業(yè)領(lǐng)域 5.電光源工業(yè)領(lǐng)域 6.材料工業(yè)領(lǐng)域 2. 在石油裂化工業(yè)中，稀土分子作為篩裂化催化劑，活性高、選擇性好、汽油的生產(chǎn)率高。 可以用于石油裂化、合成橡膠等工業(yè)。近來，科學(xué)家正致力于研究用稀土金屬作為汽車尾氣凈化的催化劑。稀土在這方面的用量很大。 3. 稀土在玻璃工業(yè)中有三個應(yīng)用：玻璃著色玻璃著色、玻璃脫色玻璃脫色和制

8、備特種性能的玻璃制備特種性能的玻璃。 釹玻璃為粉紅色并帶有紫色光澤、鐠玻璃為綠色(制造濾光片)等； 二氧化鈰可將玻璃中呈黃綠色的二價鐵氧化為三價而脫色，還可以加入氧化釹進(jìn)行物理脫色； 稀土特種玻璃如鈰玻璃(防輻射玻璃)、鑭玻璃(光學(xué)玻璃)。 4.4. 稀土可以加入陶瓷和瓷釉之中，減少釉和破裂并使其具有光澤。但更主要用做陶瓷的顏料，它可使陶瓷的顏色更柔和、純正，色調(diào)新穎，光潔度好。稀土氧化物還可以制造耐高溫透明陶瓷(應(yīng)用于激光等領(lǐng)域)、耐高溫坩堝(冶金)。5.5. 稀土作為熒光燈的發(fā)光材料，是節(jié)能性的光源，特點是光效好、光色好、壽命長。比白熾燈可節(jié)電7580%。稀土元素優(yōu)點優(yōu)點：電動機的效率增強

9、； 電動汽車起動機的起動力會大大增加而體積卻大大減?。?家用電器能耗顯著降低； 有廣泛的應(yīng)用前景，如：磁懸浮高速列車，自動化高速公路。缺點缺點：成本變高磁性材料磁性材料稀土元素結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料：使鋼鐵得到良好特性超導(dǎo)材料：超導(dǎo)材料：混合稀土-鋇-銅-氧超導(dǎo)體貯氫材料：貯氫材料：高容量充電電池的電極。 發(fā)光材料：發(fā)光材料：節(jié)能光源 大面積超薄型顯示屏稀土元素（1 1）、微合金化作用）、微合金化作用 （3 3）、與其它有害元素的作用）、與其它有害元素的作用 （2 2）、捕氫作用）、捕氫作用 稀土元素（4 4）、稀土元素的脫硫、脫氧）、稀土元素的脫硫、脫氧 鋼液中加稀土凈化的鋼液復(fù)雜的硫化物降至2

10、01ppm排出氧化物稀土元素稀土元素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用稀土元素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 增加經(jīng)濟(jì)效益增加作物產(chǎn)量改善作物品質(zhì)增強作物抗逆性稀土元素 對消化系統(tǒng)作用對消化系統(tǒng)作用 對內(nèi)分泌系統(tǒng)作用對內(nèi)分泌系統(tǒng)作用 對神經(jīng)系統(tǒng)的作用對神經(jīng)系統(tǒng)的作用 對人體皮膚的作用對人體皮膚的作用 對人體癌腫及愛滋病毒的作用對人體癌腫及愛滋病毒的作用 稀土元素在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用稀土元素在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 稀土是一種低毒性物質(zhì)，其毒性與鐵差不多，適量適量攝人，有助于提高機體的免疫力；但是，大量補充則會造成對機體的危害。 稀土有促進(jìn)保護(hù)效應(yīng)。大量的實驗表明，稀土可促進(jìn)細(xì)胞的活性；對胰島素細(xì)胞的分泌有調(diào)節(jié)作用，對胃粘膜起保護(hù)作用。

11、稀土是有效的殺菌物。稀土化合物在醫(yī)藥方面的應(yīng)用顯示其特點及優(yōu)越性，對于改善藥物的性能、提高藥效找到了新的途徑。 直接食用稀土元素（或離子）濃度過大，可能是致癌、促癌的原因之一。然而取食于動植物，從而獲取稀土有機物，看來既安全又有益。 稀土雜多配合物顯示出較強的抗愛滋病毒活性及較低的細(xì)胞毒性，是目前為止發(fā)現(xiàn)的一種較好的抗愛滋病毒雜多配合物。 從大量的動物實驗中可以看出REC13對鼠腺垂體細(xì)胞有作用；對甲狀腺結(jié)構(gòu)變化有影響。 稀土元素一是一是鑭系元素之間的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)十分相似二是二是混合稀土化合物中伴生的雜質(zhì)元素較多（如鈾、釷、鈦、鐵、等）。稀土元素分步法分步法 分步法分步法是利用化合物在溶

12、劑中溶解的難易程利用化合物在溶劑中溶解的難易程度（溶解度）上的差別來進(jìn)行分離和提純的。度（溶解度）上的差別來進(jìn)行分離和提純的。分步析出溶解濃縮加熱 但因為稀土元素之間的溶解度差別很小，必須重復(fù)操作多次才能將這兩種稀土元素分離開來。因而這是一件非常困難的工作，全部稀土元素的單一分離耗費了100多年，一次分離重復(fù)操作竟達(dá)2萬次，對于化學(xué)工作者而言，其艱辛的程度，可想而知。因此用這樣的方法不能大量生產(chǎn)單一稀土。稀土元素離子交換法離子交換法陽離子交換樹脂填充于柱子內(nèi)待分離稀土從上到下流經(jīng)柱子形成絡(luò)合物的稀土就脫離離子交換樹脂稀土絡(luò)合物分解吸附于樹脂上稀土元素離子交換法離子交換法優(yōu)點優(yōu)點：一次操作可以分

13、離多個元素，產(chǎn)品純度高。 缺點缺點：不能連續(xù)處理，一次操作周期長，成本高。稀土元素溶劑萃取法溶劑萃取法優(yōu)點優(yōu)點：分離效果好、生產(chǎn)能力大、便于快速連續(xù)生產(chǎn)、易于實現(xiàn)自動控制。 反萃取洗滌萃取稀土元素鑭系元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢 /V 從稀土元素的電極反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電勢值可知，稀土金屬非?；顫姡蚁⊥裂趸锏纳蔁岷艽?，十分穩(wěn)定，制備純金屬比較困難，通常采用熔鹽電解法和金屬熱還原法等。 稀土元素熔鹽電解法 用于制取大量混合稀土金屬或單一稀土金屬，電解液：無水RECl3、助熔劑（NaCl或KCl）。 如果原料為混合的RECl3，電解產(chǎn)物為混合稀土金屬；如果原料為單一的RECl3，則電解產(chǎn)物也是唯一的稀土金屬。

14、有關(guān)的電極反應(yīng)為： 陰極陰極 RERE3 3+ + 3e+ + 3e- - RE RE陽極陽極 ClCl- - 1/2Cl 1/2Cl2 2 + e + e- -稀土元素熔鹽電解法 通過電流密度、電解槽溫度及電解液組成等條件控制，使電解在析出稀土金屬的范圍進(jìn)行。 氧化物-氟化物熔鹽體系的電解是利用稀土氧化物溶解在氟化物（作為助熔劑）中電解，電解時的反應(yīng)為 ：陰極陰極 RERE3 3+ + 3e+ + 3e- - RE RE陽極陽極 O O2 2- - + C CO + 2e + C CO + 2e- - 2O 2O2 2- - + C CO + C CO2 2 + 4e + 4e- - 2O 2O2 2- - O O2 2 +4e- +4e-陽極陽極上可有CO，CO2及O2氣放出。陰極陰極上析出稀土金屬。 稀土元素金屬熱還原法金屬熱還原法 輕稀土金屬（La、Ce、Pr、Nd等）常用金屬Ca還原它們的氯化物來制備： 2RECl3 + 3Ca -2RE + 3CaCl2 重稀土元素（Tb、Dy、Y、Ho、Er