無(wú)機(jī)化學(xué)第16章稀土元素

稀土元素稀土元素一．稀土元素的簡(jiǎn)介和性質(zhì)

二.稀土元素的應(yīng)用三.稀土元素的分離

四.稀土元素的制備

稀土元素的簡(jiǎn)介和性質(zhì)稀土元素的組成

稀土元素的發(fā)現(xiàn)

稀土元素的化學(xué)性質(zhì)

稀土元素的物理性質(zhì)

稀土元素的組成

稀土元素：周期系ⅢB族中原子序數(shù)為21、39和57～71的17種化學(xué)元素的統(tǒng)稱(chēng)。其中原子序數(shù)為57～

71的15種化學(xué)元素又統(tǒng)稱(chēng)為鑭系元素。稀土元素包括鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥。稀土元素的發(fā)現(xiàn)

稀土金屬是芬蘭學(xué)者加多林(JohanGado1in)在1794年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)在瑞典的礦石中發(fā)現(xiàn)了礦物組成類(lèi)似“土”狀物而存在的釔土，且又認(rèn)為稀少，便定名為

(BaxeEarth)。“稀有的土”稀土元素的化學(xué)性質(zhì)③氧化物穩(wěn)定。②比其他金屬元素都活潑。①燃點(diǎn)低。④氧化物熔點(diǎn)高，生成自由能負(fù)值大。

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）電子構(gòu)型角度：

稀土元素在基態(tài)時(shí)的電子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)。

圖-1稀土元素的原子性質(zhì)圖

從上表中可看到，La有4f空軌道，Gd的4f軌道為半充滿(mǎn)，Lu的4f軌道為全充滿(mǎn)，這些都是穩(wěn)定的電子構(gòu)型。（2）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(shì)上都隨著原子核電荷數(shù)的增大而減小，這一現(xiàn)象叫做鑭系收縮。

鑭系收縮

在鑭系原子半徑收縮的過(guò)程中，有兩處突躍。即銪和鐿的原子半徑突然增大，在圖中在銪和鐿處出現(xiàn)了兩個(gè)峰值。

由于銪和鐿各自具有半充滿(mǎn)和全充滿(mǎn)的4f亞層，這一相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)對(duì)核電荷的屏蔽較大，所以原子半徑明顯增大。離子半徑稀土元素的重要化合物①氫氧化物②氧化物③堿性氧化物④配合物①類(lèi)型和數(shù)目比d過(guò)渡元素要少得多。②

Ln3+離子半徑較大，配合物穩(wěn)定性差。③

Ln3+與配位體之間的作用力很弱，主要通過(guò)靜電作用。配合物稀土元素的物理性質(zhì)

大部分稀土金屬呈緊密六方晶格或面心立方晶格結(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(wú)成單電子而呈反磁性，而具有4f1~13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。

ScYLaCePrNdPmSmEu密度(g/cm3)2.994.476.196.776.787.00——7.545.26熔點(diǎn)(℃)153915099207959351024——1072826GdTbDyHoErTmYbLu密度(g/cm3)7.888.278.548.809.059.336.989.84熔點(diǎn)(℃)1312135614071461149715458241652+3氧化態(tài)鑭系元素離子多數(shù)有顏色，如果陰離子為無(wú)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(duì)的電子數(shù)。當(dāng)三價(jià)離子具有fn和f14-n電子構(gòu)型時(shí)，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。

稀土元素的應(yīng)用MagicRare

earth

element工業(yè)領(lǐng)域農(nóng)業(yè)領(lǐng)域醫(yī)藥領(lǐng)域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；鑄鐵中稀土作為石墨球化劑、形核劑核對(duì)有害元素的控制劑，提高鑄件質(zhì)量，改善機(jī)械性能。有色合金方面，可改善合金的物理和機(jī)械性能。應(yīng)用最多的使鋁、鎂、銅三個(gè)系列。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?？梢杂糜谑土鸦?、合成橡膠等工業(yè)。近來(lái)，科學(xué)家正致力于研究用稀土金屬作為汽車(chē)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(gè)應(yīng)用：玻璃著色、玻璃脫色和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(jià)鐵氧化為三價(jià)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.

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.

稀土作為熒光燈的發(fā)光材料，是節(jié)能性的光源，特點(diǎn)是光效好、光色好、壽命長(zhǎng)。比白熾燈可節(jié)電75—80%。優(yōu)點(diǎn)：①電動(dòng)機(jī)的效率增強(qiáng)；②電動(dòng)汽車(chē)起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力會(huì)大大增加而體積卻大大減??；③家用電器能耗顯著降低；④有廣泛的應(yīng)用前景，如：磁懸浮高速列車(chē)，自動(dòng)化高速公路。缺點(diǎn)：成本變高磁性材料結(jié)構(gòu)材料：使鋼鐵得到良好特性超導(dǎo)材料：混合稀土-鋇-銅-氧超導(dǎo)體貯氫材料：高容量充電電池的電極。

發(fā)光材料：節(jié)能光源大面積超薄型顯示屏作用原理（1）、微合金化作用

（3）、與其它有害元素的作用

（2）、捕氫作用

作用原理（4）、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201ppm排出氧化物稀土元素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

④增加經(jīng)濟(jì)效益①增加作物產(chǎn)量②改善作物品質(zhì)③增強(qiáng)作物抗逆性①對(duì)消化系統(tǒng)作用②對(duì)內(nèi)分泌系統(tǒng)作用

③對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用

④對(duì)人體皮膚的作用

⑤對(duì)人體癌腫及愛(ài)滋病毒的作用

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，適量攝人，有助于提高機(jī)體的免疫力；但是，大量補(bǔ)充則會(huì)造成對(duì)機(jī)體的危害。

稀土有促進(jìn)保護(hù)效應(yīng)。大量的實(shí)驗(yàn)表明，稀土可促進(jìn)細(xì)胞的活性；對(duì)胰島素細(xì)胞的分泌有調(diào)節(jié)作用，對(duì)胃粘膜起保護(hù)作用。

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(diǎn)及優(yōu)越性，對(duì)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(guò)大，可能是致癌、促癌的原因之一。然而取食于動(dòng)植物，從而獲取稀土有機(jī)物，看來(lái)既安全又有益。稀土雜多配合物顯示出較強(qiáng)的抗愛(ài)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(ài)滋病毒雜多配合物。

從大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中可以看出REC13對(duì)鼠腺垂體細(xì)胞有作用；對(duì)甲狀腺結(jié)構(gòu)變化有影響。

一是鑭系元素之間的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)十分相似分離困難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）。稀土元素的分離稀土元素的分離①分步法

分步法是利用化合物在溶劑中溶解的難易程度（溶解度）上的差別來(lái)進(jìn)行分離和提純的。分步析出溶解濃縮加熱

但因?yàn)橄⊥猎刂g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(kāi)來(lái)。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(fèi)了100多年，一次分離重復(fù)操作竟達(dá)2萬(wàn)次，對(duì)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。稀土元素的分離②離子交換法陽(yáng)離子交換樹(shù)脂填充于柱子