Домой Регистрация
Приветствуем вас, Гость

Содержание


Форма входа

Население


Вступайте в нашу группу Вконтакте! :)


Меню

ПОИСК


Опросник
Используете ли вы афоризмы и цитаты в своей речи?
[ Показать результаты · Архив ]
Проголосовало 514 человек


Главная » Разное » Редкоземельные металлы что это такое

Редкоземельные металлы что это такое


Редкоземельные элементы - это... Что такое Редкоземельные элементы?

Редкоземе́льные элеме́нты — группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. Все эти элементы — металлы серебристо-белого цвета, при том все имеют сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3).

Происхождение названия

Название «редкоземельные» (встречается сокращение TR, ср. лат. terrae rarae — «редкие земли») дано в связи с тем, что они, во-первых, сравнительно редко встречаются в земной коре (содержание (1,6-1,7)·10−2% по массе) и, во-вторых, образуют тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды (такие оксиды в начале XIX века и ранее назывались «землями»).

Название «редкоземельные элементы» исторически сложилось в конце XVIII — начале XIX века, когда ошибочно считали, что минералы, содержащие элементы двух подсемейств, — цериевого (лёгкие — La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и иттриевого (тяжёлые — Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) — редко встречаются в земной коре. Однако по запасам сырья редкоземельные элементы не являются редкими, по суммарной распространенности они превосходят свинец в 10 раз, молибден — в 50 раз, вольфрам — в 165 раз.

История

В 1794 году финский химик Юхан Гадолин, исследуя рудные образцы вблизи шведского местечка Иттербю, обнаружил неизвестную до того «редкую землю», которую назвал по месту находки иттрий. Позже, немецкий химик Мартин Клапрот разделил эти образцы на две «земли», для одной из которых он оставил имя иттрий, а другую назвал церий (в честь недавно открытой малой планеты Церера и по имени древнеримской богини Цереры). Немного спустя шведский ученый К. Мосандер сумел выделить из того же образца еще несколько «земель». Все они оказались оксидами новых элементов, получивших название редкоземельные металлы. Совместно к 1907 году химики обнаружили и идентифицировали всего 14 таких элементов. На основе изучения рентгеновских свойств всем элементам были присвоены атомные номера от 57 (лантан) до 71 (лютеций), кроме 61. По возрастанию атомного веса они расположились следующим образом:

Вначале ячейка под номером 61 была незаполненной, в дальнейшем это место занял прометий, выделенный из продуктов деления урана и ставший 15-м членом этого семейства.

Свойства и получение

Оксиды редкоземельных элементов. По часовой стрелке от центрального первого: празеодим, церий, лантан, неодим, самарий, гадолиний

Редкоземельные элементы проявляют между собой большое сходство химических и некоторых физических свойств, что объясняется почти одинаковым строением наружных электронных уровней их атомов. Редкоземельные элементы — металлы, их получают восстановлением соответствующих оксидов, фторидов, электролизом безводных солей и другими методами.

Химические свойства

Скандий, иттрий и лантаноиды имеют высокую реакционную способность. Химическая активность этих элементов особенно заметна при повышенных температурах. При нагревании до 300—400 °C металлы реагируют даже с водородом, образуя Rh4 и Rh3 (символ R выражает атом редкоземельного элемента). Эти соединения достаточно прочные и имеют солевой характер. При нагревании в кислороде металлы легко реагируют с ним, образуя оксиды: R2O3, CeO2, Pr6O11, Tb4O7 (лишь только Sc и Y при помощи образования защитной оксидной плёнки являются стойкими на воздухе, даже при нагревании до 1000 °C). Во время горения данных металлов в атмосфере кислорода выделяется большое количество тепла. При сгорании 1 г лантана выделяется 224,2 ккал тепла. Для церия характерной особенностью является свойство пирофорности — способность искриться при разрезании металла на воздухе.

Диоксид церия

Лантан, церий и другие металлы уже при обычной температуре реагируют с водой и кислотами-неокислителями, выделяя водород. Из-за высокой активности к атмосферному кислороду и воде куски лантана, церия, иттрия и др. следует хранить в парафине.

Химическая активность редкоземельных металлов неодинакова. От скандия до лантана химическая активность возрастает, а в ряду лантан — лютеций — снижается. Отсюда следует, что наиболее активным металлом является лантан. Это обуславливается уменьшением радиусов атомов элементов от лантана до лютеция с одной стороны, и от лантана до скандия — с другого.

Эффект «лантаноидной контракции» (сжатия) приводит к тому, что следующие после лантаноидов элементы (гафний, тантал, вольфрам, рений, осмий, иридий, платина) имеют уменьшенные радиусы атомов на 0,2—0,3 Å отсюда и очень схожие их свойства со свойствами соответствующих элементов пятого периода.

В элементах — скандий, иттрий, лантан — d-оболочка предпоследнего электронного слоя только начинает образовываться, поэтому радиусы атомов и активность металлов в этой группе возрастают сверху вниз. Этим свойством группа отличается от других побочных подгрупп металлов, у которых порядок изменения активности противоположный.

Поскольку радиус атома иттрия (0,89 Å) близок к радиусу атома гольмия (0,894 Å), то по активности этот металл должен занимать одно из предпоследних мест. Скандий же из-за своей активности должен располагаться после лютеция. В этом ряду ослабляется действие металлов на воду.

Редкоземельные элементы чаще всего проявляют степень окисления +3. Из-за этого наиболее характерными являются оксиды R2O3 — твёрдые, крепкие и тугоплавкие соединения. Будучи основными оксидами, они для большинства элементов способны соединяться с водой и создавать основания — R(OH)3. Гидроксиды редкоземельных металлов малорастворимы в воде. Способность R2O3 соединяться с водой, основная функция, то есть и растворимость R(OH)3 уменьшаются в той же последовательности, что и активность металлов: Lu(OH)3, а особенно Sc(OH)3, проявляют некоторые свойства амфотерности. Так, кроме раствора Sc(OH)3 в концентрированном NaOH, получена соль: Na3Sc(OH)6·2h3O.

Поскольку металлы данной подгруппы активны, а их соли сильных кислот растворимы, они легко растворяются в кислотах-неокислителях и кислотах-окислителях.

Все редкоземельные металлы энергично реагируют с галогенами, создавая RHal3 (Hal — галоген). С серой и селеном они также реагируют, но при нагревании.

Нахождение в природе

Как правило, редкоземельные элементы встречаются в природе совместно. Они образуют весьма прочные окислы, галоидные соединения, сульфиды. Для лантаноидов наиболее характерны соединения трёхвалентных элементов. Исключение составляет церий, легко переходящий в четырёхвалентное состояние. Кроме церия четырёхвалентные соединения образуют празеодим и тербий. Двухвалентные соединения известны у самария, европия и иттербия. По физико-химическим свойствам лантаноиды весьма близки между собой. Это объясняется особенностью строения их электронных оболочек.

Суммарное содержание редкоземельных элементов составляет более 100 г/т. Известно более 250 минералов, содержащих редкоземельные элементы. Однако к собственно редкоземельным минералам могут быть отнесены только 60 — 65 минералов, в которых содержание Ме2О3 превышает 5 — 8 %. Главнейшие минералы редких земель — монацит (Ce, La)PO4, ксенотим YPO4, бастнезит Ce[CO3](OH, F), паризит Ca(Ce, La)2[CO3]3F2, гадолинит Y2FeBe2Si2O10, ортит (Ca, Ce)2(Al, Fe)3Si3O12(O, OH), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3, эшинит (Ce, Ca, Th)(Ti, Nb)2O6. Наиболее распространён в земной коре церий, наименее — тулий и лютеций.

Несмотря на неограниченный изоморфизм, в группе редких земель в определённых геологических условиях возможна раздельная концентрация редких земель иттриевой и цериевой подгрупп. Например, с щелочными породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественное развитие получает цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной щёлочностью — иттриевая. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы. Многие тантало-ниобаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты — цериевую. Некоторая дифференциация редких земель отмечается и в экзогенных условиях. Изоморфное замещение редких земель между собой, несмотря на разницу в их порядковых номерах, обусловлено явлениями «лантаноидного сжатия»: с увеличением порядкового номера происходит достройка внутренних, а не внешних электронных орбит, в результате чего объём ионов не увеличивается.

Селективное накопление редкоземельных элементов в минералах и горных породах может быть обусловлено различиями в их радиусах ионов. Дело в том, что радиусы ионов лантаноидов закономерно уменьшаются от лантана к лютецию. Вследствие этого возможно преимущественное изоморфное замещение в зависимости от степени различия в размерах замещённых ионов редкоземельных элементов. Так, в скандиевых, циркониевых и марганцевых минералах могут присутствовать только редкие земли ряда лютеций — диспрозий; в урановых минералах преимущественно накапливаются минералы средней части ряда (иттрий, диспрозий, гадолиний); в ториевых минералах должны концентрироваться элементы цериевой группы; в состав стронциевых и бариевых минералов могут входить только элементы ряда европий — лантан.

Производство

В 2007—2008 гг. в мире добывалось по 124 тыс. т редкоземельных элементов. Причем лидировали следующие страны Китай (120,00 тыс. т), Индия (2,70 тыс. т), Бразилия (0,65 тыс. т). Данные по СНГ, США и Австралии на 2008 год неизвестны. На конец 2008 года данные по запасам следующие: Китай (89 000 тыс. т), СНГ (21 000 тыс. т), США (14 000 тыс. т), Австралия (5 800 тыс. т), Индия (1 300 тыс. т), Бразилия (84 тыс. т).[1]

В июле 2011 года исследовательская группа из Японии обнаружила на дне Тихого океана обширные залежи редкоземельных материалов. Находка подтверждена образцами грунта, извлеченными со дна на глубинах от 3500 до 6000 м в 78 местах. Залежи располагаются в международных водах и тянутся к западу и востоку от Гавайев, а также к востоку от Таити и Французской Полинезии. По оценкам специалистов, найденные залежи содержат от 80 до 100 млрд метрических тонн редкоземельных материалов, что значительно больше текущих глобальных запасов на уровне 100 млн тонн[2].

Применение

Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, в металлургии и др. Широко применяют La, Ce, Nd, Pr в стекольной промышленности в виде оксидов и других соединений. Эти элементы повышают светопрозрачность стекла. Редкоземельные элементы входят в состав стекол специального назначения, пропускающих инфракрасные лучи и поглощающих ультрафиолетовые лучи, кислотно- и жаростойких стекол. Большое значение получили редкоземельные элементы и их соединения в химической промышленности, например, в производстве пигментов, лаков и красок, в нефтяной промышленности как катализаторы. Редкоземельные элементы применяют в производстве некоторых взрывчатых веществ, специальных сталей и сплавов, как газопоглотители. Монокристаллические соединения редкоземельных элементов (а также стёкла) применяют для создания лазерных и других оптически активных и нелинейных элементов в оптоэлектронике. На основе Nd, Y, Sm, Er, Eu с Fe-B получают сплавы с рекордными магнитными свойствами (высокие намагничивающая и коэрцитивная силы) для создания постоянных магнитов огромной мощности, по сравнению с простыми ферросплавами.

См. также

Примечания

Самые дорогие редкоземельные металлы

На сегодняшний день в группу редкоземельных элементов входит всего 17 элементов Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Их объединяют общие физико-химические свойства. Прежде всего, все они металлы, имеющие серебристо-белый цвет, а самые редкие из них ещё и высокую стоимость на международном рынке. Та страна, в недрах которой залегает хотя бы один из самых редких металлов этой группы, обладает поистине великим сокровищем, ведь цена килограмма таких металлов может составлять тысячи долларов. Итак, какие же металлы входят в группу редкоземельных.

Редкоземельные металлы -- дефицитный товар

Металлы, составляющие группу редкоземельных

В состав группы редкоземельных металлов входят следующие элементы:

  1. Скандий. 21-й элемент Периодической системы элементов. Получил своё название от Скандинавского полуострова, где впервые был обнаружен.
  2. Иттрий. 39-й элемент системы. Его название связано с месторождением металлов в шведском селе Иттербю. Ещё несколько элементов этой группы впоследствии получили названия, так или иначе связанные с этим месторождением.
  3. Лантан. Это 57-й элемент, который получил своё название от греческого слова «скрытный».
  4. Церий. 58-й элемент. Назван в честь римской богини плодородия и урожая Цереры.
  5. Празеодим. 59-й элемент. В своём спектральном анализе содержит зелёный свет, за счет чего и получил такое латинское название – «зелёный близнец». Входил в состав дидима вместе неодимом, отсюда и называется «близнец».
  6. Неодим. 60-й элемент, который носит латинское название «новый близнец».
  7. Прометий. 61-й элемент, названный в честь древнегреческого героя Прометея, давшего людям огонь. Этот элемент был выделен в процессе искусственного деления урана.
  8. Самарий. 62-й элемент. Был выделен из минерала самарксита, поэтому получил такое название.
  9. Европий. 63-й элемент. Название получил в честь богини Европы.
  10. Гадолиний. 64-й элемент. Его название связано с учёным-первооткрывателем группы редкоземельных металлов Иохана Гадолина.
  11. Тербий. 65-й элемент, получивший своё название от названия месторождения, где он был впервые найден – Иттербийского, которое расположено в Швеции.
  12. Диспрозий. 66-й элемент, который получил по латыни название «труднодоступный».
  13. Гольмий. 67-й элемент, назван в честь города Стокгольм.
  14. Эрбий. 68-й элемент. Получил своё название от местечка Иттербю, расположенного в Швеции.
  15. Тулий. 69-й элемент, названный по старому названию Скандинавии.
  16. Иттербий. 70-й элемент, опять-таки его название связано со шведским селом Иттербю и его месторождением.
  17. Лютеций. 71-й элемент, который назван в честь старого названия Парижа.

Элементы, начиная от 57 элемента, носят название металлы лантанового ряда.

Скандий

Иттрий

Лантан

Церий

Празеодим

Неодим

Металлический прометий

Самарий

Европий

Гадолиний

Тербий

Диспрозий

Гольмий

Эрбий

Тулий

Иттербий

Лютеций

Автомобиль становится сокровищницей

История открытия редкоземельных металлов

В природе все редкоземельные металлы существуют только в виде оксидов. Ранее оксиды носили название «терра», что значит «земля». Поэтому, когда из оксидов сразу не удалось получить чистые металлы, их стали называть «редкая земля», то есть редкоземельные. Этим учёные старались подчеркнуть их малочисленность в природе. Они тогда не знали, что большинство редкоземельных металлов чрезвычайно распространено в земной коре.

Само открытие этих металлов до сих пор покрыто завесами тайны. Считается, что приоритет в этой области принадлежит финну Юхану Гадолину, который в 1794 году в месторождении под шведским селом Иттербю, впервые нашел минерал, в состав которого входил описанный им иттрий. Параллельно с Гадолином ещё два шведских химика также занимались изучением редкоземельных металлов – Берцелиус и Хизингер. Их открытия перекликались и пересекались. В то время так и не удалось получить ни одного металла в чистом виде, все они представляли собой сложные оксиды.

Наш, Д.И. Менделеев, создавая свой труд «Основы химии», признавал наличие только 6 редкоземельных металла: иттрия, лантана, церия, эрбия, тербия и дидима, как тогда называли элементы празеодим и неодим. Причём, даже существование тербия было им поставлено под вопросом. Уже к концу XIX века ситуация с редкоземельными элементами прояснилась и им было отведено место в Периодической системе элементов между барием и танталом.

Промышленное использование редкоземельных металлов

Долгое время редкоземельные металлы считались скучными и химически малоинтересными. Ситуация изменилась в корне, когда в 60- годы XX века появились технологии выделения чистых металлов этой группы на основе использования технологий разделения изотопов урана. Учёные сразу отметили магнитные свойства этих элементов. На тот момент мировое промышленное производство уже не мыслило себя без трансформаторов, электрогенераторов, моторов и других приборов, где используется электромагнитная индукция.

Долгое время основу для создания магнитных материалов составляли углеродистое железо и железокобальтовые сплавы. Когда были разработаны технологии промышленного выделения редкоземельных материалов, то цена многих из них резко снизилась, и стало возможным их применение в производстве магнитных сплавов.

Кроме того, с развитием науки стало возможным искусственное выращивание монокристаллов некоторых металлов этой группы. Были открыты свойства некоторых редкоземельных металлов – они обладают огромной магнитной энергией и на их основе можно создавать мощные постоянные магниты. Сами эти металлы при намагничивании могут менять свои размеры. К этим металлам относятся диспрозий, самарий, гадолиний и другие. Магнитные сплавы из этих металлов используются при производстве компьютеров и вычислительной техники. Интерес промышленности к свойствам редкоземельных материалов до сих пор остаётся огромным.

Без редкоземельных металлов невозможно производство энергосберегающих ламп, гибридных автомобилей, систем наведения и ночного виденья, беспилотных летательных аппаратов. Также эти металлы используются в технологиях stealth.

Запасы редкоземельных металлов в России

В Сибири, в массиве Томтор, который располагается на границе между Якутией и Красноярским краем, новосибирскими учёными было открыто одно из самых больших в мире месторождений редкоземельных металлов, которое было подвергнуто исследованию и разработке. Многие ученые считают, что без промышленной разработки этого месторождения России придётся забыть о пути совершенствования и развития инновационных технологий.

Именно на Томторе, на сравнительно небольшом участке можно найти редкоземельных металлов на сумму более четверти триллиона долларов. Даже если заниматься разработкой и выделением только одного из металлов, то месторождение все равно будет рентабельным. Килограмм руды из этого месторождения стоит выше, чем килограмм сливочного масла. Это потому, что редкоземельные металлы, которые находятся в ней, обладают такими волшебными свойствами, которые очень ценятся в высокотехнологичных производствах. Без высокотехнологичного производства невозможен прогресс ни одной страны, поэтому российские учёные считают разработку месторождения Томтор приоритетной для страны. Разработанным месторождением редкоземельных металлов в России является Левозерский рудник в Мурманской области.

Кроме России значительными запасами редкоземельных металлов обладают Китай, США и Казахстан. Разработка месторождений редкоземельных металлов дело довольно хлопотное. Очень часто эти месторождения загрязнены радиоактивными торием и ураном. Они удаляются техническими кислотами. Правда, иногда утечка радиоактивных веществ является столь значительной, что месторождения приходится закрывать. Так произошло в США, в штате Монтана.

Рейтинг ценности редкоземельных металлов

Большинство редкоземельных металлов, несмотря на название, широко распространены в глинозёмных и гранитных породах. Они широко применяются в промышленности и технике. Но существует небольшая группа этих металлов, имеющая высокую стоимость из-за малого наличия их в минералах земной коры и дорогими технологиями их выделения. Эти металлы входят в состав многих точных приборов, без их применения невозможно развитие современных нанотехнологий. Вот поэтому интерес к этим редкоземельным металлам весьма высок во всём мире. Список значимости самых дорогих редкоземельных металлов выглядит так:

Самым дорогим из представленных металлов является лютеций. Тербий Впервые оксид тербия был выделен шведским химиком Мосандером в 1840 году. Чистый тербий был получен лишь в начале прошлого века французским учёным Урбеном. Тербий – элемент редкий и дорогой и в настоящее время в основном используется для изучения собственных свойств и возможностей применения.

Тербий выделяют из смеси редкоземельных элементом методом ионной хроматографии или путем экстракции. Он представляет собой серебристо-белый металл, устойчивый к условиям комнатной температуры. Тербий – уникальный элемент, обладающий рядом удивительных физических свойств.

В настоящее время применение тербия оправдано в создании магнитных сплавов, имеющих свойство менять размеры, в производстве термоэлектрических материалов, в лазерных технологиях, в электронике в качестве люминофора, в конструировании магнитных холодильников. Кроме того, тербий применяется в качестве высокотехнологичного катализатора окисления, а также в виде просветляющего покрытия на кремнии для микроэлектроники. Неодим Этот металл был открыт в 1885 году австрийским химиком Вельсбахом. Ранее считалось, что существует единый элемент дидим. Но Вельсбаху удалось разделить дидим на празеодим и неодим.

В природе неодим добывается карьерным способом, но в очень малых количествах. Чистый неодим получают путем электролиза расплава хлорида или фторида неодима. Неодим – красивый серебристо-белый металл с легким золотистым оттенком. При нагревании на воздухе он быстро окисляется, вступает в соединения с азотом, водородом и другими неметаллами, а также с минеральными кислотами.

Неодим – дорогой металл, цена на него зависит от страны-производителя и технологий, которые применялись для его выделения. Неодим на сегодняшний день нашел широкое применение в производстве цветного стекла и лазерных материалов, в производстве мощных постоянных магнитов, в технологиях получения стекловолокна. Неодим входит в состав, которым легируются конструкционные сплавы стали, а также в состав для обработки сельскохозяйственных семян с целью увеличения их всхожести. Европий История открытия европия насчитывает довольно длительный период. Многие учёные в конце XIX и в начале XX века изучали свойства европия и описывали его свойства. В 1937 году впервые удалось выделить чистый металлический европий.

Европий – мягкий металл серебристо-белого цвета, который легко окисляется в обычных условиях. Вот поэтому чистый европий хранят в запаянных ампулах под слоем расплавленного парафина, а его обработкой занимаются в инертных условиях. Европий хорошо поддаётся обработке и по своим свойствам напоминает свинец.

В природе в свободном виде европий не встречается

А выделяется из таких минералов, как лопарит и моноцит. Европий практически самый редкий из редкоземельных металлов и один из самых редких элементов Периодической таблицы. Вот поэтому его цена и является столь высокой на международном рынке. Неодим дороже серебра в несколько раз. Он широко используется в ядерной энергетике, в производстве лазерных материалов, в электронике, медицине и производстве люминофор.

Лютеций В виде оксида лютеций был открыт в 1907 году сразу 3-мя учёными Вельсбахом, Урбеном и Джеймсом. Название элементу дал француз Жорж Урбен, который произвёл его от латинского названия Парижа. Впервые чистый лютеций был выделен в 60-х годах прошлого века. Получают лютеций из минералов путем ионного обмена, экстракции и восстановления с помощью кальция из фторида лютеция. Цена на этот редкоземельный металл составляет 3-3,5 тысячи долларов за 1 килограмм чистого вещества.

Лютеций – метал серебристого цвета, самый тяжёлый в своей группе. Он легко поддаётся обработке. На воздухе этот металл покрывается плотной пленкой из оксида лютеция. Взаимодействует со многими неметаллами и неорганическими кислотами.

Лютеций применяется в производстве лазерных материалов, магнитных сплавов для космической техники, для создания жаропрочной проводящей керамики, в ядерной энергетике. С добавлением лютеция производят сплавы с высокотемпературной сверхпроводимостью, а также составы для легирования жаростойких материалов.

Редкоземельные металлы являются востребованными в настоящее время, но многие их свойства пригодятся и для производства технологий будущего. Вот поэтому учёные многих стран мира проводят исследования по изучению их свойств. Какими ещё необычными свойствами обладают эти металлы, покажет время.

редкоземельные металлы - это... Что такое редкоземельные металлы?

Редкоземельные металлы - это... Что такое Редкоземельные металлы?

Редкоземе́льные элеме́нты (ре́дкие зе́мли) — группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. Все эти элементы — металлы серебристо-белого цвета, притом все имеют сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3).

Происхождение названия

Название «редкоземельные» дано в связи с тем, что они, во-первых, сравнительно редко встречаются в земной коре (содержание (1,6-1,7)×10−2% по массе) и, во-вторых, образуют тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды (такие оксиды в начале XIX века и ранее назывались «землями»).

Название «редкоземельные элементы» исторически сложилось в конце XVIII — начале XIX века, когда ошибочно считали, что минералы, содержащие элементы двух подсемейств, — цериевого (La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и иттриевого (Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) — редко встречаются в земной коре. Однако по запасам сырья редкоземельные элементы не являются редкими, по суммарной распространенности они превосходят свинец в 10 раз, молибден — в 50 раз, вольфрам — в 165 раз.

Свойства и получение

Редкоземельные элементы проявляют между собой большое сходство химических и некоторых физических свойств, что объясняется почти одинаковым строением наружных электронных уровней их атомов. Редкоземельные элементы — металлы, их получают восстановлением соответствующих оксидов, фторидов, электролизом безводных солей и другими методами.

Нахождение в природе

Как правило, редкоземельные элементы встречаются в природе совместно. Наиболее важными источниками редкоземельных элементов служат минералы монацит, лопарит, бастнезит, ксенотим и гадолинит. Наиболее распространён в земной коре церий , наименее — тулий и лютеций.

Применение

Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, в металлургии и др. Широко применяют La, Ce, Nd, Pr в стекольной промышленности в виде оксидов и других соединений. Эти элементы повышают светопрозрачность стекла. Редкоземельные элементы входят в состав стекол специального назначения, пропускающих инфракрасные лучи и поглощающих ультрафиолетовые лучи, кислотно- и жаростойких стекол. Большое значение получили редкоземельные элементы и их соединения в химической промышленности, например, в производстве пигментов, лаков и красок, в нефтяной промышленности как катализаторы. Редкоземельные элементы применяют в производстве некоторых взрывчатых веществ, специальных сталей и сплавов, как газопоглотители. Монокристаллические соединения редкоземельных элементов (а также стёкла) применяют для создания лазерных и других оптически активных и нелинейных элементов в оптоэлектронике.

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

Редкоземельные элементы - что это?

О драгоценных и полудрагоценных камнях Комментарии и отзывы о сайте подробней... В ХХI веке не может не казаться странным, отчего это металлы скандий, иттрий и группа от лантана до лютеция зовут «землями»? И почему ископаемые, добываемые сотнями тысяч тонн в год, именуются редкими? Ответы кроются в прошлом...

Сила традиций

Науке прошлых тысячелетий было свойственно делить материю на четыре элемента: землю, огонь, воду и воздух. Со временем «огонь» стали величать «плазмой» и отнесли к особым состояниям вещества. «Воду» научились отличать от иных жидкостей. Понятие «воздуха» развилось в разнообразие газов. И только «земля» тихой сапой пробралась к границам современности: в не столь уж и далеком ХIХ веке оксиды металлов по старинке звали не иначе как «землями»...

При этом несколько металлов – а именно скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций – имели репутацию неуловимых. Ученые с трудом добывали граммы этих веществ!

Оксиды этих металлов по тем временам вполне обоснованно звались «редкими землями», вследствие чего и сами химические элементы обрели название редкоземельных.

ХХ век – век борьбы за редкоземельные металлы

Парижская выставка всемирных достижений состоялась в 1900-м году. Ценители научных достижений искренне восхищались неброскими брусочками слитков. Химики с гордостью поглядывали на обывателей: еще бы! Ученым наконец-то удалось выделить лантан и его металлических собратьев в чистом (как тогда считалось) виде! Достижение преподносилось как успех академической науки. Практического применения редкоземельным металлам в ту пору не находилось. Возможно, во многом поэтому выделение гольмия, лютеция и тулия в чистом виде припоздало почти на столетие и состоялось уже в конце ХХ века.

Где прячутся редкоземельные элементы

Столп отечественной химии, Дмитрий Менделеев, оценивал распространенность «редких земель» в земной коре как исчезающе малую. Современная наука опровергает опасения Менделеева: подсчитано, что из всех доступных к освоению металлов не менее 20% приходится на редкоземельные элементы. Минералогия описывает 250 минералов, содержащих в себе редкоземельные металлы. Но лишь четверть из них имеют промышленное значение. Добыча и переработка руд, содержащих менее 5% металла, является убыточной. Самым известным рудным минералом «редких земель» считается монацитовый песок. Монацит – это фосфат одного (самария) или сразу нескольких редкоземельных металлов. Россыпи раздробленного волнами моноцита нередки для морских побережий.

Чаще всего монациты становятся источником церия и радиоактивного тория. В суровые годы монацитовые пески собирают и вывозят прямо с морских пляжей, где они намываются в метровые пласты. В спокойные времена добыча редкоземельных металлов ведется из руд, разрабатываемых промышленно. Например, широко известные з апатиты могут содержать до трех процентов соединений редкоземельных элементов.

Статистический анализ дает поразительную картину. Свинца на Земле вдесятеро меньше, чем редкоземельных металлов. Запасы сурьмы меньше залежей редкоземельных элементов уже в 320 раз...

При этом самые «раритетные» из редкоземельной группы, а именно европий, тулий и лютеций, по объему запасов превышают многие востребованные металлы. Серебро и ртуть, которые уж никак не относятся к особенно редким, а также золото и платиноиды, даже в сумме не могут соперничать с одним только европием!

Просто долго не умели добывать...

И в наши дни извлечение редкоземельных металлов из рудных соединений – задача технологически сложная, решаемая с огромными энергозатратами. Столетие назад изготовление слитков к выставке в Париже требовало и вовсе титанических затрат труда. К примеру, Жорж Урбэн, выдающийся французский химик и первооткрыватель лютеция, истратил десять лет на получение очищенной от примесей окиси тулия! Призывы присвоить редкоземельным металлам статус официальных сокровищ, предложения использовать их как удобное средство накопления звучали на заре прошлого века вполне логично. Но развитие науки и совершенствование техники не оставило от подобных идей даже следа.

Редкоземельные металлы в наше время

Первый «щелчок по носу» дороговизна редкоземельных элементов получила от геологии. Активное и тщательное исследование месторождений полезных ископаемых вывело «редкие земли» из класса минералогической аристократии в разряд часто встречающихся соединений. Правда, распределение местностей залегания редкоземельных руд неравномерно. Китай владеет наибольшими разведанными запасами. Америка и Россия менее богаты, но все же богаты востребованными редкоземами. Многие другие страны могли бы добывать хотя бы некоторые из этих металлов, однако не обладают технологиями выделения искомого продукта из смесей.

Технологические сложности

Не менее полутора веков ученые работают над проблемой получения чистых металлов редкоземельной группы, но до преодоления всех препятствий еще далеко. В рудных соединениях всегда присутствует по нескольку редкоземельных элементов, и выплавление сплава из руды еще не означает получения беспримесного вещества. Производственные циклы для каждого из РЗМ (принятое в промышленности сокращение) отличаются своими особенностями, но всегда характеризуются многоэтапностью и сложностью. Для выделения химических элементов в чистом виде используются последовательное хлорирование, фторирование с последующим восстановлением в раскаленных газах. Расплавы солей редкоземельных металлов подвергаются электролизу. В некоторых случаях эффективна вакуумная возгонка. Очистка расплавов подразумевает всем известную дистилляцию – вот только работать химикам приходится с температурами порядка 2000°С.

Применение редкоземельных металлов

Первые десятилетия близкого знакомства с человечеством для редкоземельных металлов являлись настоящим отпуском. Ценные материалы не использовались в ту пору никак – кроме как для демонстрации прогресса науки! Как только себестоимость редкоземов снизилась, ими заинтересовались металлурги. Высокая химическая активность лантаноидов позволила найти способы избавления чугуна и стали от вредных примесей. Вскоре выяснилось, что минимальная добавка церия и его природных спутников увеличивает жаропрочность и коррозионную устойчивость стали. Экономический эффект использования РЗМ в черной металлургии недосягаемо велик. Однако еще больший итог дало использование редкоземов в цветной металлургии. Титано-магниевый сплав при добавлении лантаноидов обретает прочность, позволяющую изготавливать из материала несущие конструкции сверхзвуковых самолетов. Еще более нуждается в «редких землях» космическая техника. Производство стекла и керамики с особыми параметрами устойчивости к излучениям было бы невозможным без редкоземельных элементов. Иллюминаторы, выдерживающие запредельные механические нагрузки; оптика рентгеновских и гамма-телескопов; линзы ультрафиолетовых излучателей; светочувствительные фильтры изменяемой прозрачности; а также электропроводящее стекло, стекло с рекордным коэффициентом преломления и многие другие рукотворные чудеса появились на свет благодаря РЗМ. Атомная энергетика использует европий и гадолиний в качестве нейтронопоглотительных материалов. Мы знакомы в основном с самарий-кобальтовыми и бор-неодимовыми магнитными сплавами; у физиков в ходу более эффективные соединения. Редкоземельные электромагниты помогают формировать поле, удерживающее замкнутым кольцо термоядерной плазмы. Однако возможности РЗМ еще шире! В современной практике потребителям «редких земель» приходится иметь дело в основном с их смесями. Как только возникнут доступные методы разделения редкоземельных элементов, применение этих ценных металлов увеличится. Предыдущая статья: Металлы и неметаллы Все камни

Редкоземельные металлы (РЗМ)

В группу редкоземельных металлов, или лантаноидов, входят 15 химических элементов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций. К этой группе элементов часто присоединяют иттрий, всегда встречающийся в редкоземельных минералах, и скандий.

Лантан (La) открыт в 1839 г. Название элемента происходит от греческого слова «лантано» (скрывающийся). Лантан трудно выделяется в чистом виде.

Церий (Се) открыт в 1803 г. Название элемент получил по имени малой планеты Цера, обнаруженной за два года до открытия элемента.

Празеодим (Рr) открыт в 1885 г. Название элемента состоит из греческих слов «празеос» ((бледно-зеленый) и «дидимос» (близнец) и обусловлено бледно-зеленой окраской своих солей, отличающейся от розовой окраски солей элемента — близнеца неодима.

Неодим (Nd) открыт в 1885 г. Название элемент получил от греческих слов «неос» (новый) и «дидимос» (близнец). Он выделен из так называемой дидимовой земли после празеодима как элемент — близнец празеодима.

Прометий (Pm) открыт в 1947 г. Назван в честь похитившего огонь с Олимпа и отдавшего его людям мифологического героя Прометея, сурово наказанного за это богами.

Самарий (Sm) открыт в 1879 г. Название элемента происходит от минерала самар- скита, названного именем русского горного инженера В. Е. Самарского.

Европий (Еu) открыт в 1901 г. Назван в честь Европейского континента.

Гадолиний (Gd) открыт в 1880 г. Назван в честь финского химика, члена-корреспондента Российской Академии наук Ю. Гадолина, открывшего иттриевую землю (породу с богатым содержанием редкоземельных элементов) и внесшего большой вклад в их изучение.

Тербий (Тb) и эрбий (Еr) открыты в 1843 г. Иттербий (Yb) открыт в 1878 г.

Указанные элементы впервые обнаружены в богатых редкоземельными элементами породах, залегающих вблизи местечка Иттербию (Швеция), из имени которого и образованы названия элементов.

Диспрозий (Dy) открыт в 1886 г. Название элемента происходит от греческого слова «диспрозитос» (труднодоступный). За сложности отделения от других редкоземельных элементов.

Гольмий (Но) открыт в 1879 г. шведским химиком П. Клеве и назван им в честь столицы Швеции — Стокгольма, латинское название которой — Гольмия.

Тулий (Тm) открыт в 1879 г. шведским химиком П. Клеве и назван им в честь занимаемой Швецией северной области Скандинавии, носившей в древние времена название Туле.

Лютеций (Lu) открыт в 1907 г. французским химиком Ж. Урбеном и назван им в честь столицы Франции — Парижа, латинское название которой — Лютеция.

Редкоземельные металлы делят на две группы: группу цериевых металлов и группу иттриевых металлов. В группу цериевых металлов входят лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, а в группу иттриевых металлов — все остальные редкоземельные металлы и иттрий. В иттриевой группе выделяют три подгруппы: тербиевую, включающую гадолиний, тербий, диспрозий; эрбиевую, состоящую из эрбия, гольмия и туллия, и иттербиевую, куда относят иттербий и лютеций

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Все редкоземельные металлы и их соединения отличаются большим сходством химических свойств, особенно их водные растворы и кристаллогидраты. Они легко образуют друг с другом твердые растворы. Редкоземельные металлы являются энергичными восстановителями, хотя в сухом воздухе они обладают лишь умеренной устойчивостью. При их атмосферном окислении образуются гидратированные окислы с большим объемным приростом, что приводит к разрушению защитной окисной пленки и обнажению металлической поверхности.

Редкоземельные элементы легко растворяются в разбавленных кислотах, но стойки по отношению к концентрированной серной кислоте. Они восстанавливают окись углерода, двуокись углерода, четыреххлористый углерод, окислы железа, кобальта, никеля, марганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, тантала, кремния, бора, олова, ниобия, свинца и циркония.

Редкоземельные металлы легко загораются на воздухе при 150—180°С (лантан при 440—460°С). При температурах >200°С они энергично сгорают в атмосфере галогенов. При комнатной температуре водород поглощается редкоземельными металлами с выделением тепла. Гидриды большинства редкоземельных металлов имеют плотность, меньшую плотности соответствующих металлов. Однако насыщение водородом европия и иттербия сопровождается значительным сжатием и соответствующим увеличением плотности.

Окислы редкоземельных металлов являются тугоплавкими соединениями: температура их плавления колеблется от 2000 до 2600°С. Они, как правило, обладают очень высокой стойкостью в окислительной атмосфере. Сульфиды редкоземельных металлов являются тугоплавкими прочными соединениями, устойчивыми по отношению ко многим жидким металлам до 1800°С. На них не действуют водород, азот, газообразный аммиак и многие расплавленные хлориды.

При внесении растворимой соли лантаноида в раствор щелочи или гидрата окиси аммония образуются гидроокиси редкоземельных металлов. Они представляют собой студнеобразные аморфные плохо фильтрующиеся осадки. Гидрооокиси имеют ничтожную растворимость в воде, но легко растворяются в разведенных кислотах, а также в растворах многих солей. Их используют на некоторых этапах технологии разделения редкоземельных металлов.

Щавелевая кислота и ее соли образуют с ионами редкоземельных элементов оксалаты— труднорастворимые соединения, выпадающие из разведенных нейтральных или слабокислых горячих растворов в виде кристаллического осадка. Оксалатное осаждение является одним из эффективных способов отделения редкоземельных элементов от примесей.

При нейтрализации окиси, гидроокиси или карбоната фтористоводородной кислотой или действием ее растворимых солей на растворы нитратов или хлоридов лантаноидов образуются фториды редкоземельных металлов, представляющие собой студенистые осадки. После высушивания они имеют вид зернистой массы. Фториды употребляют в качестве материала при получении редкоземельных металлов металлотермическим способом, а также для сердечников углей вольтовой дуги в прожекторах.

Раскислением окиси (гидроокиси) редкоземельного металла в серной кислоте или обработкой растворов хлорида или нитрата их сульфатом щелочного металла получают сульфаты лантаноидов, имеющие различную растворимость в воде. Сульфаты редкоземельных элементов с избытком сульфата щелочного металла образуют двойные сульфаты, различающиеся по растворимости в насыщенном растворе последнего. Осадок двойных сульфатов, полученный из растворов с концентрацией редкоземельных элементов не более 15%, представляет собой кристаллическое вещество, легко фильтрующееся и промывающееся. Образование сульфатов и двойных сульфатов используют в технологии разделения редкоземельных элементов.

Комплексоны (группы а-аминополикарбоновых кислот) образуют с лантаноидами комплексные соединения — хелаты. Соединения хелатов с отдельными ионами редкоземельных элементов проявляют различную прочность, зависящую от концентрации водородных ионов. Прочность хелатных соединений ионов редкоземельных элементов при одной и той же концентрации водородных ионов увеличивается в ряду от лантана к лютецию. Комплексоны применяют в аналитической практике и в промышленных процессах разделения редкоземельных металлов.

Из числа редкоземельных металлов лантан, европий и лютеций диамагнитны, а остальные парамагнитны; у гадолиния при температуре ниже +16°С проявляется ферромагнетизм.

Редкоземельные металлы, как правило, мягки и ковки. Пластичность и твердость их в значительной степени зависят от содержания примесей. Повышенное содержание кислорода, серы, азота и углерода сильно изменяет механические свойства редкоземельных металлов, повышая твердость и снижая пластичность. Твердость их повышается с увеличением порядкового номера элемента. Исключением из этого правила является европий.

Физические и механические свойства редкоземельных металлов приведены в табл, 427.

Редкоземельные металлы чаще всего применяют в виде соединений и сплавов. Наиболее распространенным сплавом из редкоземельных металлов является мишметалл. Основными компонентами этого сплава являются церий, неодим и лантан. В зависимости от состава исходного сырья, из которого извлекают резкоземельные металлы и назначения сплава, состав мишметалла может существенно изменяться. В качестве обычного мишметалла в литературе приведены следующие составы сплава: 40—45% Се, 18% Nd, 5% Рг, 1 % Sm, 20—25% La и небольшое количество прочих редкоземельных металлов: 45% Се, 30% La, 20% Nd, 5% Y. Наряду с мишметаллом широко применяют техническую смесь окисей редкоземельных металлов, называемую церием.

В металлургии церий используют в виде сплава — ферроцера. При добавке церия к чугуну в количестве до 0,15% улучшаются физико-механические свойства чугуна и значительно увеличивается удаление из него серы и азота. Металлический церий добавляют в сплавы на основе алюминия или магния для уменьшения их хрупкости, увеличения коррозионной стойкости и повышения временного сопротивления. Добавка в состав нихрома до 1,2% Се увеличивает срок службы сплава, а добавка мишметалла повышает его жаропрочность. Введением небольших количеств мишметалла повышают обрабатываемость в горячем состоянии аустенитных нержавеющих сталей.

В стекольной промышленности лантан, церий, неодим, празеодим используют в виде окислов и различных соединений, повышающих прозрачность стекла или сообщающих ему специальные свойства: способность пропускать инфракрасные лучи и поглощать ультрафиолетовые лучи, кислото- и жаростойкость, особые оптические свойства, особый оттенок и т. д. Окись церия и некоторые специальные смеси редкоземельных металлов применяют для полирования линз оптических приборов и зеркального стекла.

Редкоземельные металлы употребляют для окраски фарфора, изготовления светящихся составов и драгоценных камней, для

утяжеления искусственного шелка, придания техническим тканям непромокаемости, прочности и стойкости против действия кислых растворов и паров. Их широко используют в качестве компонентов фитилей, угольных электродов, люминофоров в светотехнике — в мощных зенитных прожекторах, киносъемочных и кинопроекционных аппаратах, в телевидении, в цветной кинематографии.

В химической промышленности редкоземельные элементы применяют в производстве пигментов, лаков и красок, а в нефтяной

промышленности в каталитических процессах, в процессах окисления органических веществ.

В атомной технике редкоземельные металлы используют в качестве поглотителей нейтронов для органов регулирования ядерных реакторов. Для этих целей используют главным образом элементы с большим поперечным сечением захвата тепловых нейтронов (самарий, европий, гадолиний, диспрозий).

Радиоактивные изотопы редкоземельных металлов применяют для радиографии, гаммаграфии, в медицине, приборостроении — для миниатюрных атомных батарей, для просвечивания листовых материалов, изготовления портативных рентгеновских установок для технических целей и полевой хирургии. Сульфиды, фосфиды, селениды и теллуриды редкоземельных элементов используют в полупроводниковой технике.

Редкоземельные элементы применяют как газопоглотители (геттеры) в вакуумных лампах, а также в качестве покрытий катодов (эмиттеров), проволоки ламп накаливания. Способность некоторых соединений редкоземельных металлов (Gd2(SO4)3*8h3O) нагреваться в магнитном поле используют для получения сверхнизких температур, лишь на тысячные доли градуса отличающихся от температуры абсолютного нуля.

Смотрите также




© 2012 - 2020 "Познавательный портал yznai-ka.ru!". Содержание, карта сайта.