稀土?
稀土元素通常分为两组:
1)轻稀土(又称铈组):镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。
2)重稀土(又称钇族):铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。
铈组和钇组的区别是因为矿物分离得到的稀土混合物往往因铈或钇的比例高而得名。
扩散稀土
首先,一个显赫的家族
镧系元素(Ln)在元素周期表中占据一个空间,但有15元素挤在一起。它们的原子序数范围从57到71。它们是镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)和锇。加上属于ⅲ B族的钪(Sc)和钇(Y),原子序数分别为21和39。这17元素统称为稀土(re)。稀土通常分为两组。从镧到铕的7种元素是轻稀土,从钆到镥的8种元素是重稀土。根据稀土分离工艺的需要,也可分为轻、中、重三组。
他们看起来很像孪生兄弟姐妹。也就是说,最外面两层稀土原子的电子排列是一样的,所以很多化学性质非常相似,用简单的化学方法很难把它们分开,以至于化学家和矿物学家花了153年才把它们一一鉴别出来(钇最早是在1794年发现的,考威尔和马林斯基用离子交换法从镧系元素中发现了1947年铀核裂变产生的放射性同位素。因为稀土元素的内部电子结构和原子序数不同,是不同的元素,所以稀土的每一个成员都有不同的脾气和特点。他们都有着非凡的技能,在国民经济的各个领域显示出他们的神奇力量。特别是通过研究稀土元素独特丰富的电子能级,以其优异的光、磁、电、热性能开发功能性新材料和器件,预计稀土家族在21世纪的信息、生物、新材料、新能源、空间和海洋六大新技术领域的贡献将是突出的。
第二,稀土并不稀有
“稀土”这个名称的由来是一个历史的误解。18世纪发现作为稀土工业原料的矿物不多,独立矿物少而分散,造成了稀缺的假象。它们的氧化物在性质和成分上与土壤氧化物相似,不溶于水,故命名为“稀土”。事实上,稀土在地壳中的含量并不罕见。表1列出了地壳中稀土元素的丰度,有些比某些常见元素还多。比如铈比锡高,钇和铅更高,甚至稀有的铥也比银和汞多。
我国是稀土大国,稀土资源丰富,轻、中、重稀土齐全。储量和产量均为世界第一。用量只比美国少。它生产近1000个规格,400多种产品,是世界稀土产品的主要供应商,占世界市场的70-80%。
第三,神奇的稀土
稀土的神奇作用表现在两个方面:一是在国民经济的各个领域都能找到稀土成员,每年为国家创造巨大的经济效益和社会效益。第二,随着科技的进步,它正发挥着越来越神奇的作用。
1.工业“维生素”
稀土可以净化钢液,变性钢中的夹杂物和微合金化。因此,在钢中加入微量稀土,可以大大提高钢的强度、韧性、耐磨性和抗氧化性。被称为工业“维生素”。包钢、钢研、铁研联合研制的稀土铌重轨钢,使用寿命提高了50%以上,经济效益十分明显。在铝合金中加入微量钪和锆,具有较高的强度和韧性,良好的耐磨性和可焊性。是航空航天、船舶、核能等领域的新型铝合金材料。稀土应用于铝线和电缆,提高了导电性和强度。它已成为国家电网标准产品,并成功应用于500千伏超高压输电线路。我国添加稀土的铝电线电缆年产能超过40万吨,投入使用后每年可节电40亿千瓦时。
2.稀土催化剂
用含稀土的硅铝酸盐分子作为裂化催化剂,在我国炼油工业中已达到98%。催化裂化能力提高20-30%。年产轻油300万吨,直接经济效益60多亿元。汽车尾气含有大量有害物质,如一氧化碳和氮氧化合物。用贵金属作催化剂将其转化为无害的一氧化碳
3.农业“维生素”和稀土农业新技术
中国科技工作者的大量研究和示范表明,合理施用微量稀土(主要是La和ce)能促进作物生根发芽,增加叶绿素,促进作物对氮、磷、钾、钙的吸收,增加干物质积累,从而提高产量,改善品质。30年后,稀土的应用已经扩展到农业、畜牧业和林业。
提高太阳光利用率是提高农产品质量和数量的好方法。据报道,铕的多核有机络合物被添加到农用塑料薄膜中作为阳光转换剂。将光线中对植物有害的紫外线成功转化为植物光合作用所需的红光,促进了植物的生长。实验是用人们喜欢吃的西瓜、西红柿、草莓进行的。结果糖分增加,瓜果变甜,维生素C的含量也增加了。平均产量提高10%,经济效益提高约12%。特别是能促进作物早熟,更显著地提高作物早期产量。
4.稀土在高科技领域的应用
随着科学技术的进步和高科技测试仪器和方法的发展,新型稀土材料和器件的开发和应用不断加快。稀土发光材料的研究和应用已成为信息显示、照明光源、光电器件等领域的配套材料,使我们的生活丰富多彩。比如稀土节能灯,光效高,光色好,寿命长。与普通白炽灯相比,可节电75-80%。稀土是彩电的理想发光材料。我们的产品达到国际水平,40%出口。未来可能进入寻常百姓家的高清、壁挂式大屏幕彩电,也可能选择稀土荧光粉作为显示材料。含稀土荧光材料在太阳能上的应用也显示了神奇。近几年发展起来的发绿蓝光的发光材料(俗称夜光粉),吸收储存太阳光后,在无外接电源的情况下,可在黑暗中发光12小时以上,可作为军民两用的标志。由于近30年来信息、通信、原子能、电子工业和空间技术发展,稀土氧化物已成为光学玻璃、激光玻璃、光纤、红外玻璃和抗辐射玻璃等光学功能玻璃的重要成分。
含稀土的镍氢电池已被用作污染环境的镍镉电池,广泛应用于手机、音响设备、笔记本电脑等便携式电器中。未来的目标是电动汽车,可以彻底解决汽车尾气污染问题。
含稀土的永磁材料最好,中国已经进入第三代稀土永磁——钕铁硼磁体。广泛应用于计算机通信、自动化、音视频、机电、仪器仪表、航空航天、医疗保健等领域。磁制冷是一种全新的制冷技术,采用固体磁性材料,无需氟利昂和压缩机,具有高效、节能和无环境污染两大优点。稀土元素钆(Gd)是室温磁致冷材料的主要成分。永磁体、永磁电机等关键部件都与稀土有关,因此室温磁制冷技术是稀土高技术的典型应用,我国正处于技术研究阶段。其他如磁光存储材料、磁致伸缩材料、巨磁电阻材料、稀土高温超导材料等,都在等待人们继续探索稀土的神奇作用,以改变目前我国高科技领域稀土应用比例低的现状。把资源优势转化为经济优势和技术优势,中国将不仅是稀土大国,更是稀土强国!