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稀土元素的基本性质和应用

(2017-01-20 05:02:28)
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杂谈

        稀土是历史留下来的名称,以前人们常将不溶于水的固体氧化物称为土。将氧化铝称为陶土,铝土,氧化钙称为碱土,稀土一般是从氧化物状态分离出来,当时比较稀少,因而得名为稀土。

        稀土就是周期表中镧系元素,镧La,铈Ce,镨Pr,钕Nd,钷Pm,钐Sm,铕Eu,钆Gd,铽Tb,镝Dy,钬Ho,饵Er,銩Tm,镱Yb,镥Lu。以及与15种有类似性质的元素钇Y和钪Sr,共17种元素,称为稀土元素。

        这些元素在自然界中紧密共生在极其复杂的矿石中,而它们的化学性质又极为相似,所以对它们的分离提取相当困难。1794年人类发现第一个稀土元素钇,1947年找到最后一个稀土元素钷。

        稀土元素金属具有银白色或灰色光泽,质地比较软,具有延展性,活泼性很强。以矿物形式存在的稀土矿物主要有稀土磷酸盐矿物,如独居石矿CePO4,Th3(PO4)4,磷钇石矿YPO4;稀土氟碳酸盐矿物,如氟碳铈镧矿(Ce,La)FCO3,氟碳铈矿CeFCO3,氟碳钙铈矿(Ce,Ca)FCO3等;其他还有黑稀金矿(Y,Ce,Ca)(Nb,Ta,Ti)2O6,硅铍钇矿Y2FeBe2Si2O10,褐帘石矿(Ca,Ce)2(Al,Fe3S3O12),和铈硅石矿(Ce,Y,Pr)2Si2O7.H2O等。

       稀土用途非常广泛,由于它的化学活泼性,人们利用它来消除钢中杂质,从而提高钢的性能。稀土与钢液中的氧,硫等杂质的化学亲和力大,可生成稀土氧化物,硫化物等,从而达到去除杂质的目的。

       在石油化工中,稀土元素同样可以起到脱硫的效果,它还能用作催化剂,催化裂化是石油炼制过程之一,是在热和催化剂的作用下,使重油发生裂化反应,转变为裂化气,汽油和柴油等过程,从而提高轻质原油的产量。

       在钢铁中加入少量稀土元素,可大大改善钢的机械性能,故人们将稀土元素称为钢铁中的维生素。如在生铁中加入铈,可得到球墨铸铁,使生铁具有韧性且耐磨,可以铁代钢,以铸代锻。

       稀土有工业黄金之称,由于其具有优良的光电磁等物理特性,能与其他材料组成性能各异,品种繁多的新型材料,显著提高产品的质量和性能,比如大幅度提高用于制造坦克,飞机,导弹的钢材,铝合金,镁合金,钛合金的战术性能。重要稀土合金有钨稀土合金,稀土铝合金,稀土硅铁合金等。

       利用稀土化学性质活泼,对氧亲和力强,可制成燃点很低的打火装置。它是以铈为主,包含镧,钕,镨等的稀土合金。它可用于各种发动机的点燃,生活中煤气灶自动点燃,及打火机中。

       利用稀土,可制作超磁致伸缩材料,如TbFe2,DyFe2,SmFe2等。这些材料具有好的磁致伸缩性能。具有很高的耐热温度,在室温下机械能和电能之间转换效率高,能量密度大,响应速度快,可靠性好,驱动方式简单。可制成高性能的超声换能器,用于声纳探测中。

       利用稀土制成的永久磁铁可大大提高磁场强度,如钐钴永磁体,磁场强度可达15-30兆奥斯特,而钕铁硼永磁体,磁场强度可达27-50兆奥斯特。将这种磁铁应用在加速器中和磁约束可控热核聚变中,可大大减少装置的规模,降低造价。

       当某种材料在低于某一温度时,出现电阻为零的现象,即超导现象。在超导材料中添加稀土元素,可以使超导现象更加容易产生。比如镧钡铜氧陶瓷,其产生超导的临界温度为35K,1987年又发现YBa2Cu3O(7-x)高温超导体的临界温度达90K以上,大大超过液氮的沸点77K。新型稀土超导高温材料可以在液氮温度下工作。

       随着氢能源的开发,需要好的储氢设备,它可以根据需要储存氢气或释放氢气。稀土镧镍合金,每克能储存0,157升氢气。

       在玻璃生产中,由于少量氧化亚铁等杂质存在,引起玻璃着色,这种色泽影响玻璃的外观和光学性能。利用稀土元素可以使玻璃脱色,一种是物理脱色剂,是起补色作用的着色剂,如氧化钕和氧化饵就是物理脱色剂,但它会使透光度降低。一种是化学脱色剂,它将玻璃中着色能力强的氧化亚铁转变为着色能力较小的氧化铁。二氧化铈可用作化学脱色剂。

       稀土光学玻璃,也称镧系光学玻璃,在其组分中含有较多的稀土氧化镧,具有高的折射率1,72-1,88,和低的色散特性。它是制作光电产品读写镜头和成像镜头必备的高品质光学玻璃新材料。能有效地扩大镜头的视场,改善仪器的成像质量,使镜头小型化,轻量化。提高摄影镜头的速度。

       稀土元素是一种好的发光材料,稀土氧化物Y2O3,Eu2O3,Gd2O3,La2O3,Tb4O7等制成的各种荧光体,广泛应用于彩色电视机,航空显示器,X射线增感屏上。

       在激光技术中也广泛应用稀土材料。早期掺钐氟化钙激光器,掺钕钨酸钙激光器,掺钕钇铝石榴石激光器,摻钕硅酸盐玻璃激光器,摻钕磷酸盐玻璃激光器等。随着光纤通讯技术的发展,又制成摻钕石英光纤激光器,掺饵石英光纤激光器,摻钕钇铝石榴石晶体光纤激光器等。没有稀土就没有现代的激光技术。

       总之稀土元素是重要的战略物质。中国稀土储量约为21000万吨,占当前世界储量的43%。近来朝鲜发现世界上最大稀土矿,储量为中国的6倍,初步评估显示潜在矿物总量60亿吨,总计2,162亿吨稀土氧化物。

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