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稀土基础知识,17种稀土元素名称由来及用途浅说

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稀土基础知识,17种稀土元素名称由来及用途浅说
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稀土基础知识,17种稀土元素名称由来及用途浅说

【摘要】:
"镧"这个元素是1839年被命名,当时有个叫"莫桑德"瑞典人发现铈土中含有其它元素,他借用希腊语中"隐藏"一词把这种元素取名为"镧".从此,镧便登上了历史舞台.  镧应用非常广泛,如应用于压电材料,电热材料,热电材料,磁阻材料,发光材料(兰粉),贮氢材料,光学玻璃,激光材料,各种合金材料等.她也应用到制备许多有机化工产品催化剂中,光转换 农用薄膜也用到镧,在国外,科学家把镧对作物作用赋与"超级钙"

 "镧"这个元素是1839年被命名,当时有个叫"莫桑德"瑞典人发现铈土中含有其它元素,他借用希腊语中"隐藏"一词把这种元素取名为"镧".从此,镧便登上了历史舞台.

  镧应用非常广泛,如应用于压电材料,电热材料,热电材料,磁阻材料,发光材料(兰粉),贮氢材料,光学玻璃,激光材料,各种合金材料等.她也应用到制备许多有机化工产品催化剂中,光转换
 
农用薄膜也用到镧,在国外,科学家把镧对作物作用赋与"超级钙"美称.
铈(Ce)
  "铈"这个元素是由德国人克劳普罗斯,瑞典人乌斯伯齐力,希生格尔于1803年发现并命名,以纪念1801年发现小行星——谷神星.
  铈广泛应用于(1)铈作为玻璃添加剂,能吸收紫外线与红外线,现已被大量应用于汽车玻璃.不仅能防紫外线,还可降低车内温度,从而节约空调用电.从1997年起,日本汽车玻璃全加入氧化
 
铈,1996年用于汽车玻璃氧化铈至少有2000吨,美国约一千多吨.(2)目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中,可有效防止大量汽车废气排到空气中.美国在这方面消费量占稀土总消费量三分
 
之一强.(3)硫化铈可以取代铅,镉等对环境和人类有害金属应用到颜料中,可对塑料着色,也可用于涂料,油墨和纸张等行业.目前领先是法国罗纳普朗克公司.(4)Ce:LiSAF激光系统是美国研
 
制出来固体激光器,通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器,还可用于医学.铈应用领域非常广泛,几乎所有稀土应用领域中都含有铈.如抛光粉,储氢材料,热电材料,铈钨电极,陶瓷电容器,压
 
电陶瓷,铈碳化硅磨料,燃料电池原料,汽油催化剂,某些永磁材料,各种合金钢及有色金属等.
镨(Pr)
  大约160年前,瑞典人莫桑德从镧中发现了一种新元素,但它不是单一元素,莫桑德发现这种元素性质与镧非常相似,便将其定名为"镨钕"."镨钕"希腊语为"双生子"之意.大约又过了40多年,
 
也就是发明汽灯纱罩1885年,奥地利人韦尔斯巴赫成功地从"镨钕"中分离出了两个元素,一个取名为"钕",另一个则命名为"镨".这种"双生子"被分隔开了,镨元素也有了自己施展才华广阔天地.
  镨是用量较大稀土元素,其主要用于玻璃,陶瓷和磁性材料中.(1)镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中,其与陶瓷釉混合制成色釉,也可单独作釉下颜料,制成颜料呈淡黄色,色调纯正,淡
 
雅.(2)用于制造永磁体.选用廉价镨钕金属代替纯钕金属制造永磁材料,其抗氧性能和机械性能明显提高,可加工成各种形状磁体.广泛应用于各类电子器件和马达上.(3)用于石油催化裂化.
 
以镨钕富集物形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂,可提高催化剂活性,选择性和稳定性.我国70年代开始投入工业使用,用量不断增大.(4)镨还可用于磨料抛光.另外,镨在光纤领域
 
用途也越来越广.
钕(Nd)
  伴随着镨元素诞生,钕元素也应运而生,钕元素到来活跃了稀土领域,在稀土领域中扮演着重要角色,并且左右着稀土市场.
  钕元素凭借其在稀土领域中独特地位,多年来成为市场关注热点.金属钕最大用户是钕铁硼永磁材料.钕铁硼永磁体问世,为稀土高科技领域注入了新生机与活力.钕铁硼磁体磁能积高,被称
 
作当代"永磁之王",以其优异性能广泛用于电子,机械等行业.阿尔法磁谱仪研制成功,标志着我国钕铁硼磁体各项磁性能已跨入世界一流水平.钕还应用于有色金属材料.在镁或铝合金中添加1.5
 
~2.5%钕,可提高合金高温性能,气密性和耐腐蚀性,广泛用作航空航天材料.另外,掺钕钇铝石榴石产生短波激光束,在工业上广泛用于厚度在10mm以下薄型材料焊接和切削.在医疗上,掺钕钇铝
 
石榴石激光器代替手术刀用于摘除手术或消毒创伤口.钕也用于玻璃和陶瓷材料着色以及橡胶制品添加剂.随着科学技术发展,稀土科技领域拓展和延伸,钕元素将会有更广阔利用空间. 钷(Pm)
  1947年,马林斯基(J.A.Marinsky),格伦丹宁(L.E.Glendenin)和科里尔(C.E.Coryell)从原子能反应堆用过铀燃料中成功地分离出61号元素,用希腊神话中神名普罗米修斯
 
(Prometheus)命名为钷(Promethium).
  钷为核反应堆生产人造放射性元素.钷主要用途有(1)可作热源.为真空探测和人造卫星提供辅助能量.(2)Pm147放出能量低β射线,用于制造钷电池.作为导弹制导仪器及钟表电源.此种
 
电池体积小,能连续使用数年之久.此外,钷还用于便携式X-射线仪,制备荧光粉,度量厚度以及航标灯中.
钐(Sm)
  1879年,波依斯包德莱从铌钇矿得到"镨钕"中发现了新稀土元素,并根据这种矿石名称命名为钐.
  钐呈浅黄色,是做钐钴系永磁体原料,钐钴磁体是最早得到工业应用稀土磁体.这种永磁体有SmCo5系和Sm2Co17系两类.70年代前期发明了SmCo5系,后期发明了Sm2Co17系.现在是以后者需求
 
为主.钐钴磁体所用氧化钐纯度不需太高,从成本方面考虑,主要使用95%左右产品.此外,氧化钐还用于陶瓷电容器和催化剂方面.另外,钐还具有核性质,可用作原子能反应堆结构材料,屏敝材料
 
和控制材料,使核裂变产生巨大能量得以安全利用.
铕(Eu)
  1901年,德马凯(Eugene-Antole Demarcay)从"钐"中发现了新元素,取名为铕(Europium).这大概是根据欧洲(Europe)一词命名.氧化铕大部分用于荧光粉.Eu3+用于红色荧光粉激活剂
 
,Eu2+用于蓝色荧光粉.现在Y2O2S:Eu3+是发光效率,涂敷稳定性,回收成本等最好荧光粉.再加上对提高发光效率和对比度等技术改进,故正在被广泛应用.近年氧化铕还用于新型X射线医疗诊断
 
系统受激发射荧光粉.氧化铕还可用于制造有色镜片和光学滤光片,用于磁泡贮存器件,在原子反应堆控制材料,屏敝材料和结构材料中也能一展身手.
钆(Gd)
  1880年,瑞士马里格纳克(G.de Marignac)将"钐"分离成两个元素,其中一个由索里特证实是钐元素,另一个元素得到波依斯包德莱研究确认,1886年,马里格纳克为了纪念钇元素发现者 研
 
究稀土先驱荷兰化学家加多林(Gado Linium),将这个新元素命名为钆.
  钆在现代技革新中将起重要作用.它主要用途有:(1)其水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体核磁共振(NMR)成像信号.(2)其硫氧化物可用作特殊亮度示波管和x射线荧光屏基质栅网
 
.(3)在钆镓石榴石中钆对于磁泡记忆存储器是理想单基片.(4)在无Camot循环限制时,可用作固态磁致冷介质.(5)用作控制核电站连锁反应级别抑制剂,以保证核反应安全.(6)用作钐钴
 
磁体添加剂,以保证性能不随温度而变化.另外,氧化钆与镧一起使用,有助于玻璃化区域变化和提高玻璃热稳定性.氧化钆还可用于制造电容器,x射线增感屏.
  在世界上目前正在努力开发钆及其合金在磁致冷方面应用,现已取得突破性进展,室温下采用超导磁体,金属钆或其合金为致冷介质磁冰箱已经问世.
铽(Tb)
  1843年瑞典莫桑德(Karl G.Mosander)通过对钇土研究,发现铽元素(Terbium).铽应用大多涉及高技术领域,是技术密集,知识密集型尖端项目,又是具有显著经济效益项目,有着诱人发
 
展前景.主要应用领域有:(1)荧光粉用于三基色荧光粉中绿粉激活剂,如铽激活磷酸盐基质,铽激活硅酸盐基质,铽激活铈镁铝酸盐基质,在激发状态下均发出绿色光.(2)磁光贮存材料,近年
 
来铽系磁光材料已达到大量生产规模,用Tb-Fe非晶态薄膜研制磁光光盘,作计算机存储元件,存储能力提高10~15倍.(3)磁光玻璃,含铽法拉第旋光玻璃是制造在激光技术中广泛应用旋转器,
 
隔离器和环形器关键材料.特别是铽镝铁磁致伸缩合金(TerFenol)开发研制,更是开辟了铽新用途,Terfenol是70年代才发现新型材料,该合金中有一半成份为铽和镝,有时加入钬,其余为铁,该
 
合金由美国依阿华州阿姆斯实验室首先研制,当Terfenol置于一个磁场中时,其尺寸变化比一般磁性材料变化大,这种变化可以使一些精密机械运动得以实现.铽镝铁开始主要用于声纳,目前已广
 
泛应用于多种领域,从燃料喷射系统,液体阀门控制,微定位到机械致动器,太空望远镜调节机构和飞机机翼调节器等领域.
镝(Dy)
  1886年,法国人波依斯包德莱成功地将钬分离成两个元素,一个仍称为钬,而另一个根据从钬中"难以得到"意思取名为镝(dysprosium).镝目前在许多高技术领域起着越来越重要作用,镝最
 
主要用途是(1)作为钕铁硼系永磁体添加剂使用,在这种磁体中添加2~3%左右镝,可提高其矫顽力,过去镝需求量不大,但随着钕铁硼磁体需求增加,它成为必要添加元素,品位必须在95~99.9%
 
左右,需求也在迅速增加.(2)镝用作荧光粉激活剂,三价镝是一种有前途单发光中心三基色发光材料激活离子,它主要由两个发射带组成,一为黄光发射,另一为蓝光发射,掺镝发光材料可作为
 
三基色荧光粉.(3)镝是制备大磁致伸缩合金铽镝铁(Terfenol)合金必要金属原料,能使一些机械运动精密活动得以实现.(4)镝金属可用做磁光存贮材料,具有较高记录速度和读数敏感度.
 
(5)用于镝灯制备,在镝灯中采用工作物质是碘化镝,这种灯具有亮度大,颜色好,色温高,体积小,电弧稳定等优点,已用于电影,印刷等照明光源.(6)由于镝元素具有中子俘获截面积大特性,
 
在原子能工业中用来测定中子能谱或做中子吸收剂.(7)Dy3Al5O12还可用作磁致冷用磁性工作物质.随着科学技术发展,镝应用领域将会不断拓展和延伸.
钬(Ho)
  十九世纪后半叶,由于光谱分析法发现和元素周期表发表,再加上稀土元素电化学分离工艺进展,更加促进了新稀土元素发现.1879年,瑞典人克利夫发现了钬元素并以瑞典首都斯德哥尔摩地
 
名命名为钬(holmium).
  钬应用领域目前还有待于进一步开发,用量不是很大,最近,包钢稀土研究院采用高温高真空蒸馏提纯技术,研制出非稀土杂质含量很低高纯金属钬Ho/ΣRE>99.9%.目前钬主要用途有:用作金
 
属卤素灯添加剂,金属卤素灯是一种气体放电灯,它是在高压汞灯基础上发展起来,其特点是在灯泡里充有各种不同稀土卤化物.目前主要使用是稀土碘化物,在气体放电时发出不同谱线光色.在
 
钬灯中采用工作物质是碘化钬,在电弧区可以获得较高金属原子浓度,从而大大提高了辐射效能.(2)钬可以用作钇铁或钇铝石榴石添加剂;(3)掺钬钇铝石榴石(Ho:YAG)可发射2μm激光,
 
人体组织对2μm激光吸收率高,几乎比Hd:YAG高3个数量级.所以用Ho:YAG激光器进行医疗手术时,不但可以提高手术效率和精度,而且可使热损伤区域减至更小.钬晶体产生自由光束可消除脂肪
 
而不会产生过大热量,从而减少对健康组织产生热损伤,据报道美国用钬激光治疗青光眼,可以减少患者手术痛苦.我国2μm激光晶体水平已达到国际水平,应大力开发生产这种激光晶体.(4)在
 
磁致伸缩合金Terfenol-D中,也可以加入少量钬,从而降低合金饱和磁化所需外场.(5)另外用掺钬光纤可以制作光纤激光器,光纤放大器,光纤传感器等等光通讯器件在光纤通信迅猛今天将发
 
挥更重要作用.
铒(Er)
  1843年,瑞典莫桑德发现了铒元素(Erbium).铒光学性质非常突出,一直是人们关注问题:(1)Er3+在1550nm处光发射具有特殊意义,因为该波长正好位于光纤通讯光学纤维最低损失,铒离
 
子(Er3+)受到波长980nm,1480nm光激发后,从基态4I15/2跃迁至高能态4I13/2,当处于高能态Er3+再跃迁回至基态时发射出1550nm波长光,石英光纤可传送各种不同波长光,但不同光光衰率不
 
同,1550nm频带光在石英光纤中传输时光衰减率最低(0.15分贝/公里),几乎为下限极限衰减率.因此,光纤通信在1550nm处作信号光时,光损失最小.这样,如果把适当浓度铒掺入合适基质中,可
 
依据激光原理作用,放大器能够补偿通讯系统中损耗,因此在需要放大波长1550nm光信号电讯网络中,掺铒光纤放大器是必不可少光学器件,目前掺铒二氧化硅纤维放大器已实现商业化.据报道,
 
为避免无用吸收,光纤中铒掺杂量几十至几百ppm.光纤通信迅猛发展,将开辟铒应用新领域.(2)另外掺铒激光晶体及其输出1730nm激光和1550nm激光对人眼睛安全,大气传输性能较好,对战场
 
硝烟穿透能力较强,保密性好,不易被敌人探测,照射军事目标对比度较大,已制成军事上用对人眼安全便携式激光测距仪.(3)Er3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料,是目前输出脉冲能量
 
最大,输出功率最高固体激光材料.(4)Er3+还可做稀土上转换激光材料激活离子.(5)另外铒也可应用于眼镜片玻璃,结晶玻璃脱色和着色等.
铥(Tm)
  铥元素是1879年瑞典克利夫发现,并以斯堪迪那维亚(Scandinavia)旧名Thule命名为铥(Thulium).
  铥主要用途有以下几个方面:(1)铥用作医用轻便X光机射线源,铥在核反应堆内辐照后产生一种能发射X射线同位素,可用来制造便携式血液辐照仪上,这种辐射仪能使铥-169受到高中子束
 
作用转变为铥-170,放射出X射线照射血液并使白血细胞下降,而正是这些白细胞引起器官移植排异反应,从而减少器官早期排异反应.(2)铥元素还可以应用于临床诊断和治疗肿瘤,因为它对肿
 
瘤组织具有较高亲合性,重稀土比轻稀土亲合性更大,尤其以铥元素亲合力最大.(3)铥在X射线增感屏用荧光粉中做激活剂LaOBr:Br(蓝色),达到增强光学灵敏度,因而降低了X射线对人照射
 
和危害,与以前钨酸钙增感屏相比可降低X射线剂量50%,这在医学应用具有重要现实意义.(4)铥还可在新型照明光源 金属卤素灯做添加剂.(5)Tm3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料,
 
这是目前输出脉冲量最大,输出功率最高固体激光材料.Tm3+也可做稀土上转换激光材料激活离子.
镱(Yb)
  1878年,查尔斯(Jean Charles)和马利格纳克(G.de Marignac)在"铒"中发现了新稀土元素,这个元素由伊特必(Ytterby)命名为镱(Ytterbium).
  镱主要用途有(1)作热屏蔽涂层材料.镱能明显地改善电沉积锌层耐蚀性,而且含镱镀层比不含镱镀层晶粒细小,均匀致密.(2)作磁致伸缩材料.这种材料具有超磁致伸缩性即在磁场中膨
 
胀特性.该合金主要由镱/铁氧体合金及镝/铁氧体合金构成,并加入一定比例锰,以便产生超磁致伸缩性.(3)用于测定压力镱元件,试验证明,镱元件在标定压力范围内灵敏度高,同时为镱在压
 
力测定应用方面开辟了一个新途径.(4)磨牙空洞树脂基填料,以替换过去普遍使用银汞合金.(5)日本学者成功地完成了掺镱钆镓石榴石埋置线路波导激光器制备工作,这一工作完成对激光
 
技术进一步发展很有意义.另外,镱还用于荧光粉激活剂,无线电陶瓷,电子计算机记忆元件(磁泡)添加剂,和玻璃纤维助熔剂以及光学玻璃添加剂等.
镥(Lu)
  1907年,韦尔斯巴赫和尤贝恩(G.Urbain)各自进行研究,用不同分离方法从"镱"中又发现了一个新元素,韦尔斯巴赫把这个元素取名为Cp(Cassiopeium),尤贝恩根据巴黎旧名lutece将其命
 
名为Lu(Lutetium).后来发现Cp和Lu是同一元素,便统一称为镥.
  镥主要用途有(1)制造某些特殊合金.例如镥铝合金可用于中子活化分析.(2)稳定镥核素在石油裂化,烷基化,氢化和聚合反应中起催化作用.(3)钇铁或钇铝石榴石添加元素,改善某些
 
性能.(4)磁泡贮存器原料.(5)一种复合功能晶体掺镥四硼酸铝钇钕,属于盐溶液冷却生长晶体技术领域,实验证明,掺镥NYAB晶体在光学均匀性和激光性能方面均优于NYAB晶体.(6)经国外
 
有关部门研究发现,镥在电致变色显示和低维分子半导体中具有潜在用途.此外,镥还用于能源电池技术以及荧光粉激活剂等. 钇(Y)
  1788年,一位以研究化学和矿物学,收集矿石业余爱好者瑞典军官卡尔·阿雷尼乌斯(Karl Arrhenius)在斯德哥尔摩湾外伊特必村(Ytterby),发现了外观象沥青和煤一样黑色矿物,按当
 
地地名命名为伊特必矿(Ytterbite).1794年芬兰化学家约翰·加多林分析了这种伊特必矿样品.发现其中除铍,硅,铁氧化物外,还含有约38%未知元素氧化物棗"新土".1797年,瑞典化学家埃克
 
贝格(Anders Gustaf Ekeberg)确认了这种"新土",命名为钇土(Yttria,钇氧化物之意).
  钇是一种用途广泛金属,主要用途有:(1)钢铁及有色合金添加剂.FeCr合金通常含0.5-4%钇,钇能够增强这些不锈钢抗氧化性和延展性;MB26合金中添加适量富钇混合稀土后,合金综合性
 
能得到明显改善,可以替代部分中强铝合金用于飞机受力构件上;在Al-Zr合金中加入少量富钇稀土,可提高合金导电率;该合金已为国内大多数电线厂采用;在铜合金中加入钇,提高了导电性
 
和机械强度.(2)含钇6%和铝2%氮化硅陶瓷材料,可用来研制发动机部件.(3)用功率400瓦钕钇铝石榴石激光束来对大型构件进行钻孔,切削和焊接等机械加工.(4)由Y-Al石榴石单晶片构成
 
电子显微镜荧光屏,荧光亮度高,对散射光吸收低,抗高温和抗机械磨损性能好.(5)含钇达90%高钇结构合金,可以应用于航空和其它要求低密度和高熔点场合.(6)目前倍受人们关注掺钇
 
SrZrO3高温质子传导材料,对燃料电池,电解池和要求氢溶解度高气敏元件生产具有重要意义.此外,钇还用于耐高温喷涂材料,原子能反应堆燃料稀释剂,永磁材料添加剂以及电子工业中作吸气
 
剂等.
钪(Sc)
  1879年,瑞典化学教授尼尔森(L.F.Nilson, 1840~1899)和克莱夫(P.T.Cleve, 1840~1905)差不多同时在稀有矿物硅铍钇矿和黑稀金矿中找到了一种新元素.他们给这一元素定名
 
为"Scandium"(钪),钪就是门捷列夫当初所预言"类硼"元素.他们发现再次证明了元素周期律正确性和门捷列夫远见卓识.
  钪比起钇和镧系元素来,由于离子半径特别小,氢氧化物碱性也特别弱,因此,钪和稀土元素混在一起时,用氨(或极稀碱)处理,钪将首先析出,故应用"分级沉淀"法可比较容易地把它从稀土
 
元素中分离出来.另一种方法是利用硝酸盐分极分解进行分离,由于硝酸钪最容易分解,从而达到分离目.
  用电解方法可制得金属钪,在炼钪时将ScCl3,KCl,LiCl共熔,以熔融锌为阴极电解之,使钪在锌极上析出,然后将锌蒸去可得金属钪.另外,在加工矿石生产铀,钍和镧系元素时易回收钪.钨,锡
 
矿中综合回收伴生钪也是钪重要来源之一.
  钪在化合物中主要呈3价态,在空气中容易氧化成Sc2O3而失去金属光泽变成暗灰色.
  钪能与热水作用放出氢,也易溶于酸,是一种强还原剂.
  钪氧化物及氢氧化物只显碱性,但其盐灰几乎不能水解.钪氯化物为白色结晶,易溶于水并能在空气中潮解.
  在冶金工业中,钪常用于制造合金(合金添加剂),以改善合金强度,硬度和耐热和性能.如,在铁水中加入少量钪,可显著改善铸铁性能,少量钪加入铝中,可改善其强度和耐热性.
  在电子工业中,钪可用作各种半导体器件,如钪亚硫酸盐在半导体中应用已引起了国内外注意,含钪铁氧体在计算机磁芯中也颇有前途.
  在化学工业上,用钪化合物作酒精脱氢及脱水剂,生产乙烯和用废盐酸生产氯时高效催化剂.
  在玻璃工业中,可以制造含钪特种玻璃.
  在电光源工业中,含钪和钠制成钪钠灯,具有效率高和光色正优点.
  自然界中钪均以45Sc形式存在,另外,钪还有9种放射性同位素,即40~44Sc和46~49Sc.其中,46Sc作为示踪剂,已在化工,冶金及海洋学等方面使用.在医学上,国外还有人研究用46Sc来医治癌症.钪性质及用途.
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