稀土元素化学第一章精品文稿.ppt
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1、稀土元素化学第一章第1页,本讲稿共33页第一章:稀土元素概论第一章:稀土元素概论v稀土元素化学是无机化学的重要分支。稀土元素化学是无机化学的重要分支。由由于稀土元素最后一个电子填在于稀土元素最后一个电子填在4f轨道上,使得轨道上,使得它们具有与其它过渡元素不同的电子结构,导它们具有与其它过渡元素不同的电子结构,导致稀土元素在原子、分子及化合物性质上都有致稀土元素在原子、分子及化合物性质上都有别于其它过渡元素。别于其它过渡元素。因此深入研究它们的结构因此深入研究它们的结构和性质对无机化学的发展具有重要的意义。和性质对无机化学的发展具有重要的意义。v我国是稀土丰产的国家,内蒙古是稀土的我国是稀土丰
2、产的国家,内蒙古是稀土的故乡。故乡。发现稀土元素的新性质、新材料,开发发现稀土元素的新性质、新材料,开发稀土元素的应用领域,提出新的工艺流程,对稀土元素的应用领域,提出新的工艺流程,对我国的稀土资源的开发和利用具有重要意义。我国的稀土资源的开发和利用具有重要意义。第2页,本讲稿共33页v 本课程在于使学生本课程在于使学生对稀土元素的基本性对稀土元素的基本性质及一些重要的稀土功能材料有较详尽的质及一些重要的稀土功能材料有较详尽的了解。了解。为你们今后从事稀土化学研究打下为你们今后从事稀土化学研究打下良好的基础。良好的基础。本课程的主要内容:本课程的主要内容:稀土元素概述;稀土元素电子层结构稀土元
3、素概述;稀土元素电子层结构;光谱性质及磁性质;稀土荧光激光特性;光谱性质及磁性质;稀土荧光激光特性;正三价化合物;高价和低价化合物;稀土正三价化合物;高价和低价化合物;稀土金属;金属;稀土配位化合物;稀土元素的提取;稀土配位化合物;稀土元素的提取;稀土元素的分离;功能材料。稀土元素的分离;功能材料。第3页,本讲稿共33页稀土元素的概念稀土元素的概念.稀土元素:稀土元素:IIIB:Sc(21),Y(39),LaLu(5771),共共个元素个元素统称为稀土元素。统称为稀土元素。镧系元素:镧系元素:第周期第周期IIIB族号元素称为镧族号元素称为镧系元素。系元素。La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,E
4、u,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu新建新建 Micr元素周期表元素周期表.ppt.稀土元素基组态电子结构:稀土元素基组态电子结构:(1)电子结构:电子结构:Sc:Ar3d14s2 Sc3+:Ar3d04s0 Y:Kr 4d15s2 Y3+:Kr 4d05s0 第4页,本讲稿共33页 La:Xe 5d16s2 La3+:Xe 5d06s0 Ce:Xe4f1 5d16s2 Ce3+:Xe4f1 Ce4+:Xe4f0 Pr:Xe4f3 6s2 Pr3+:Xe4f2 Pr4+:Xe4f1 Nd:Xe4f4 6s2 Nd3+:Xe4f3 Pm:Xe4f5 6s2 Pm3+:Xe4f4 S
5、m:Xe4f6 6s2 Sm3+:Xe4f5 Sm2+:Xe4f6 Eu:Xe4f7 6s2 Eu3+:Xe4f6 Eu2+:Xe4f7 第5页,本讲稿共33页 Gd:Xe4f7 5d16s2 Gd3+:Xe4f7 Tb:Xe4f96s2 Tb3+:Xe4f8 Tb4+:Xe4f7 Dy:Xe4f106s2 Dy3+:Xe4f9 Dy4+:Xe4f8 Ho:Xe4f116s2 Ho3+:Xe4f10 Er:Xe4f126s2 Er3+:Xe4f11Tm:Xe4f136s2 Tm3+:Xe4f12 Tm2+:Xe4f13Yb:Xe4f146s2 Yb3+:Xe4f13 Yb2+:Xe4f14Lu
6、:Xe4f14 5d16s2 Lu 3+:Xe4f14 第6页,本讲稿共33页()关于()关于La:无无4f电子。所以有人把电子。所以有人把Ce-Lu的的1个个元素称为镧系元素。但由于元素称为镧系元素。但由于La与其它与其它1个元个元素性质极为相似,所以目前人们仍把素性质极为相似,所以目前人们仍把La-Lu 15 个元素称为镧系元素。个元素称为镧系元素。但国际理论和应用化学联合会推荐:但国际理论和应用化学联合会推荐:(58-71)14个元素为镧系元素个元素为镧系元素;Sc,Y,La及镧系元素为稀土元素。及镧系元素为稀土元素。第7页,本讲稿共33页()关于()关于Y和和Sc:Y与镧系元素性质很相
7、似:都有氧化态;与镧系元素性质很相似:都有氧化态;Y3+半径落在半径落在Ho3+和和Er3+之间之间.Sc和镧系元素都有氧化态和镧系元素都有氧化态,有些方面有共同的特有些方面有共同的特点,所以也叫稀土元素。但点,所以也叫稀土元素。但Sc与镧系元素性质差别较大,与镧系元素性质差别较大,在镧系元素矿物中含量较小。在镧系元素矿物中含量较小。()稀土元素分组:()稀土元素分组:两种分组方法两种分组方法根据化学性质及矿物处理的需要分为两组:根据化学性质及矿物处理的需要分为两组:轻稀土(铈组):轻稀土(铈组):La-Eu;重稀土(钇组):重稀土(钇组):Gd-Lu 根据分离工艺的需要分为三组:根据分离工艺
8、的需要分为三组:轻稀土:轻稀土:La-Pm;中稀土:中稀土:S m-Dy;重稀土:重稀土:Ho-Lu,Y第8页,本讲稿共33页稀土元素的发现稀土元素的发现 稀土元素性质十分相似,分离困难,且早期科学技术稀土元素性质十分相似,分离困难,且早期科学技术水平有限,从水平有限,从1794年首先发现年首先发现Y,到,到1972年从沥青年从沥青 铀矿中铀矿中发现发现Pm,人类从自然界获取稀土元素经历了人类从自然界获取稀土元素经历了178年之久。年之久。1794年发现钇土:年发现钇土:1787 年年Arrhenius在瑞典斯德在瑞典斯德哥尔摩附近的哥尔摩附近的ytterby 村庄发现了一种黑色的石头(硅铍钇
9、村庄发现了一种黑色的石头(硅铍钇矿)。矿)。1794 年芬兰大学的教授年芬兰大学的教授J.Gadolin从此矿中分离出从此矿中分离出了了38%的新土氧化物,称之为钇土(音义)。为了纪念的新土氧化物,称之为钇土(音义)。为了纪念Gadolin,那种黑色的石头被命名为那种黑色的石头被命名为加多林石加多林石。第9页,本讲稿共33页1803 年发现铈土:年发现铈土:1803年德国人克拉普罗司年德国人克拉普罗司M.H.Klapeoth,和瑞和瑞典人柏齐利乌斯典人柏齐利乌斯J.J.Berzelius在分析瑞典产的在分析瑞典产的Tungsten(重石)矿样时,分别发现了一种新土,重石)矿样时,分别发现了一种
10、新土,淡黄色氧化物淡黄色氧化物:铈土铈土。当时人们认为铈土和钇土都是单一的元素,当时人们认为铈土和钇土都是单一的元素,但在研究时发现,但在研究时发现,它们的性质因制备方法不同而不它们的性质因制备方法不同而不同同_ 这说明它们都是混合氧化物。这说明它们都是混合氧化物。经过一个世纪的艰苦努力,经过一个世纪的艰苦努力,1907年人们从钇土年人们从钇土中分离出了最后一个元素中分离出了最后一个元素Lu的氧化物。这期间经历的氧化物。这期间经历了一百多年。了一百多年。第10页,本讲稿共33页61号元素号元素Pm 的发现:的发现:61号元素号元素Pm 是放射性元素,是放射性元素,Pm T1/2:2.64年,在
11、自然界很难找到它,是铀裂变的产物。年,在自然界很难找到它,是铀裂变的产物。早在早在1902年年B.Braunes推测推测Nd和和Sm之间应有一种之间应有一种元素,元素,1914 年年H.G.Meseley 在发现了在发现了X-射线光谱学与射线光谱学与原子序数的简单对应关系后,确认原子序数的简单对应关系后,确认61 号元素的存在。号元素的存在。1926年年B.S.Hopkins在在X-射线光谱中找到了射线光谱中找到了61号元号元素。素。1947 年年J.A.Marinsky and L.E.Glendenin从铀的从铀的裂变产物中找到了裂变产物中找到了61号元素,命名为钷,半衰期号元素,命名为钷
12、,半衰期2.64 年。年。1972年在天然铀矿提取物中发现钷,从此钷不在是年在天然铀矿提取物中发现钷,从此钷不在是人工合成元素。人工合成元素。第11页,本讲稿共33页稀土名字的由来:稀土名字的由来:以氧化物的形式从当时认为是相当稀少的矿物以氧化物的形式从当时认为是相当稀少的矿物中发现,所以称为稀土,类似于苦土中发现,所以称为稀土,类似于苦土MgO,锆土,锆土ZrO2等。习惯使用到今天。等。习惯使用到今天。其实稀土不稀也不土:其实稀土不稀也不土:不稀:不稀:现已探明稀土元素的丰度比一些普通元现已探明稀土元素的丰度比一些普通元素还要高。素还要高。不土:不土:稀土元素除可以氧化物存在,还可以盐稀土元
13、素除可以氧化物存在,还可以盐类等形式存在。类等形式存在。第12页,本讲稿共33页稀土元素在自然界的存在稀土元素在自然界的存在 .稀土元素在自然界的同位素:稀土元素在自然界的同位素:已发现稳定的同位素有已发现稳定的同位素有50多种,多种同位素混多种,多种同位素混合存在于自然界中。合存在于自然界中。Pr,Tb,Ho,Tm,Y 无同位素,只有一种核素;无同位素,只有一种核素;其余均有同位素:其余均有同位素:有些同位素具有放射性:有些同位素具有放射性:如如 :138La,142Ce,144Nd,147-149Sm,152Gd,176Lu 为放射性同位素。为放射性同位素。第13页,本讲稿共33页 但稀土
14、元素的放射性很小,但稀土元素的放射性很小,其中放射性最大其中放射性最大的的14Sm,176Lu,其放射性仍低与国家规定的放射其放射性仍低与国家规定的放射性界限(比放性界限(比放钇组:钇组:铈组:铈组:106g/t,钇组:钇组:47g/tc.稀土元素分布不均匀,服从稀土元素分布不均匀,服从Oddo-harkins规则:规则:偶数偶数元素丰度大于奇数元素。(但在离子吸附矿中元素丰度大于奇数元素。(但在离子吸附矿中LaCe)d.地壳中稀土元素富集于岩石圈的花岗岩、伟晶岩、正长岩地壳中稀土元素富集于岩石圈的花岗岩、伟晶岩、正长岩中。中。钇组元素和花岗岩岩浆结合紧密,倾向于出现在花岗岩钇组元素和花岗岩岩
15、浆结合紧密,倾向于出现在花岗岩中中.铈组元素倾向于出现在正长岩中。铈组元素倾向于出现在正长岩中。第16页,本讲稿共33页.稀土元素存在的状态稀土元素存在的状态由于稀土元素原子结构的相似性,在地球化学上由于稀土元素原子结构的相似性,在地球化学上它们紧密结合共生于相同的矿中。它们在矿中的存在它们紧密结合共生于相同的矿中。它们在矿中的存在有三种情况:有三种情况:()参与矿物晶格是矿物不可缺少的部分,即形成()参与矿物晶格是矿物不可缺少的部分,即形成稀土矿。稀土矿。如:独居石(如:独居石(Ce,YPO4),氟碳铈矿(氟碳铈矿(CeCO3F)()以类质同晶置换(钙,锶、钡、锰、锆、钍)()以类质同晶置换
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- 稀土元素 化学 第一章 精品 文稿
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