稀土元素瞿谅等.ppt

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1、一稀土元素的简介和性质一稀土元素的简介和性质 二二.稀土元素的应用稀土元素的应用三三.稀土元素的分离稀土元素的分离 四四.稀土元素的制备稀土元素的制备 稀土元素稀土元素的组成的组成 稀土元素稀土元素的发现的发现 稀土元素的稀土元素的化学性质化学性质 稀土元素的稀土元素的物理性质物理性质 稀土元素的组成稀土元素的组成稀土元素稀土元素：周期系：周期系B族中原子序数为族中原子序数为21、39和和5771的的17种化学元素的统称。种化学元素的统称。其中原子序数为其中原子序数为5771的的15种化学元种化学元素又统称为镧系元素。素又统称为镧系元素。稀土元素包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、稀土元素包括钪、钇、

2、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。镥。稀稀土土元元素素的的发发现现 稀土金属是芬兰学者加多林(Johan Gado1in)在1794年发现的。当时在瑞典的矿石中发现了矿物组成类似“土”状物而存在的钇土，且又认为稀少，便定名为 (Baxe Earth)。氧化物稳定。比其他金属元素都活泼。燃点低。氧化物熔点高，生成自由能负值大。稀土元素的性质与其内部结构密切相关，下面是稀土元素的原子结构和一些重要性质。（1 1）电子构型角度：）电子构型角度：稀土元素在基态时的电子排布特征是最后填充的电子大都进入4f亚层，只有钇和镧例外，下表列出稀土

3、元素原子和离子（RE3+）的电子结构及某些性质。图图-1稀土元素的原子性质稀土元素的原子性质图图 从从上上表表中中可可看看到到，LaLa有有4f4f空空轨轨道道，GdGd的的 4f4f轨轨 道道为为半半充充满满，LuLu的的 4f4f轨轨 道道为为全全充充满满，这这些些都都是是稳稳定定的的电电子子构构型。型。（2 2）原子半径和离子半径角度）原子半径和离子半径角度 镧系元素的原子半径及Ln3+离子半径，在总的趋势上都随着原子核电荷数的增大而减小，这一现象叫做镧镧系系收缩收缩。在镧系在镧系原子半径收原子半径收缩的过程中，缩的过程中，有两处突跃。有两处突跃。即铕和即铕和镱的原子半镱的原子半径突然增

4、大，径突然增大，在图中在铕在图中在铕和镱处出现和镱处出现了两个峰值。了两个峰值。由于铕和镱各自具有半充满和全充满的由于铕和镱各自具有半充满和全充满的4f亚层，这一相对稳定的结构对核电荷的屏亚层，这一相对稳定的结构对核电荷的屏蔽较大，所以原子半径明显增大。蔽较大，所以原子半径明显增大。离离子子半半径径稀土元素的重要化合物稀土元素的重要化合物氢氧化物氧化物碱性氧化物配合物配合物类型类型和数目数目比d过渡元素要少得多。Ln3+离子半径较大，配合物稳定性差。Ln3+与配位体之间的作用力很弱，主要通过静电作用静电作用。配合物配合物 大部分稀土金属呈紧密六方晶格紧密六方晶格或面面心立方晶格心立方晶格结构，

5、只有钐为菱形结构，铕为体心立方结构。具有4f0构型的La3+、Ce3+和4f14的Yb2+、Lu3+，因无成单电子而呈反磁性反磁性，而具有4f113构型的镧系元素及其化合物，则因含有成单电子而表现顺磁性顺磁性。ScYLaCePrNdPmSmEu密度(g/cm3)2.994.476.196.776.787.00 7.545.26熔点()1539 1509 9207959351024 1072 826GdTbDyHoErTmYbLu密度(g/cm3)7.888.278.548.809.059.336.989.84熔点()1312 1356 1407 1461 1497 1545 8241652 +

6、3氧化态镧系元素离子多数有颜色，如果阴离子为无色，在结晶盐和水溶液中都保持Ln3+的特征颜色 离子的颜色似乎决定于f层中的未成对的电子数。当三价离子具有fn和f14-n电子构型时，它们的颜色是相同相近的。这就是Ln3+离子颜色的周期性变化。MagicRareearthel ement工业领域农业领域医药领域1.1.稀土在冶金工业中应用量很大，约占稀土总用量的1/3。钢水中加入稀土，可起脱硫脱氧改变夹杂物形态作用；铸铁中稀土作为石墨球化剂、形核剂核对有害元素的控制剂，提高铸件质量，改善机械性能。有色合金方面，可改善合金的物理和机械性能。应用最多的使铝、镁、铜三个系列。稀稀土土元元素素在在工工业业

7、领领域域的的应应用用 1.冶金工业领域 2.石油化工领域 3.玻璃工业领域 4.陶瓷工业领域 5.电光源工业领域 6.材料工业领域 2.在石油裂化工业中，稀土分子作为筛裂化催化剂，活性高、选择性好、汽油的生产率高。可以用于石油裂化、合成橡胶等工业。近来，科学家正致力于研究用稀土金属作为汽车尾气净化的催化剂。稀土在这方面的用量很大。3.稀土在玻璃工业中有三个应用：玻璃着色玻璃着色、玻璃脱色玻璃脱色和制备特种性能的玻璃制备特种性能的玻璃。钕玻璃为粉红色并带有紫色光泽、镨玻璃为绿色(制造滤光片)等；二氧化铈可将玻璃中呈黄绿色的二价铁氧化为三价而脱色，还可以加入氧化钕进行物理脱色；稀土特种玻璃如铈玻璃

8、(防辐射玻璃)、镧玻璃(光学玻璃)。4.4.稀土可以加入陶瓷和瓷釉之中，减少釉和破裂并使其具有光泽。但更主要用做陶瓷的颜料，它可使陶瓷的颜色更柔和、纯正，色调新颖，光洁度好。稀土氧化物还可以制造耐高温透明陶瓷(应用于激光等领域)、耐高温坩埚(冶金)。5.5.稀土作为荧光灯的发光材料，是节能性的光源，特点是光效好、光色好、寿命长。比白炽灯可节电7580%。优点优点：电动机的效率增强；电动汽车起动机的起动力会大大增加而体积却大大减小；家用电器能耗显著降低；有广泛的应用前景，如：磁悬浮高速列车，自动化高速公路。缺点缺点：成本变高磁性材料磁性材料结构材料：结构材料：使钢铁得到良好特性超导材料：超导材料

9、：混合稀土-钡-铜-氧超导体贮氢材料：贮氢材料：高容量充电电池的电极。发光材料：发光材料：节能光源 大面积超薄型显示屏（1 1）、微合金化作用）、微合金化作用（3 3）、与其它有害元素的作用）、与其它有害元素的作用（2 2）、捕氢作用）、捕氢作用（4 4）、稀土元素的脱硫、脱氧）、稀土元素的脱硫、脱氧 钢液中加稀土净化的钢液复杂的硫化物降至201ppm排出氧化物稀土元素在农业领域的应用稀土元素在农业领域的应用 增加经济效益增加作物产量改善作物品质增强作物抗逆性对消化系统作用对消化系统作用对内分泌系统作用对内分泌系统作用对神经系统的作用对神经系统的作用对人体皮肤的作用对人体皮肤的作用对人体癌肿及

10、爱滋病毒的作用对人体癌肿及爱滋病毒的作用稀土元素在医药领域的应用稀土元素在医药领域的应用 稀土是一种低毒性物质，其毒性与铁差不多，适量适量摄人，有助于提高机体的免疫力；但是，大量补充则会造成对机体的危害。稀土有促进保护效应。大量的实验表明，稀土可促进细胞的活性；对胰岛素细胞的分泌有调节作用，对胃粘膜起保护作用。稀土是有效的杀菌物。稀土化合物在医药方面的应用显示其特点及优越性，对于改善药物的性能、提高药效找到了新的途径。直接食用稀土元素（或离子）浓度过大，可能是致癌、促癌的原因之一。然而取食于动植物，从而获取稀土有机物，看来既安全又有益。稀土杂多配合物显示出较强的抗爱滋病毒活性及较低的细胞毒性，

11、是目前为止发现的一种较好的抗爱滋病毒杂多配合物。从大量的动物实验中可以看出REC13对鼠腺垂体细胞有作用；对甲状腺结构变化有影响。一是一是镧系元素之间的物理性质和化学性质十分相似二是二是混合稀土化合物中伴生的杂质元素较多（如铀、钍、钛、铁、等）。分步法分步法分步法分步法是利用化合物在溶剂中溶解的难易程利用化合物在溶剂中溶解的难易程度（溶解度）上的差别来进行分离和提纯的。度（溶解度）上的差别来进行分离和提纯的。分步析出溶解浓缩加热 但因为稀土元素之间的溶解度差别很小，必须重复操作多次才能将这两种稀土元素分离开来。因而这是一件非常困难的工作，全部稀土元素的单一分离耗费了100多年，一次分离重复操作

12、竟达2万次，对于化学工作者而言，其艰辛的程度，可想而知。因此用这样的方法不能大量生产单一稀土。离子交换法离子交换法阳离子交换树脂填充于柱子内待分离稀土从上到下流经柱子形成络合物的稀土就脱离离子交换树脂稀土络合物分解吸附于树脂上离子交换法离子交换法优点优点：一次操作可以分离多个元素，产品纯度高。缺点缺点：不能连续处理，一次操作周期长，成本高。溶剂萃取法溶剂萃取法优点优点：分离效果好、生产能力大、便于快速连续生产、易于实现自动控制。反萃取洗涤萃取镧系元素的标准电极电势/V 从稀土元素的电极反应的标准电势值可知，稀土金属非常活泼，且稀土氧化物的生成热很大，十分稳定，制备纯金属比较困难，通常采用熔盐电

13、解法和金属热还原法等。熔盐电解法 用于制取大量混合稀土金属或单一稀土金属，电解液：无水RECl3、助熔剂（NaCl或KCl）。如果原料为混合的RECl3，电解产物为混合稀土金属；如果原料为单一的RECl3，则电解产物也是唯一的稀土金属。有关的电极反应为：阴极阴极 RE RE3 3+3e+3e-RE RE阳极阳极 Cl Cl-1/2Cl 1/2Cl2 2 +e +e-熔盐电解法 通过电流密度、电解槽温度及电解液组成等条件控制，使电解在析出稀土金属的范围进行。氧化物-氟化物熔盐体系的电解是利用稀土氧化物溶解在氟化物（作为助熔剂）中电解，电解时的反应为：阴极阴极 RE RE3 3+3e+3e-RE

14、RE阳极阳极 O O2 2-+C CO +2e+C CO +2e-2O 2O2 2-+C CO +C CO2 2 +4e +4e-2O 2O2 2-O O2 2 +4e-+4e-阳极阳极上可有CO，CO2及O2气放出。阴极阴极上析出稀土金属。金属热还原法金属热还原法 轻稀土金属（La、Ce、Pr、Nd等）常用金属Ca还原它们的氯化物来制备：2RECl3 +3Ca -2RE +3CaCl2 重稀土元素（Tb、Dy、Y、Ho、Er、Tm、Yb等）可用金属Ca还原其氟化物来制备：2REF3 +3Ca -2RE +3CaF2 金属热还原法金属热还原法 除用金属Ca做还原剂外，也有用金属Ba或Mg做还原剂，稀土卤化物也有以溴化物作原料的。用金属热还原法制得的稀土金属，不同程度的含有各种杂质，还需进一步提纯。此外，还有氧化物的镧、铈还原法，其主要反应为：RE2O3（s）+2La（s）-2RE（g）+La2O3（s）（RE代表Sm、Eu、Yb）谢谢啊！谢谢啊！