稀土元素的化学反应

稀土元素的化学反应

一、稀土元素简介

稀土元素是指周期表中第57（镧）~71（镥）号原子序的镧系元素，以及第三副族的钪和钇共17个元素，即镧La(lan)、铈Ce(shi)、镨Pr(pu)、钕Nd(nv)、钷Pm(po) 、钐Sm(shan) 、铕Eu(you) 、钆Gd(ga)，铽Tb(te)、镝Dy(di)、钬Ho(huo)、铒Er(er)、铥Tm(diu)、镱Yb(yi)、镥Lu(lu)以及钇Y(yi)、钪Sc（kang）。它们在自然界中共同存在，性质非常相似，但彼此之间又存在有一些差别，这是由它们的原子和离子的电子结构决定的。由于这些元素发现的比较晚，又难以分离出高纯的状态，最初得到的是元素的氧化物，他们的外观似土，所以称它们为稀土元素。其实从它们在地壳中的含量（丰度）看，其中的某些元素并不稀少。

二、稀土元素的化学反应

1、稀土金属及合金制取

制备稀土金属，首先是制备出稀土氧化物、氯化物或氟化物后再用熔盐电解法或金属热还原法等制取金属。单一稀土金属的制备方法因元素不同而异。熔盐电解法被广泛用于制取稀土合金，金属热还原也可以直接制取某些具有实际价值的稀土合金。此外，国外还研究了其他制取稀土金属的还原方法。

(1) 熔盐电解法制取稀土金属与合金

熔盐电解法是用稀土的氧化物、氯化物或氟化物，与钙、钡、钠或钾的氯化物或氟化物组成的混合熔盐作为电解质，高温下进行电解。一般而言，熔盐电解法生产规模较大，适用于生产混合稀土金属、铈组或镨钕混合金属以及镧、铈、镨、钕等单一稀土金属，其产品纯度有限。钐、铕、铥、臆因蒸汽压高等原因不适宜用熔盐电解法制备。

(2) 金属热还原法制取稀土金属

根据化学热力学的计算，在一定温度、压力和物理条件下，一些碱金属或碱土金属与无水稀土氯化物反应可以将稀土氯化物还原为稀土金属，并与反应生成的渣相分离，这就是金属热还原法。

钙热还原稀土氟化物

2REF3(s)+3Ca(l) →2RE(l)+3CaF2(l) (1450-1750度)

锂热还原稀土氯化物

RECl3(l)+3Li(g) →RE(l)+3LiCl(g) (800-1100度)

镧、铈还原稀土氧化物

RE2O3(s) + 2La (l) →2RE(g) + La2O3 (s) (1200-1400度)

2RE2O3(s) + 3Ce(l) →4RE(g)+ 3CeO2(s)

2、稀土元素的活泼性及氧化还原性

（1）稀土元素的活泼性

稀土元素是典型的金属元素。稀土元素的化学活性很强，仅次于碱金属和碱土金属。

17种稀土元素中，按金属活泼性顺序排列，由钪→钇→镧递增，由镧→镥递减，即镧

最为活泼。

稀土金属在空气中的稳定性，随着原子序数的增加而逐渐稳定。在空气中镧、铈很快被腐蚀，镧在空气中逐渐转化为白色氢氧化物，但在干燥空气中仅表面生成一层蓝色薄膜，保护内部。铈则先氧化成氧化铈，接着又氧化成二氧化铈，放出大量的热而自燃，铈的燃点160℃，镨的燃点190℃。钕作用比较缓慢，甚至能长时间保持金属光泽。钇在空气中虽然热至900℃，也只有表面生成氧化物，金属钇在空气中放置数月仅表面生成一层灰白色的氧化物薄膜。稀土金属必须保存在煤油中，否则与潮湿空气接触，就会被氧化变质。混合稀土金属是比铝更好的金属还原剂。稀土元素还能与多种金属元素作用生成组成不同的金属间化合物。

（2）稀土元素的氧化还原性

由于离子的氧化还原电位与电子层结构有关，当稀土的4f层电子全空、半充满和全充满时较为稳定，所以其稳定性是：Ce4+>Pr4+，Eu3+>Sm3+

Ce4+在水溶液中稳定存在，其它制备困难。

Pr4+Tb4+有很强的氧化性，能迅速把水氧化。水溶液中Sm2+（血红色）Eu2+（淡黄色）Yb2+（淡黄色），其中Eu2+在水溶液中可保持相当长时间。

Eu2+ + H+→Eu3+ +1/2 H2

Eu2+ + H+ +1/2 O2→Eu3+ +1/2 H2O2

4Eu2+ + 4H+ + O2→Eu3+ +2 H2O

3、稀土氧化物的反应

(1) 三价氧化物

稀土氧化物不溶与水和碱性溶液，但能溶于无机酸（氢氟酸和磷酸除外），生成相应的盐。

RE2O3+ 6 H+→2 RE3+ + 3 H2O

另外，氧化物能吸收CO2,生成碱式碳酸盐。

RE2O3 + 3 CO2→RE2(CO2)3

(2) 四价氧化物

四价氧化物都是强的氧化剂，这是因为四价的价态对于稀土元素来说是不稳定的，易变成三价状态，呈现氧化性。在稀酸中，它们是稳定的，但在浓酸中，有

REO2(固) + 4 H+→RE4+ + 2 H2O

稀土氧化物和某些金属的氧化物在高温和适当气氛下作用，可形成不同类型的化合物。这些化合物往往具有重要的压电效应、磁性质和发光性能，在现代工业具有重要意义。

4、稀土氢氧化物的反应

Re（Ⅲ）盐类与NaOH反应，可以得到Re(OH)3镧系氢氧化物的碱性与碱土金属的氢氧化物相近。同时Re(OH)3的碱性，随着原子序数的增加有规律的减弱，以至于Yb(OH)3和Lu(OH)3在高压下与浓氢氧化钠共热，可以生Na3Yb(OH)6和Na3Lu(OH)6。

除+3价外，有的镧系元素还有+4价和+2价。在空气中加热镧系金属，Ce生成CeO2，Pr生成棕黑色的Pr6O11。其中Ce显+4，而Pr6O11可以看成Pr2O3·4PrO2这说明CeO2，Pr可以显+4价。

+4价氧化物具有较强的氧化性，PrO2只能存在于固体中，与水作用将被还原成+3价：

PrO2 + 6H2O →4Pr(OH)3 + O2↑

+4价Ce的稳定性好些，溶液中可以存在,向其中加入Na(OH)时，有Ce(OH)4黄色沉淀生成。

Ce+4 + 4OH-→Ce(OH)4↓

5、稀土金属与金属元素作用

稀土金属几乎能与所有的金属元素作用,生成不同的金属间化合物。

与镁生成REMg、REMg2、REMg4等化合物（稀土金属微溶于镁）；

与Al生成RE3Al、RE3Al2、REAl、REAl2、REAl3、RE3Al4等化合物；

与钴生成RECo2、RECo3、RECo4、RECo5、RECo7等化合物，其中Sm2Co7、SmCo永磁材料。

与铁生成CeFe3、CeFe2、Ce2Fe3、YFe2等化合物，但镧与铁只生成低共熔体；

镧铁合金的延展性很好。

与镍生成LaNi、LaNi5、La3Ni5等化合物；此类化合物具有强烈的吸氢性能。LaNi5是优良的储氢材料；

与铜生成YCu、YCu2、YCu3、YCu4、NdCu5、CeCu、CeCu2、CeCu4、CeCu6

等化合物。

6、离子的卤素络合物

稀土离子可以和F-，Cl-，Br-，I-生成絡离子，其中与F-生成的络合物最稳定，在水溶液中络合反应为

Ln3+ + HF →LnF2+ + H+

稀土离子与碳酸根卤素络合物

La3+ + H2CO3→LaCO3+ + 2H+

卤化物的水合过程

LnCl3(s) + nH2O(l) →LnCl3·nH2O（S）

水合卤化物在高温下脱水，得到的最后产物是碱式盐，因为在脱水的过程中，同时发生水解作用：

LnCl3 + H2O →LnOCl + 2HCl ↑

LnCl3·nH2O(s)和LnCl3(s)在水中的溶解过程可以写为：

LnCl3·nH2O(s) →Ln3-(aq) +3Cl-(aq) + n H2O

7、稀土的盐类

（1）稀土的草酸盐

可均相沉淀法可制备稀土草酸盐，即将中性稀土溶液与草酸甲酯回流水解，沉淀出草酸盐。

所有稀土草酸盐在水中的溶解度都很小，因此从水溶液中回收稀土常用草酸或草酸铵为沉淀剂。稀土草酸盐的热稳定性随稀土离子半径的减小而减小。

（2）稀土硫酸盐

稀土氧化物与略微过量的浓硫酸反应、水合硫酸盐高温脱水或酸式盐的热分解均