稀土的基本知识及应用

第一課概念

1.1 什麼是稀土？

1.2 稀土生產與分離

1.3 稀土資源

1.1 什麼是稀土？

稀土就是化學元素週期表中鑭系元素—鑭（La）、鈰（Ce）、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑 (Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)，以及與鑭系的15個元素密切相關的兩個元素—鈧（Sc）和釔（Y）共17種元素，稱為稀土元素（Rare Earth）。簡稱稀土（RE或R）。

稀土元素最初是從瑞典產的比較稀少的礦物中發現的，“土”是按當時的習慣，稱不溶於水的物質，故稱稀土。

根據稀土元素原子電子層結構和物理化學性質，以及它們在礦物中共生情況和不同的離子半徑可產生不同性質的特徵，十七種稀土元素通常分為二組。

輕稀土（又稱鈰組）包括：鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓。

重稀土（又稱釔組）包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥、鈧、釔。

稱鈰組或釔組，是因為礦物經分離得到的稀土混合物中，常以鈰或釔佔優勢而得名。

稀土元素的主要物理化學性質

稀土元素是典型的金屬元素。它們的金屬活潑性僅次於鹼金屬和鹼土金屬元素，而比其他金屬元素活潑。在17個稀土元素當中，按金屬的活潑次序排列，由鈧，釔、鑭遞增，由鑭到鑥遞減，即鑭元素最活潑。稀土元素能形成化學穩定的氧化物、鹵化物、硫化物。稀土元素可以和氮、氫、碳、磷發生反應，易溶於鹽酸、硫酸和硝酸中。

稀土易和氧、硫、鉛等元素化合生成熔點高的化合物，因此在鋼水中加入稀土，可以起到淨化鋼的效果。由於稀土元素的金屬原子半徑比鐵的原子半徑大，很容易填補在其晶粒及缺陷中，並生成能阻礙晶粒繼續生長的膜，從而使晶粒細化而提高鋼的性能。

稀土元素具有未充滿的4f電子層結構，並由此而產生多種多樣的電子能級。因此，稀土可以作為優良的螢光，鐳射和電光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。

稀土離子與羥基、偶氮基或磺酸基等形成結合物，使稀土廣泛用於印染行業。而某些稀土元素具有中子俘獲截面積大的特性，如釤、銪、釓、鏑和鉺，可用作原子能反應堆的控制材料和減速劑。而鈰、釔的中子俘獲截面積小，則可作為反應堆燃料的稀釋劑。

稀土具有類似微量元素的性質，可以促進農作物的種子萌發，促進根系生長，促進植物的光合作用。

17種稀土元素名稱的由來及用途淺說

鑭(La)

鑭”這個元素是1839年被命名的，當時有個叫“莫桑德”的瑞典人發現鈰土中含有其他元素，他借用希臘語中“隱藏”一詞把這種元素取名為“鑭”。從此，鑭便登上了歷史舞臺。

鑭的應用非常廣泛，如應用於壓電材料、電熱材料、熱電材料、磁阻材料、發光材料（蘭粉）、貯氫材料、光學玻璃、鐳射材料、各種合金材料等。她也應用到製備許多有機化工產品的催化劑中，光轉換農用薄膜也用到鑭，在國外，科學家把鑭對作物的作用賦與“超級鈣”的美稱。

鈰（Ce）

鈰”這個元素是由德國人克勞普羅斯，瑞典人烏斯伯齊力、希生格爾於1803年發現並命名的，以紀念1801年發現的小行星——穀神星。

鈰廣泛應用於（1）鈰作為玻璃添加劑，能吸收紫外線與紅外線，現已被大量應用於汽車玻璃。不僅能防紫外線，還可降低車內溫度，從而節約空調用電。從 1997年起，日本汽車玻璃全加入氧化鈰，1996年用於汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸，美國約一千多噸。（2）目前正將鈰應用到汽車尾氣淨化催化劑中，可有效防止大量汽車廢氣排到空氣中。美國在這方面的消費量占稀土總消費量的三分之一強。（3）硫化鈰可以取代鉛、鎘等對環境和人類有害的金屬應用到顏料中，可對塑膠著色，也可用於塗料、油墨和紙張等行業。目前領先的是法國羅納普朗克公司。（4）Ce:LiSAF鐳射系統是美國研製出來的固體雷射器，通過監測色氨酸濃度可用於探查生化武器，還可用於醫學。鈰應用領域非常廣泛，幾乎所有的稀土應用領域中都含有鈰。如拋光粉、儲氫材料、熱電材料、鈰鎢電極、陶瓷電容器、壓電陶瓷、鈰碳化矽磨料、燃料電池原料、汽油催化劑、某些永磁材料、各種合金鋼及有色金屬等。

鐠(Pr)

大約160年前，瑞典人莫桑德從鑭中發現了一種新的元素，但它不是單一元素，莫桑德發現這種元素的性質與鑭非常相似，便將其定名為“鐠釹”。“鐠釹”希臘語為“雙生子”之意。大約又過了40多年，也就是發明汽燈紗罩的1885年，奧地利人韋爾斯巴赫成功地從“鐠釹”中分離出了兩個元素，一個取名為“釹”，另一個則命名為“鐠”。這種“雙生子”被分隔開了，鐠元素也有了自己施展才華的廣闊天地。

鐠是用量較大的稀土元素，其主要用於玻璃、陶瓷和磁性材料中。（1）鐠被廣泛應用於建築陶瓷和日用陶瓷中，其與陶瓷釉混合製成色釉，也可單獨作釉下顏料，製成的顏料呈淡黃色，色調純正、淡雅。（2）用於製造永磁體。選用廉價的鐠釹金屬代替純釹金屬製造永磁材料，其抗氧性能和機械性能明顯提高，可加工成各種形狀的磁體。廣泛應用於各類電子器件和馬達上。（3）用於石油

催化裂化。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中製備石油裂化催化劑，可提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。我國70年代開始投入工業使用，用量不斷增大。（4）鐠還可用於磨料拋光。另外，鐠在光纖領域的用途也越來越廣。

釹(Nd)

伴隨著鐠元素的誕生，釹元素也應運而生，釹元素的到來活躍了稀土領域，在稀土領域中扮演著重要角色，並且左右著稀土市場。

釹元素憑藉其在稀土領域中的獨特地位，多年來成為市場關注的熱點。金屬釹的最大用戶是釹鐵硼永磁材料。釹鐵硼永磁體的問世，為稀土高科技領域注入了新的生機與活力。釹鐵硼磁體磁能積高，被稱作當代“永磁之王”，以其優異的性能廣泛用於電子、機械等行業。阿爾法磁譜儀的研製成功，標誌著我國釹鐵硼磁體的各項磁性能已跨入世界一流水準。釹還應用於有色金屬材料。在鎂或鋁合金中添加1.5～2.5%釹，可提高合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性，廣泛用作航空航太材料。另外，摻釹的釔鋁石榴石產生短波雷射光束，在工業上廣泛用於厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在醫療上，摻釹釔鋁石榴石雷射器代替手術刀用於摘除手術或消毒創傷口。釹也用於玻璃和陶瓷材料的著色以及橡膠製品的添加劑。隨著科學技術的發展，稀土科技領域的拓展和延伸，釹元素將會有更廣闊的利用空間。

鉕(Pm)

年，馬林斯基（J.A.Marinsky）、格倫丹寧（L.E.Glendenin）和科裏爾（C.E.Coryell）從原子能反應堆用過的鈾燃料中成功地分離出61號元素，用希臘神話中的神名普羅米修斯（Prometheus）命名為鉕（Promethium）。

鉕為核反應爐生產的人造放射性元素。鉕的主要用途有（1）可作熱源。為真空探測和人造衛星提供輔助能量。（2）Pm147放出能量低的β射線，用於製造鉕電池。作為導彈制導儀器及鐘錶的電源。此種電池體積小，能連續使用數年之久。此外，鉕還用於可攜式 X-射線儀、製備螢光粉、度量厚度以及航標燈中。

釤（Sm）

年，波依斯包德萊從鈮釔礦得到的“鐠釹”中發現了新的稀土元素，並根據這種礦石的名稱命名為釤。

釤呈淺黃色，是做釤鈷系永磁體的原料，釤鈷磁體是最早得到工業應用的稀土磁體。這種永磁體有SmCo5系和Sm2Co17系兩類。70年代前期發明了 SmCo5系，後期發明了Sm2Co17系。現在是以後者的需求為主。釤鈷磁體所用的氧化釤的純度不需太高，從成本方面考慮，主要使用95%左右的產品。此外，氧化釤還用於陶瓷電容器和催化劑方面。另外，釤還具有核性質，可用作原子能反應堆的結構材料，屏敝材料和控制材料，使核裂變產生巨大的能量得以安全利用。

銪（Eu）

年，德馬凱（Eugene-Antole Demarcay）從“釤”中發現了新元素，取名為銪（Europium）。這大概是根據歐洲（Europe）一詞命名的。氧化銪大部