稀土的基础知识与应用

稀土的基础知识与应用

神奇的稀土

镧、铈、镨、钕、钇等17种稀土元素由于原子结构特殊，电子能级异常丰富，具有许多优异的光、电、磁、核等特性，加之化学性质十分活泼，能与其它元素组成品类繁多、功能千变万化、用途各异的新型材料，被称作为“现代工业的维生素”和神奇的“新材料宝库”。

稀土已广泛应用于冶金、机械、石油、化工、玻璃、陶瓷、纺织、皮革、农牧养殖等传统产业领域，可以显著改善产品性能和增加产量。作为改性添加元素在钢铁和有色金属中加入千分之几甚至万分之几的稀土就能明显改善金属材料性能。稀土可以提高钢材的强度、耐磨性和抗腐蚀性能。稀土球墨铸铁管比普通铸铁管强度高5～6倍。由于我国铝锭含硅量高，用其生产的铝导线导电率长期以来不符合国际标准，加入稀土生产的稀土铝导线，不但导电北达到了国际标准，导电性能还提高2～4%，强度提高20%，抗腐蚀性能提高近一倍，已成功用于50万伏超高压输电线。稀土分子筛催化剂用于石油加工的催化裂化，可使汽油产出率提高5%，提高装置裂化能力30%。稀土植物助长剂用于农业，可使粮食作物平均增产7%，油料作物平均增产10%，瓜果蔬菜增产10%～20%，还能使含糖作物的含糖量明显提高，并能增强农作物的抗逆性（抗灾病能力）。

稀土作为基体元素能制造出具有特殊“光电磁”性能的多种功能材料，如稀土永磁材料、荧光发光材料、贮氢蓄能材料、催化剂材料、激光材料、超导材料、光导材料、功能陶瓷材料、生物工程材料和半导体材料等等，它们都是发展电子信息产业，开发新能源，环保和国防尖端技术等方面不可缺少的新材料。稀土永磁材料钕铁硼是当今磁性能最强的永磁材料，被称作“一代磁王”，已广泛用于各种电动机、发电机、音响设备、仪器仪表、核磁共振成像仪和航天航空通讯等方面。稀土永磁材料用于电机，可使设备小型化和轻型化，同等功率的电机体积和重量可减少30%以上。用稀土永磁同步电机代替工业上耗能最多的异步电机，节电率达12～15%。稀土是制造高效节能电光源不可缺少的材料。用稀土三基色荧光灯代替普通白炽灯，节电北高达80%。稀土金属卤化物灯已被大量用于城市广场、体育场馆和高层建筑的美化泛光照明。这些新型电光源不但节能效果明显，而且大大提高了照明质量，生产过程减少了污染，被看作“绿色照明”。彩色电视也正是由于采用了稀土荧光灯才使其画面色彩纯正，能逼真地再现出五光十色的大千世界。稀土镍氢可充电，电池作为无污染绿色电池，已广泛用于移动电话、电脑笔记本、电动工具等方面。各种稀土功能材料在航天、航空和国防尖端技术中，如雷达、侦察卫星、激光制导和自动指挥系统等方面都获得了广泛应用。

事实表明，一个国家的稀土开发应用水平，尤其是在高新技术领域中应用，与其工业技术发达程度成正比。美国的稀土用量一直居世界第一位。日本、英国、法国、德国等工业发达国家都缺乏稀土资源，但它们稀土用量都很大并拥有世界一流的稀土应用技术。这些国家都把稀土看作是对本国经济和技术发展有着至关重要作用的战略元素。美国认定的35个战略元素和日本选定的26个高技术元素中，都包括了全部稀土元素。

什么是稀土？

稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以

及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（Rare Earth）。简称稀土（RE或R）。

稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是按当时的习惯，称不溶于水的物质，故称稀土。

根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组。

轻稀土（又称铈组）包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。

重稀土（又称钇组）包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。

称铈组或钇组，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇占优势而得名。稀土元素的主要物理化学性质

稀土元素是典型的金属元素。它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素，而比其他金属元素活泼。在17个稀土元素当中，按金属的活泼次序排列，由钪，钇、镧递增，由镧到镥递减，即镧元素最活泼。稀土元素能形成化学稳定的氧化物、卤化物、硫化物。稀土元素可以和氮、氢、碳、磷发生反应，易溶于盐酸、硫酸和硝酸中。

稀土易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合物，因此在钢水中加入稀土，可以起到净化钢的效果。由于稀土元素的金属原子半径比铁的原子半径大，很容易填补在其晶粒及缺陷中，并生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化而提高钢的性能。

稀土元素具有未充满的4f电子层结构，并由此而产生多种多样的电子能级。因此，稀土可以作为优良的荧光，激光和电光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。

稀土离子与羟基、偶氮基或磺酸基等形成结合物，使稀土广泛用于印染行业。而某些稀土元素具有中子俘获截面积大的特性，如钐、铕、钆、镝和铒，可用作原子能反应堆的控制材料和减速剂。而铈、钇的中子俘获截面积小，则可作为反应堆燃料的稀释剂。

稀土具有类似微量元素的性质，可以促进农作物的种子萌发，促进根系生长，促进植物的光合作用。

稀土金属的某些物理特性

原子序数元素

原子

量

离子

半

径

(埃)

密度

(克/厘

3)

熔度

(℃)

沸点

(℃）

氧化

物

熔点

(℃)

比电阻

欧姆·

厘米

×106

R3+离子

磁矩

(波尔磁

子)

热中子

俘获

截面

（靶）

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71 La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

138.92

140.13

140.92

144.27

147.00

150.35

152.00

157.26

158.93

162.51

164.94

167.27

168.94

173.04

174.99

1.22

1.18

1.16

1.15

1.14

1.13

1.13

1.11

1.09

1.07

1.05

1.04

1.04

1.00

0.99

6.19

6.768

6.769

7.007

-

7.504

5.166

7.868

8.253

8.565

8.799

9.058

9.318

6.959

9.849

920±5

804±5

935±5

1024±5

-

1052±5

826±10

1350±20

1336

1485±20

1490

1500～1550

1500～1600

824±5

1650～1750

4230

2930

3020

3180

-

1630

1490

2730

2530

2330

2330

2630

2130

1530

1930

2315

1950

2500

2270

-

2350

2050

2350

2387

2340

2360

2355

2400

2346

2400

56.8

75.3

68.0

64.3

-

88.0

81.3

140.5

-

56.0

87.0

107.0

79.0

27.0

79.0

0.00

2.56

3.62

3.68

2.83

1.55～

1.65

3.40～

3.50

7.94

9.7

10.6

10.6

9.6

7.6

8.9

0.7

11.2

46

-

5500

4600

46000

44

1100

64

166

118

36

108