第二十二章稀土元素 57~71号15个元素位于周期表的,第六周期, B族,是内过渡元素,亚层电子0~14个间, 价电子4f0145d016s2,称为镧系元素,有 La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy Ho、Er、Tm、Yb、Lu 它们加上同族的Sc、Y等17个元素叫做稀土元素; 其中La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu又称为轻 稀土,Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、u Sc、Y称为重稀土
第二十二章 稀土元素 57~71号 15个元素位于周期表的,第六周期, IIIB族,是内过渡元素,f亚层电子0~14个间, 价电子4f 0~14 5d 0~1 6s 2 ,称为镧系元素;有 La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、 Ho、Er、Tm、Yb、Lu 它们加上同族的Sc、Y等17个元素叫做稀土元素; 其中La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu又称为轻 稀 土 , Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、 Sc、Y称为重稀土
稀土在地表中总含量0.0153%,相对来说(第六周期 中)较高的,但分散分布,同时总是混合存在,总 纯度也不高,如含有10%稀土的矿就算是富含矿; 由于性质相近提取分离较难,所以纯的单稀土产品 较贵。 稀土元素发现较晚,从最初发现Y于1787年,到 最后一个由铀裂变找到Pm于1947年,将近两个 世纪。 稀土资源我国最为丰富,占世界的80%,而且矿 藏分布广,从南到北十多个省区均有,品种齐全 北偏轻稀土,南偏中重稀土。内蒙的包头市堪称 稀土之城
稀土元素发现较晚,从最初发现Y于1787年,到 最后一个由铀裂变找到Pm于1947年,将近两个 世纪。 稀土在地表中总含量0.0153%,相对来说(第六周期 中)较高的,但分散分布,同时总是混合存在,总 纯度也不高,如含有10%稀土的矿就算是富含矿; 由于性质相近提取分离较难,所以纯的单稀土产品 较贵。 稀土资源我国最为丰富,占世界的80%,而且矿 藏分布广,从南到北十多个省区均有,品种齐全, 北偏轻稀土,南偏中重稀土。内蒙的包头市堪称 稀土之城
稀土元素结构特点和性能: ①4D~4f14独特亚层 ②大的原子磁矩、各向异性(磁性材料) ③丰富的能级跃迁(发光材料) ④大范围可变的配位数614(材料、生 命科学) ⑤有序变化的原子和离子半径
稀土元素结构特点和性能: ①4f 0~4f 14 独特亚层 ②大的原子磁矩、各向异性(磁性材料) ③丰富的能级跃迁(发光材料) ④大范围可变的配位数6~14(材料、生 命科学) ⑤有序变化的原子和离子半径
稀土典型应用: ①热电子发射材料(LaB,)1951年,用于通讯 ② 石油催化裂解,生产轻质油,1962 ③ Y,03:Eu3+掺杂发光材料(红光),1963 LaPO4:Ce绿光;Sr(PO4)sC1Eu2+蓝光 SmCos永磁体磁性材料,1967;Nd2FeiaB (第二代,1975),Sm2Fe17N(第三代,1985 年)。 储氢材料,LaNis,253kPa,1kg吸氢15g; 1982年利用提取Ce后的富La混合稀土镍合金, 更廉价储氢更大,并可分离和纯化氢达6个9。 通常钢瓶15Mpa储氢0.5kg
稀土典型应用: ① 热电子发射材料(LaB6)1951年,用于通讯 ② 石油催化裂解,生产轻质油,1962 ③ Y2O3:Eu3+ 掺杂发光材料(红光),1963; LaPO4:Ce绿光;Sr5 (PO4 ) 3Cl:Eu2+蓝光 ④ SmCo5 永磁体磁性材料,1967;Nd2Fe14B (第二代,1975),Sm2Fe17N(第三代,1985 年)。 ⑤ 储氢材料,LaNi5,253kPa, 1kg吸氢15g; 1982年利用提取Ce后的富La混合稀土镍合金, 更廉价储氢更大,并可分离和纯化氢达6个9。 通常钢瓶15Mpa储氢0.5kg
⑥ 高温超导,YBaCuO,Tc=90K,1987; La Ba Cu.Ow1986,Tc三35K,之后发现加压 可提高Tc;再后用更小的Sc取代,则无超导性, 因得不到钙钛矿型;另外之后发现 Tl2BazCa2Cu,O1o也是高温超导,所以超导与f 电子无关。 ⑦ 激光晶体,1960红宝石(A103:C3+) 1962,CaWO4:Nd+输出连续激光;1964, Y,AlO12:Nd+室温下连续输出;LiNbOa: Nd+自倍频晶体(1.06um红外,0.53um绿 光)。目前已知有320种激光晶体,其中290种 以稀土为激活离子
⑥ 高温超导 , YBaCuO,Tc=90K,1987 ; LaxBayCuzOw 1986,Tc=35K,之后发现加压 可提高Tc;再后用更小的Sc取代,则无超导性, 因 得 不 到 钙 钛 矿 型 ; 另 外 之 后 发 现 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 也是高温超导,所以超导与f 电子无关。 ⑦ 激光晶体,1960红宝石(Al2O3:Cr3+); 1962,CaWO4:Nd3+ 输出连续激光;1964, Y3Al5O12:Nd3+ 室温下连续输出;LiNbO3: Nd3+ 自倍频晶体(1.06μm 红外,0.53μm 绿 光)。目前已知有320种激光晶体,其中290种 以稀土为激活离子
镧系元素有不满的亚层,它就蕴含着特殊性质,是 其它元素不可替代的,有着许多已发现和未发现 的特殊功能:比如过渡元素有d~d跃迁,呈现色 彩斑斓的景象;那么,一跃迁将会更加绚丽多 彩,如现代彩电的发光材料 (Y20,La203Gd,O,)。Fe3O,有铁磁性(因为有 d5),那么”将会有更好的磁性;稀土磁性材料, SmCos(第-代),Nd,Fe4B(第二代), Sm,Fe1N(第三代,1985年)。过渡元素有丰富 的催化性能,稀土将会有更优秀的催化特性
镧系元素有不满的f亚层,它就蕴含着特殊性质,是 其它元素不可替代的,有着许多已发现和未发现 的特殊功能:比如过渡元素有d-d跃迁,呈现色 彩斑斓的景象;那么,f-f跃迁将会更加绚丽多 彩 , 如 现 代 彩 电 的 发 光 材 料 (Y2O3·La2O3·Gd2O3)。Fe3O4有铁磁性(因为有 d 5 ),那么f 7 将会有更好的磁性;稀土磁性材料, SmCo5 ( 第一代 ) , Nd2Fe14B( 第二代 ) , Sm2Fe17N(第三代,1985年)。过渡元素有丰富 的催化性能,稀土将会有更优秀的催化特性
总之,稀土将是磁、光、电等功能材料的 最佳载体。所以小平同志曾指出:“中 东有石油,中国有稀土”。我们希望能 用自己的能力完成两次飞跃: 第一次飞跃,从稀土资源大国一→生产大 国飞跃 第二次飞跃,从生产大国一→科技大国飞 跃 稀土是21世纪的“战略元素”;美国定出 25种,其中15种镧系元素,15/25;日本 40种,其中稀土17种,17/40
总之,稀土将是磁、光、电等功能材料的 最佳载体。所以小平同志曾指出:“中 东有石油,中国有稀土” 。我们希望能 用自己的能力完成两次飞跃: 第一次飞跃,从稀土资源大国-→生产大 国飞跃 第二次飞跃,从生产大国-→科技大国飞 跃 稀土是21世纪的“战略元素”;美国定出 25种,其中15种镧系元素,15/25;日本 40种,其中稀土17种,17/40
一、La系收缩 原子半径:La一→Lu 169pm-→158pm 减少llpm,称La系收缩 其中Eu和Yb金属半径特大,因为f电子半满 和全满时膨胀。 离子半径(+3价):La3+106.1pm-Lu +84.8pm逐渐减小。 该收缩引起Zr一Hf,Nb-Ta,Mo-W性 质相近;甚至Ru一Os、Rh一Ir、Pd一Pt 也相似
一、La系收缩 原子半径:La-→Lu 169pm-→158pm 减少11pm,称La系收缩 其中Eu和Yb金属半径特大,因为f电子半满 和全满时膨胀。 离子半径(+3价):La3+ 106.1 pm-→Lu3 + 84.8 pm 逐渐减小。 该收缩引起 Zr-Hf,Nb-Ta,Mo-W性 质相近;甚至Ru-Os、Rh-Ir、Pd-Pt 也相似
二、氧化态,+3常见态 少数的有+2价,但在溶液中有很强的还原性,如Sm2 +、Eu2+、Yb2+ 少数的有+4价,但在溶液中有很强的氧化性,如Ce4+、 Pr4+、Tb4+ 至于为什么有少数的例外价态,与该离子的水合热等 多种因素有关;另一主要原因是离子的亚层全满、 半满、全空最稳定有关:Eu2+(4f7、Yb2+(4f14、 Ce4+(4f0)、Tb4+(4f7)
二、氧化态,+3常见态 少数的有+2价,但在溶液中有很强的还原性,如Sm2 + 、Eu2+ 、Yb2+ 少数的有+4价,但在溶液中有很强的氧化性,如Ce4+ 、 Pr4+ 、Tb4+ 至于为什么有少数的例外价态,与该离子的水合热等 多种因素有关;另一主要原因是离子的f亚层全满、 半满、全空最稳定有关:Eu2+ (4f 7 )、Yb2+(4f 14)、 Ce4+(4 f 0 )、Tb4+(4f 7 )
p(Sm3+/Sm2+)片-1.55Vp(Yb3+/Yb2+=-1.21 p(Ce4+/Ce3+)ㄕ+1.70VpPr+Pr3+)=+2.86V 单质稀土金属有很强的还原性,仅次于碱土 金属0°(Ln3+/Ln)=-2.52~-2.26;其性质 也类似于碱土金属
(Sm3+/ Sm2+)=-1.55 V (Yb3+/ Yb2+)= -1.21 (Ce4+/ Ce3+)= +1.70 V (Pr4+/ Pr3+)=+2.86 V 单质稀土金属有很强的还原性,仅次于碱土 金属 (Ln3+/ Ln)=-2.52~-2.26;其性质 也类似于碱土金属