稀土元素.瞿谅等.2005.ppt

稀土元素 组员 瞿谅袁建华刘正臣邓鹏飞黄哲昊制作 袁建华 稀土元素 一 稀土元素的简介和性质 二 稀土元素的应用 三 稀土元素的分离 四 稀土元素的制备 稀土元素的简介和性质 稀土元素的组成 稀土元素的发现 稀土元素的化学性质 稀土元素的物理性质 稀土元素的组成 稀土元素 周期系 B族中原子序数为21 39和57 71的17种化学元素的统称 其中原子序数为57 71的15种化学元素又统称为镧系元素 稀土元素包括钪 钇 镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥 稀土元素的发现 稀土金属是芬兰学者加多林 JohanGado1in 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 BaxeEarth 稀有的土 稀土元素的化学性质 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 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 下表列出稀土元素原子和离子 RE3 的电子结构及某些性质 图 1稀土元素的原子性质图 从上表中可看到 La有4f空轨道 Gd的4f轨道为半充满 Lu的4f轨道为全充满 这些都是稳定的电子构型 2 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 这一现象叫做镧系收缩 镧系收缩 在镧系原子半径收缩的过程中 有两处突跃 即铕和镱的原子半径突然增大 在图中在铕和镱处出现了两个峰值 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蔽较大 所以原子半径明显增大 离子半径 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 类型和数目比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 配合物 稀土元素的物理性质 大部分稀土金属呈紧密六方晶格或面心立方晶格结构 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 而具有4f1 13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 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 稀土元素的应用 MagicRareearthelement 工业领域 农业领域 医药领域 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 稀土元素在工业领域的应用 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 玻璃脱色和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 防辐射玻璃 镧玻璃 光学玻璃 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 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75 80 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 成本变高 磁性材料 结构材料 使钢铁得到良好特性 超导材料 混合稀土 钡 铜 氧超导体 贮氢材料 高容量充电电池的电极 发光材料 节能光源大面积超薄型显示屏 作用原理 1 微合金化作用 3 与其它有害元素的作用 2 捕氢作用 作用原理 4 稀土元素的脱硫 脱氧 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 对内分泌系统作用 对神经系统的作用 对人体皮肤的作用 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 稀土是一种低毒性物质 其毒性与铁差不多 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 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 一是镧系元素之间的物理性质和化学性质十分相似 分离困难 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 稀土元素的分离 稀土元素的分离 分步法 分步法是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 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 稀土元素的分离 离子交换法 稀土元素的分离 离子交换法 优点 一次操作可以分离多个元素 产品纯度高 缺点 不能连续处理 一次操作周期长 成本高 稀土元素的分离 溶剂萃取法 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 主要方法 稀土元素的制备 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RE3 3e RE阳极Cl 1 2Cl2 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RE3 3e RE阳极O2 C CO 2e 2O2 C CO2 4e 2O2 O2 4e 阳极上可有CO CO2及O2气放出 阴极上析出稀土金属 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 2R