大有作为的稀土元素

"稀土元素"有些人可能对它感到陌生。其实在日常生活中,人们会经常碰到它。当您走进商店时,往往会被五彩缤纷的玻璃器皿所吸引。这些彩色玻璃里,就添加有稀土元素。例如,镨元素使玻璃呈绿色;钕元素给玻璃着上美丽的玫瑰红色。

彩色电视机的荧光屏上涂有稀土元素的化合物,在电子流扫描下,发出鲜艳的三色光,铕、钇的氧化物发出红色荧光。

再如,打火机里的火石是镧、铈等元素制成的合金。这镨、钕、铕、钇、镧、铈等,就是几种稀土元素。

我们知道,元素周期表的一个小方格代表一种元素。但是在第六周期第三副族的57号位置上,却写着铺系57~71号字样。表明在这一格中有15个元素,一个格子容不下,所以在周期表的下方单独列出一行。这就是镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钇、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥,叫镧系元素。再加上镧元素格子上方的钪和钇,共17种,统称为稀土元素。

"稀土"的名称是18世纪遗留下来的。由于当时这类矿物相当稀少,提取它们又困难,它们的氧化物又和组成土壤的金属氧化物很相似,因此得名。其实,稀土元素既不"稀少",也不像"土",它们在地壳中的含量,甚至比常见的普通元素铅、锡还要多。这些元素全部是金属,人们有时也叫它们稀土金属。

从年发现稀土矿物,直到20世纪40年代,人们从83一一83铀裂变产物中找到元素钜,前后经历多年的时间,才提取齐全稀土元素家族的17个成员。

分离、提纯稀土元素之所以这样困难,是因为它们的性质十分相似,好像亲兄弟一样难以区分。不过,它们之间还是有一些微小的差异。化学家因此采用萃取(即利用稀土元素在有机溶剂和水中的不同溶解度进行富集、分离)、离子交换(即利用稀土元素与离子交换树脂的不同交换性能)等方法把它们一一分离开来。稀土元素具有哪些性质呢?

稀土元素与其它元素化合时,容易失去三个电子,常常表现为稳定的+3价态,偶尔也有+2或+4价。

这里值得提出的一点是,镧系元素随着原子序数增大,相应的原子半径却逐渐缩小。这个现象在化学上称为"镧系收缩"。"镧系收缩"不仅使它们性质相似,难以分离,而且也使镧系后面的各过渡元素的原子半径,比同族上一周期元素的原子半径增加很小,如锆和铪,铌和钽的原子半径非常相近,使得这些元素的性质也极为相似。

稀土金属的化学性质相当活泼,它们的活泼性和镁差不多。它们新切开的表面大多是银白色的,在空气中迅速氧化而变暗。所以,通常人们把它们保存在煤油中。它们在常温下与水慢慢作用而放出氢气。当然,它们与酸也很容易起反应。与卤族元素剧烈反应,生成相应的卤化物。

分离稀土元素是一件相当困难、复杂的工作。以往为了得到一个纯稀土单质,要进行数百次的结晶、分离操作。现在可利用离于交换法得到单一的纯稀土元素,但仍然相当麻烦。采用其它方法如电解,也可以得到比较纯的稀土金属。

我国有极其丰富的稀土矿,内蒙包头的白云鄂博矿是世界上最大的稀土矿。我国稀土矿的总储量,比世界上其他国家的总储量还要多5倍。

稀土元素在国民经济中的地位十分重要,有着广泛的应用。

为了改善铸铁的机械性能,人们常常在铸铁中,加入适量的钵,这样就可以使石墨由片状变成球状,从而使铸铁的强度提高一倍以上。球墨铸铁可以用在采掘、钻探、轧钢、化工设备中。在镁铝合金中添加一些稀土元素,可增强金属的可塑性、锻压性,用来制造飞机、喷气发动机、导弹、火箭中的部件。

镧能吸收气体,用镧做电子管中的消气剂,可以改善电子管的性能,大大延长电子管的寿命。镧系或含镧的混合稀土氯化物是很好的催化剂,它们可以使石油裂化的汽油产率提高50%以上。

制造精密光学器件,高级照像机镜头,都要进行抛光。过去多用三氧化二铁抛光,现在却被铺的氧化物代替了。因为钵的氧化物具有洁净、磨得快,抛光效率高等优点。过去抛光一个镜片需要几小时,改用铺的氧化物抛光,只要几分钟。

含镧的玻璃折射率高,光学性能好,是制作特种镜头的好材料。

值得注意的是:掺敏的钉铝石榴石可以使平行光汇聚成强大的光束,是激光器的关键材料。最近军事上出现的激光枪、激光炮以及反坦克装置中都用到它。在医学上,也可以用这种激光器进行焊接剥落的视网膜,切除肿瘤,人们叫它为不流血的"光刀"。

稀土元素和金属钻的化合物,在磁学上有非常优越的性能,而元素钧和钴的合金的铁磁性能比通常的铁素体高出倍左右。

目前有许多科技工作者,在研制贮存氢的材料。把用太阳能电解水得到的氢气,贮存在一种金属合金中,一旦需要时,就会把氢气放出来。因为氢气燃烧,不会造成污染,而且它的燃烧热又比汽油大,所以将来可以用氢气来做动力。许多贮氢材料都用到稀土元素,如用镧制成的镧镍五,或铜和镁制成的合金等。

在农业方面,稀土元素可做为高效的微量元素肥料。在土壤中施加稀土元素的硝酸盐,可以促进豌豆、果树的生长发育,提高农作物的产量。最近,我国已成功地试验了为西瓜施用微量稀土元素肥料,提高了酉瓜产量,西瓜也变得更甜。

稀土元素的应用日益广泛,涉及到许多科技领域,越来越被人们所重视。我国的稀土资源极其丰富。对于它的研究和应用,必将取得更大的成绩,走在世界各国的前列。




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