Редкоземельные металлы: список названий, запасы, свойства

Редкоземельные элементы и минералы

Редкоземы — важные и самые дорогие компоненты магнитных, оптических и электронных устройств, которые производят в оборонной и аэрокосмической промышленности: беспилотников, управляемых ракет, приборов лазерного наведения спутниковой связи и т.д.. Их называют «витаминами промышленности». Ведь эти металлы, хоть и в небольшом количестве, используются в важнейших материалах и процессах.

Редкоземельные элементы: что это такое

В Зеленой книге ИЮПАК (Международного союза прикладной и теоретической химии), представлен перечень из 17 редкоземельных металлов. Это:

  • скандий,
  • иттрий,
  • 15 лантаноидов.

В промышленности используют общепринятые аббревиатуры для обозначения редкоземов:

Сокращение Расшифровка Где находятся в периодической системе Обозначение оксидов
REE (РЗЭ) Rare earth elements, в переводе редкоземельные элементы №57-71: от лантана до лютеция, плюс иттрий, №39, скандий, №21 TREO
LREE (ЛРЗЭ) Light rare earth elements, в переводе легкие редкоземельные элементы №57-62, начиная лантаном и заканчивая самарием LREO
HREE (ТРЗЭ) Heavy rare earth elements, в переводе тяжелые редкоземельные элементы  №63-71:, начиная европием и  заканчивая лютецием, плюс иттрий HREO

Редкоземельные металлы: список названий, запасы, свойства

В одну группу эти элементы объединили из-за похожих признаков. Они образуют простые вещества со следующими свойствами

  • серебристые или серые, с сильным металлическим блеском;
  • пластичные и мягкие;
  • активные, особенно при повышенной температуре или тонком измельчении.

Редкоземельные металлы обладают определенными различиями, поэтому и применяются для разных целей. Вот их краткое описание.

Наименование Цвет Ценные свойства металла и его соединений
Скандий Серебристый Тугоплавкий, повышает прочность материалов, усиливает свечение
Иттрий Светло-серый Повышает жаропрочность и долговечность материалов, улучшает качество свечения
Лантан Серебристо-белый, похож на кальций Ускоряет крекинг нефти, повышает пластичность, жаропрочность и химическую устойчивость материалов
Церий Светло-серый Повышает электропроводность и пластичность металлов, придает розоватый оттенок стеклу, катализатор
Празеодим Серебристо-белый Улучшает свойства сверхпроводников и сплавов, придает бледно-зеленый оттенок стеклу, используется в лазерах и для получения пигментов
Неодим Серебристо-серый Улучшает качество стекла и сплавов, растворяет плутоний, повышает контрастность изображения, используется в магнитах, лазерах и излучателях
Прометий Серебристо-белый Способен к люменесценции, используется в атомных батарейках, стержнях реакторов, для ионизации воздуха
Самарий Светло-серый Улучшает свойства стержней для ядерных реакторов, магнитов, поглощающего инфракрасные лучи стекла, огнеупорность материалов
Европий Серебристо-белый Повышает качество микрочипов, карт памяти, сверхпроводников, сплавов и керамики
Гадолиний Серовато-бежевый Сильные парамагнитные свойства для получения сверхнизких температур, используется в полупроводниках и рентгеновских аппаратах
Тербий Серебристо-белый Необходим для сверхмощных магнитов и излучателей ультразвука, катализатор реакций окисления
Диспрозий Серебристо-серый Повышает пластичность и магнитные свойства материалов, катализатор в нефтехимии, для получения красных люминофоров
Гольмий Светло-серый Придает  сверхпроводящие свойства магнитам, применяется в лазерах, активирует люминофоры
Эрбий Серебристо-белый Улучшает качество оптоволокна, магнитных сплавов, стекла, специальной керамики
Тулий Серебристо-белый Применяется в лазерах, магнитных носителях, для дефектоскопии, в диагностических приборах
Иттербий Светло-серый Улучшает термоэлектрические и магнитные свойства материалов, обеспечивает легкость полупроводников
Лютеций Серебристо-белый Повышает мощность магнитов, сверхпроводимость, жаропрочность

Но с точки зрения добычи полезных ископаемых они действительно редкоземельные. Потому что не часто встречаются в концентрированной и экономически выгодной форме.

Чем редкие металлы отличаются от редкоземов

Кроме редкоземельных, выделяют еще группу редких металлов. Их всего 18, в том числе 4 таких металла, которые можно после обогащения получать в виде концентратов: бериллий, ниобий, литий, тантал. Остальные 14 называют попутными микрокомпонентами, или рассеянными редкими металлами.

Редкие металлы значительно различаются между собой по объемам производства и областям применения.

Наименование  Сколько примерно тонн производится в мире в год Где используется
ниобий 62000 Добавка к стали и другим сплавам
вольфрам 38000 В виде карбида для строительства, изготовления абразивов, сплавы в ядерных реакторах
литий 26000 Стекло, литье, керамика, батареи для электромобилей, лекарства
висмут 7500 Сплавы со свинцом и другими металлами, для производства лекарств
селен 2000 Стекло, пигменты, фотокопировальные устройства, лекарства, удобрения, солнечные батареи
цирконий 1200 Пиротехника, сверхпроводники, протезы, зубные имплантаты, посуда, фианиты
тантал 1160 конденсаторы для электроники, сплавы для турбин самолетов, медицинские импланты
индий 600 Жидкокристаллические дисплеи, сенсорные и плоские экраны, смартфоны, компьютеры
бериллий 440 Атомные реакторы, системы наведения, спутниковое оборудование, рентгеновские аппараты, формы для выдувания
теллур 380 Сплавы, солнечные батареи, полупроводники
германий 118 Инфракрасная и волоконная оптика, солнечные батареи, японские ПЭТ-бутылки
галлий 100 Полупроводники, лазеры, светодиоды, микросхемы, безопасный заменитель ртути
рубидий 100 Теплоносители, электролиты, измерительная техника
диспрозий 100 Электромобили и гибридные авто, металлогалогенные лампы
гафний 65 Ядерные реакторы, микропроцессоры
рений 50 Двигатели для самолетов, ракеты, высокооктановый бензин без свинца,  рентгеновские снимки, фотовспышки, лечение опухолей
кадмий 23 Батарейки, аккумуляторы, антикоррозионные покрытия

Также к редким металлам относится таллий.

Редкоземельные минералы

Полезные ископаемые с достаточным для добычи содержанием содержанием редкоземов называют редкоземельными минералами. Первый такой минерал обнаружили в шахте возле шведской деревни Иттерби, Это гадолинит. Он состоит из смеси редкоземельных иттербия, церия, других менее ценных веществ.

Лидирующие по мировой добыче источники РЗЭ — следующих минералы:

  • бастнезит — из него получают лантан, иттрий и церий, местность Маунтин-Пасс в Калифорнии, Байян-Обо в Китае;
  • монацит — источник церия, празеодима, гадолиния, добыча в Австралии, США, Китае, Бразилии, Красноуфимске (Свердловская область);
  • лопарит — в основном цериево-лантановый, в меньшей степени неодим и прометий, найден в Карелии, село Ловозеро, в Прибайкалье, Туве;
  • латеритные ионно-адсорбционные глины — получают иттрий, диспрозий, гадолиний, неодим, месторождения в Китае, на Мадагаскаре, небольшое в Приморье.

Редкоземы есть в ряде ниже перечисленных полезных ископаемых

Минерал Какие РЗЭ содержит Месторождения
Апатит Празеодим, церий, лантан, неодим, иттрий, Хибины, Кольский полуостров
Бритолит Иттрий и церий Северное Прибайкалье, Монголия
Гадолинит Церий, диспрозий, гольмий Швеция, Иттерби
Давидит Лантан, празеодим Хабаровский край, Малмыжское месторождение
Ксенотим лютеций, диспрозий, эрбий, гольмий, иттрий, туллий, иттербий Бразилия, Норвегия, Швеция, Северная Карелия, Южный и Северный Урал, Хабаровский край
Паризит церий, тербий Колумбия, Норвегия, Китай, Урал, Северные Саяны
Самарскит Иттрий, европий, тербий Южный Урал, Миасс
Таленит Диспрозий Кольский полуостров, Тува, Швеция, Норвегия
Фергюсонит Эрбий, туллий, иттрий, иттербий Норвегия, Гренландия, Швеция, Урал, Украина, Зимбабве, США
Флуоцерит Лантан Дальний Восток, Казахстан
Эшинит Празеодим, самарий Челябинская область, Монголия, Китай, Кения
Эвксенит Диспризий, гольмий, эрбий Россия, США, Норвегия, Бразилия, Мадагаскар

Минералы-концентраты с набором разных РЗЭ получают рядом с месторождениями из первичной руды путем ее обогащения. В Мурманской области это лопаритовый концентрат. В мировых масштабах большое всего производится следующих концентрата:

  • насыщенного раствора сорбционно-ионных руд — до 90% РЗЭ в оксидной форме;
  • ксенотимового – 25% оксида иттрия;
  • моноцитового – 55% смеси оксидов РЗЭ;
  • бастнезитового – 60-85% комплекса редкоземельных оксидов.

Чем определяется стоимость редкоземов

Всего по расчетам 2014 года мировые запасы РЗЭ составляют 147 млн тонн:

  • Китай 38% всех разведанных редкоземов,
  • Монголия 21%,
  • Бразилия 15%,
  • США 9%,
  • Япония 5%,
  • Индия 2%,
  • Австралия 1%.

Оставшиеся 9% — все остальные страны.

Но далеко не все обладатели запасов РЗЭ готовы к разработке найденных месторождений.  Во-первых, получение редкоземельных металлов связано с сильным загрязнением окружающей среды. При производстве 1 тонны РЗЭ из руды по стандартной китайской технологии образуется:

  • 1 тонна радиоактивных отходов;
  • 12000 кубометров газовой смеси с пылью, фтороводородной и серной кислотой, диоксидом серы;
  • 75 кубометров кислотного раствора.

Это приводит к загрязнению сточных вод, а следом за ними пахотных земель и рек. В том числе Хуанхэ, из которой берут питьевую воду полторы сотни миллионов людей. В нее попадает торий, элемент с высокой радиоактивностью.

Во-вторых, для запуска проектов по добыче редкоземов нужны большие стартовые капиталы. В результате расчетная себестоимость очищенных металлов окажется намного больше, чем у китайских конкурентов.

Например, австралийская компания Nothern Minerals собирается получать окись диспрозия и продавать килограмм по 720$. Китай сейчас продает это же сырье по 400$.

Похожие проекты есть у канадских компаний Great Vestern Minerals и Tastan Metals. Последняя предполагает продавать все ту же окись диспрозия за 580$.

В США Rare Element Resourse планирует цены на оксид этого же редкозема 655$/кг, а на окись европия 950$/кг.

Читайте также:  Расчет трансформатора на стержневом сердечнике в онлайн

В ближайшие годы другим странам, желающим производить РЗЭ, будет трудно конкурировать с Китаем. Ведь там дешевая рабочая сила и пренебрежение к требованиям экологии позволяют держать цены на достаточно низком уровне.

Редкоземельные элементы и производство гаджетов
Рост потребности в редкоземах растет параллельно тому, как высокотехнологичная техника становится необходимой для всех и каждого, определяет уровень и качество жизни. Часто цена гаджета в значительной доле определяется наличием и количеством редкоземельных и редких металлов в его электронной начинке.

Почему смартфоны Apple такие дорогие? На это есть ряд причин, и одна из них — использование РЗЭ. Причем не одного-двух, а как минимум девяти:

  • гадолиния — в дисплеях, динамиках и электронных схемах,
  • диспрозия — добавка в магниты электросхем для для сохранения свойств при нагреве и температурных перепадах,
  • европия — для красного светящегося вещества дисплея,
  •  иттрия — для дисплеев, светодиодов,
  • лантана — в электронных схемах, дисплее, шлифованном стекле, для оптических линз,
  • неодима — магниты в схемах и динамиках из сплава с железом и бором,
  • празеодима — добавка в неодимовые  магниты, дисплей, динамик,
  • тербия — для зеленого люминесцирующего вещества на дисплее, в динамиках, схемах  и вибрационном механизме для защиты мини-магнитов от высоких температур,
  • церия — для шлифованного стекла.

Из этих редкоземельных элементов только четыре – церий, лантан, празеодим и неодим –поставляются для Apple американской компанией Molycorp и австралийской Lynas Corp. Остальные пять добывают преимущественно в Китае. Если Китай запретит экспортировать свои РЗЭ, то у Apple могут появиться серьезные проблемы.

В каждом из пяти важнейших узлов iPhone — дисплее, микросхеме, динамиках, механизме вибрации и шлифованном стекле — есть как минимум один редкоземельный металл, который на данный момент можно получить только из Китая.

Можно производить iPhone без европия, неодима, диспрозия и тербия, если заменить их более дешевыми и доступными металлами. Но это ухудшит цветовое отображение на дисплее , увеличит вес гаджета, снизит скорость работы и устойчивость к высоким температурам. То есть качество продукции Apple серьезно пострадает.

Если Apple и другие богатые компании, нуждающиеся в редкоземах, такие как Tesla, Intel, HP, материально поддержат американские проекты по добыче РЗЭ, то это поможет снизить зависимость от Китая. Но пока что цена вопроса слишком большая.

Редкоземельные металлы: список названий, запасы, свойства

РЕДКОЗЕМЕ́ЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕ́НТЫ

Авторы: Э. Г. Раков

РЕДКОЗЕМЕ́ЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕ́НТЫ (РЗЭ, в ми­не­ра­ло­гии TR – от лат. terra rara), се­мей­ст­во из 17 хи­мич. эле­мен­тов III груп­пы ко­рот­кой фор­мы (3-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич.

сис­те­мы; вклю­ча­ет скан­дий, ит­трий, лан­тан и лан­та­нои­ды: це­рий, пра­зе­о­дим, не­одим, про­ме­тий, са­ма­рий, ев­ро­пий, га­до­ли­ний, тер­бий, дис­про­зий, голь­мий, эр­бий, ту­лий, ит­тер­бий, лю­те­ций. По хи­мич.

свой­ст­вам и со­вме­ст­но­му на­хо­ж­де­нию в при­ро­де де­лят­ся на ит­трие­вую (Y, La, Gd – Lu) и це­рие­вую (Ce – Eu) под­груп­пы, по атом­ной мас­се – на лёг­кие (Ce – Eu) и тя­жё­лые (Gd – Lu) лан­та­нои­ды. Скан­дий час­то не вклю­ча­ют в со­став РЗЭ. Назв.

«ред­ко­зе­мель­ные» свя­за­но с тем, что эти эле­мен­ты срав­ни­тель­но ред­ко встре­ча­ют­ся в зем­ной ко­ре и об­ра­зу­ют ту­го­плав­кие, прак­ти­че­ски не­рас­тво­ри­мые в во­де ок­си­ды (в нач. 19 в. и ра­нее – «зем­ли»).

РЗЭ – свет­ло-се­реб­ри­стые или слег­ка жел­то­ва­тые (Pr, Nd) пла­стич­ные ме­тал­лы, лег­ко под­даю­щие­ся ме­ха­нич. об­ра­бот­ке.

Наи­мень­шие tпл име­ют Се (804°C), Yb (824°C) и Eu (826°C), наи­боль­шие – Lu (1652°C), Tm (1545°C), Sc (1541°C) и Y (1526°C); наи­мень­шие tкип име­ют Yb (1196°C), Eu (1527°C) и Sm (1788°C), наи­боль­шие – Pr (3512°C), Ce (3450°C), La (3470°C) и Lu (3402°C).

На воз­ду­хе лёг­кие ланта­нои­ды окис­ля­ют­ся при ком­нат­ной темп-ре, тя­жё­лые – при на­гре­ва­нии до 180–200°C; по­рош­ки мно­гих РЗЭ, а так­же ком­пакт­ный Се и его спла­вы пи­ро­фор­ны.

Для лан­та­нои­дов свой­ст­вен­но яв­ле­ние лан­та­но­ид­но­го сжа­тия – плав­ное умень­ше­ние раз­ме­ров ато­мов (Eu и Yb яв­ля­ют­ся ис­клю­че­ния­ми) и ио­нов оди­на­ко­во­го за­ря­да с уве­ли­че­ни­ем атом­но­го но­ме­ра эле­мен­та. Это де­ла­ет лан­та­нои­ды в не­ко­то­рой сте­пе­ни ана­ло­га­ми ак­ти­нои­дов, ко­то­рые про­яв­ля­ют ак­ти­но­ид­ное сжа­тие, и за­мет­но от­ли­ча­ет от ос­таль­ных хи­мич. эле­мен­тов.

В хи­мич. со­еди­не­ни­ях все РЗЭ про­яв­ля­ют сте­пень окис­ле­ния +3; Ce, Pr, Nd, Tb мо­гут иметь сте­пень окис­ле­ния +4, Sm, Eu, Tm и Yb +2. РЗЭ лег­ко об­ра­зу­ют га­ло­ге­ни­ды (фто­ри­ды, хло­ри­ды и др.), ок­си­ды, халь­ко­ге­ни­ды (суль­фиды и др.

), нит­ри­ды, кар­би­ды, бо­ри­ды и гид­ри­ды. РЗЭ – энер­гич­ные вос­ста­но­ви­те­ли ок­си­дов и га­ло­ге­ни­дов др. ме­тал­лов. При на­гре­ва­нии РЗЭ реа­ги­ру­ют с во­дой, со­ля­ной, сер­ной и азот­ной ки­сло­та­ми. Из­вест­ны кар­бо­на­ты, фос­фа­ты, суль­фа­ты, др. со­ли, мно­го­числ.

ком­плекс­ные и ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ния РЗЭ.

В при­ро­де РЗЭ с чёт­ны­ми атом­ны­ми но­ме­ра­ми рас­про­стра­не­ны боль­ше, чем с не­чёт­ны­ми. Ит­трий и лёг­кие лан­та­нои­ды (кро­ме Pm) со­дер­жат­ся в зем­ной ко­ре в бóльших ко­ли­че­ст­вах, чем тя­жё­лые. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны Се, Y, Nd и La.

Важ­ней­шие ми­не­ра­лы – ба­ст­не­зит и мо­на­цит (со­дер­жат лёг­кие лан­та­нои­ды), ксе­но­тим (со­дер­жит Y и тя­жё­лые лан­та­нои­ды). Пром. зна­че­ние в РФ име­ют ло­па­рит и апа­тит. При­мер­но 1/3 ми­ро­вых за­па­сов РЗЭ на­хо­дит­ся в Ки­тае, ок. 20% – в Рос­сии.

Ме­сто­ро­ж­де­ния РЗЭ име­ют­ся в Бра­зи­лии, Ма­лай­зии, Ин­дии, Ав­ст­ра­лии, США, Шве­ции, на Ма­да­га­ска­ре и в др. стра­нах. Ок. 95% ми­ро­во­го про­из-ва РЗЭ со­сре­до­то­че­но в Ки­тае, 3% – в США, ок. 2% – в Рос­сии.

При этом до­ля Рос­сии в про­из-ве из­де­лий из РЗЭ со­став­ля­ет ок. 1% (2012).

Еже­год­ное по­треб­ле­ние Nd, Eu, Tb, Dy и Y оце­ни­ва­ет­ся в 140 тыс. т (2012). Ми­ро­вой ры­нок всех РЗЭ со­став­ля­ет ок. 15 млрд. долл. США (2012) и уве­ли­чи­ва­ет­ся при­мер­но на 10% в год. РЗЭ ис­поль­зу­ют в ра­дио­элек­тро­ни­ке (напр.

, в мо­биль­ных те­ле­фо­нах), энер­ге­ти­ке (ак­ку­му­ля­то­ры и др.), атом­ной, ма­ши­но­стро­ит., ме­тал­лур­гич. (ле­ги­ро­ва­ние цвет­ных ме­тал­лов, про­из-во по­сто­ян­ных маг­ни­тов), хи­мич., неф­те­хи­мич.

(про­из-во ка­та­ли­за­то­ров), сте­коль­ной и обо­рон­ной пром-сти.

Редкоземельные элементы | это… Что такое Редкоземельные элементы?

Редкоземе́льные элеме́нты — группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. Все эти элементы — металлы серебристо-белого цвета, при том все имеют сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3).

Происхождение названия

Название «редкоземельные» (встречается сокращение TR, ср. лат. terrae rarae — «редкие земли») дано в связи с тем, что они, во-первых, сравнительно редко встречаются в земной коре (содержание (1,6-1,7)·10−2% по массе) и, во-вторых, образуют тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды (такие оксиды в начале XIX века и ранее назывались «землями»).

Название «редкоземельные элементы» исторически сложилось в конце XVIII — начале XIX века, когда ошибочно считали, что минералы, содержащие элементы двух подсемейств, — цериевого (лёгкие — La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и иттриевого (тяжёлые — Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) — редко встречаются в земной коре. Однако по запасам сырья редкоземельные элементы не являются редкими, по суммарной распространенности они превосходят свинец в 10 раз, молибден — в 50 раз, вольфрам — в 165 раз.

История

В 1794 году финский химик Юхан Гадолин, исследуя рудные образцы вблизи шведского местечка Иттербю, обнаружил неизвестную до того «редкую землю», которую назвал по месту находки иттрий.

Позже, немецкий химик Мартин Клапрот разделил эти образцы на две «земли», для одной из которых он оставил имя иттрий, а другую назвал церий (в честь недавно открытой малой планеты Церера и по имени древнеримской богини Цереры). Немного спустя шведский ученый К.

Мосандер сумел выделить из того же образца еще несколько «земель». Все они оказались оксидами новых элементов, получивших название редкоземельные металлы. Совместно к 1907 году химики обнаружили и идентифицировали всего 14 таких элементов.

На основе изучения рентгеновских свойств всем элементам были присвоены атомные номера от 57 (лантан) до 71 (лютеций), кроме 61. По возрастанию атомного веса они расположились следующим образом:

Вначале ячейка под номером 61 была незаполненной, в дальнейшем это место занял прометий, выделенный из продуктов деления урана и ставший 15-м членом этого семейства.

Читайте также:  Инструмент для токарных станков: режущий и вспомогательный

Свойства и получение

Оксиды редкоземельных элементов. По часовой стрелке от центрального первого: празеодим, церий, лантан, неодим, самарий, гадолиний

Редкоземельные элементы проявляют между собой большое сходство химических и некоторых физических свойств, что объясняется почти одинаковым строением наружных электронных уровней их атомов. Редкоземельные элементы — металлы, их получают восстановлением соответствующих оксидов, фторидов, электролизом безводных солей и другими методами.

Химические свойства

Скандий, иттрий и лантаноиды имеют высокую реакционную способность. Химическая активность этих элементов особенно заметна при повышенных температурах.

При нагревании до 300—400 °C металлы реагируют даже с водородом, образуя RH3 и RH2 (символ R выражает атом редкоземельного элемента). Эти соединения достаточно прочные и имеют солевой характер.

При нагревании в кислороде металлы легко реагируют с ним, образуя оксиды: R2O3, CeO2, Pr6O11, Tb4O7 (лишь только Sc и Y при помощи образования защитной оксидной плёнки являются стойкими на воздухе, даже при нагревании до 1000 °C).

Во время горения данных металлов в атмосфере кислорода выделяется большое количество тепла. При сгорании 1 г лантана выделяется 224,2 ккал тепла. Для церия характерной особенностью является свойство пирофорности — способность искриться при разрезании металла на воздухе.

Диоксид церия

Лантан, церий и другие металлы уже при обычной температуре реагируют с водой и кислотами-неокислителями, выделяя водород. Из-за высокой активности к атмосферному кислороду и воде куски лантана, церия, иттрия и др. следует хранить в парафине.

Химическая активность редкоземельных металлов неодинакова. От скандия до лантана химическая активность возрастает, а в ряду лантан — лютеций — снижается. Отсюда следует, что наиболее активным металлом является лантан. Это обуславливается уменьшением радиусов атомов элементов от лантана до лютеция с одной стороны, и от лантана до скандия — с другого.

Эффект «лантаноидной контракции» (сжатия) приводит к тому, что следующие после лантаноидов элементы (гафний, тантал, вольфрам, рений, осмий, иридий, платина) имеют уменьшенные радиусы атомов на 0,2—0,3 Å отсюда и очень схожие их свойства со свойствами соответствующих элементов пятого периода.

В элементах — скандий, иттрий, лантан — d-оболочка предпоследнего электронного слоя только начинает образовываться, поэтому радиусы атомов и активность металлов в этой группе возрастают сверху вниз. Этим свойством группа отличается от других побочных подгрупп металлов, у которых порядок изменения активности противоположный.

Поскольку радиус атома иттрия (0,89 Å) близок к радиусу атома гольмия (0,894 Å), то по активности этот металл должен занимать одно из предпоследних мест. Скандий же из-за своей активности должен располагаться после лютеция. В этом ряду ослабляется действие металлов на воду.

Редкоземельные элементы чаще всего проявляют степень окисления +3. Из-за этого наиболее характерными являются оксиды R2O3 — твёрдые, крепкие и тугоплавкие соединения. Будучи основными оксидами, они для большинства элементов способны соединяться с водой и создавать основания — R(OH)3.

Гидроксиды редкоземельных металлов малорастворимы в воде. Способность R2O3 соединяться с водой, основная функция, то есть и растворимость R(OH)3 уменьшаются в той же последовательности, что и активность металлов: Lu(OH)3, а особенно Sc(OH)3, проявляют некоторые свойства амфотерности.

Так, кроме раствора Sc(OH)3 в концентрированном NaOH, получена соль: Na3Sc(OH)6·2H2O.

Поскольку металлы данной подгруппы активны, а их соли сильных кислот растворимы, они легко растворяются в кислотах-неокислителях и кислотах-окислителях.

Все редкоземельные металлы энергично реагируют с галогенами, создавая RHal3 (Hal — галоген). С серой и селеном они также реагируют, но при нагревании.

Нахождение в природе

Как правило, редкоземельные элементы встречаются в природе совместно. Они образуют весьма прочные окислы, галоидные соединения, сульфиды. Для лантаноидов наиболее характерны соединения трёхвалентных элементов.

Исключение составляет церий, легко переходящий в четырёхвалентное состояние. Кроме церия четырёхвалентные соединения образуют празеодим и тербий. Двухвалентные соединения известны у самария, европия и иттербия. По физико-химическим свойствам лантаноиды весьма близки между собой.

Это объясняется особенностью строения их электронных оболочек.

Суммарное содержание редкоземельных элементов составляет более 100 г/т. Известно более 250 минералов, содержащих редкоземельные элементы. Однако к собственно редкоземельным минералам могут быть отнесены только 60 — 65 минералов, в которых содержание Ме2О3 превышает 5 — 8 %.

Главнейшие минералы редких земель — монацит (Ce, La)PO4, ксенотим YPO4, бастнезит Ce[CO3](OH, F), паризит Ca(Ce, La)2[CO3]3F2, гадолинит Y2FeBe2Si2O10, ортит (Ca, Ce)2(Al, Fe)3Si3O12(O, OH), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3, эшинит (Ce, Ca, Th)(Ti, Nb)2O6.

Наиболее распространён в земной коре церий, наименее — тулий и лютеций.

Несмотря на неограниченный изоморфизм, в группе редких земель в определённых геологических условиях возможна раздельная концентрация редких земель иттриевой и цериевой подгрупп.

Например, с щелочными породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественное развитие получает цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной щёлочностью — иттриевая. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы.

Многие тантало-ниобаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты — цериевую. Некоторая дифференциация редких земель отмечается и в экзогенных условиях.

Изоморфное замещение редких земель между собой, несмотря на разницу в их порядковых номерах, обусловлено явлениями «лантаноидного сжатия»: с увеличением порядкового номера происходит достройка внутренних, а не внешних электронных орбит, в результате чего объём ионов не увеличивается.

Селективное накопление редкоземельных элементов в минералах и горных породах может быть обусловлено различиями в их радиусах ионов. Дело в том, что радиусы ионов лантаноидов закономерно уменьшаются от лантана к лютецию. Вследствие этого возможно преимущественное изоморфное замещение в зависимости от степени различия в размерах замещённых ионов редкоземельных элементов.

Так, в скандиевых, циркониевых и марганцевых минералах могут присутствовать только редкие земли ряда лютеций — диспрозий; в урановых минералах преимущественно накапливаются минералы средней части ряда (иттрий, диспрозий, гадолиний); в ториевых минералах должны концентрироваться элементы цериевой группы; в состав стронциевых и бариевых минералов могут входить только элементы ряда европий — лантан.

Производство

В 2007—2008 гг. в мире добывалось по 124 тыс. т редкоземельных элементов. Причем лидировали следующие страны Китай (120,00 тыс. т), Индия (2,70 тыс. т), Бразилия (0,65 тыс. т).

Данные по СНГ, США и Австралии на 2008 год неизвестны. На конец 2008 года данные по запасам следующие: Китай (89 000 тыс. т), СНГ (21 000 тыс. т), США (14 000 тыс. т), Австралия (5 800 тыс. т), Индия (1 300 тыс.

т), Бразилия (84 тыс. т).[1]

В июле 2011 года исследовательская группа из Японии обнаружила на дне Тихого океана обширные залежи редкоземельных материалов. Находка подтверждена образцами грунта, извлеченными со дна на глубинах от 3500 до 6000 м в 78 местах.

Залежи располагаются в международных водах и тянутся к западу и востоку от Гавайев, а также к востоку от Таити и Французской Полинезии.

По оценкам специалистов, найденные залежи содержат от 80 до 100 млрд метрических тонн редкоземельных материалов, что значительно больше текущих глобальных запасов на уровне 100 млн тонн[2].

Применение

Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, в металлургии и др. Широко применяют La, Ce, Nd, Pr в стекольной промышленности в виде оксидов и других соединений.

Эти элементы повышают светопрозрачность стекла. Редкоземельные элементы входят в состав стекол специального назначения, пропускающих инфракрасные лучи и поглощающих ультрафиолетовые лучи, кислотно- и жаростойких стекол.

Большое значение получили редкоземельные элементы и их соединения в химической промышленности, например, в производстве пигментов, лаков и красок, в нефтяной промышленности как катализаторы.

Редкоземельные элементы применяют в производстве некоторых взрывчатых веществ, специальных сталей и сплавов, как газопоглотители. Монокристаллические соединения редкоземельных элементов (а также стёкла) применяют для создания лазерных и других оптически активных и нелинейных элементов в оптоэлектронике.

На основе Nd, Y, Sm, Er, Eu с Fe-B получают сплавы с рекордными магнитными свойствами (высокие намагничивающая и коэрцитивная силы) для создания постоянных магнитов огромной мощности, по сравнению с простыми ферросплавами.

Читайте также:  Катанка: что это такое, особенности использования

См. также

  • Лантаноиды
  • Распространённость элементов

Примечания

Редкоземельные металлы: список

Вначале 19 века редкоземельные металлы были окружены таинственным культом. Они показывались на выставках. С их появлением связывали научный прогресс. О них говорили рядовые люди и писали газеты. Но с чем был связан такой ажиотаж? Так ли редки эти металлы как об этом говорит их название? Давайте разбираться.

Виды и история открытия

К категории редкоземельных металлов (РЗМ) относятся 15 химических элементов. В таблице Менделеева они находятся под порядковыми номерами от 57 до 71. Схожие по своим химическим характеристикам, в это же время этим редкоземельным элементам присуще четко выраженная уникальность. Каждому свойственны свои технологические особенности.

Редкоземельные элементы имеют 2 семейства: иттербия и церия:

  1. Семейство Иттербия: Тулий, Гольмий, Иттербий, Гадолиний, Диспрозий, Тербий, Эрбий, Лютеций.
  2. В группу Церия входят: Самарий, Неодим, Лантан, Европий, Церий, Прометий, Празеодим

Такое деление производят на основании того, как растворяются выбранные компоненты в солях серных кислот.

Немного позже к списку добавились элементы: Иттрий, Скандий, Лантан, Лютеций. Таким образом список металлов редкоземельной группы состоит из 16 элементов.

Редкоземельные металлы обладают длинной историей открытия. Первое изучение «иттриевых земель» было проведено профессором химии Гандолином в 1790-х годах. В качестве объекта исследования он использовал минерал, найденный в горах Швеции. Позже этот вид горного образования получил название в его честь — гандолинит.

В 1840-х годах Мозандер выделил окись церия. Через 5 лет он же получил тербиевую и эрбиевую земли, используя при этом уже известный нам гандолинит. Последним из семейства редкоземельных металлов был открыт прометий. Его исследованием занимались Маринский и Гленденин, которые для своих экспериментов использовали осколки деления урана в ядерном реакторе.

Открытия редкоземельной группы металлов закончились лишь в середине 20 столетия, но эффективные промышленные методы их разделения развиваются до сих пор.

Самыми ценными и дорогими из списка редкоземельной группы являются:

  1. Тербий;
  2. Неодим;
  3. Европий;
  4. Лютеций.

Распространение редкоземельных металлов

Суммарное количество по массе редкоземельных элементов в недрах Земли равняется 0,01%, что относительно немало. Это больше, чем титан и свинец, вместе взятые. Наиболее часто встречаемыми из РЗМ являются церий, неодим и лантан.

Самым мало распространённым редкоземельным металлом является европий. Его содержание на Земле составляет 0,0012% от ее массы, что сравнимо с таким элементом как ртуть.

На сегодня обнаружено примерно 240 минералов, в химическом составе которых можно найти редкоземельные металлы. В 62 из них суммарный процент РЗМ достигает 10%.

По своей природе они представляют собой разного вида фториды, силикаты и фосфаты. Несмотря на такое огромное количество минералов для нужд производства годятся только некоторые из них.

Главным образом это монацит, бастнезит, апатит и эвксенит.

Процент соотношения между отдельными редкоземельными металлами в горных образованиях достаточно изменчив. В монацитах и бастнезитах преобладают элементы цериевой подгруппы; в апатитах — иттриевой.

Добыча

Главные месторождения РЗМ находятся на территории современного Китая, Соединенных Штатов Америки и России. Согласно экспертным данным, мировые запасы РЗМ составляют порядка 120 млн. тонн. Стоит отметить, что половина этой массы приходится на Китайскую народную республику.

Некоторые ученые заявляются, что океанское дно изобилует минералами на основе редкоземельных металлов. По их расчетам там скрывается около 130 млрд. тонн их запасов. Пока не ясно, как верно их предположение. Производство на данном этапе развития не располагает оборудованием, которое смогло бы работать на таких глубинах.

Получение

Существует несколько вариантов переработки минералов:

  1. Разложение плавиковой и серной кислотами.
  2. Хлорирование.
  3. Сплавление щелочами.

Продуктом данных реакций являются разнообразные виды хлоридов, оксидов и сульфатов, которые служат исходными материалами для получения чистых редкоземельных металлов.

С этой целью используется методы химического восстановления кальцием, магнием и калием. Под этим подразумевается осаждение, ионный обмен и фракционная кристаллизация.

Для очистки редкоземельных металлов от примесей применяют дистилляцию и вакуумный переплав.

Физические свойства

Плотность РЗМ колеблется в пределах 6 000 – 7 000 кгм3. Процессы плавления начинаются при температуре около 900 – 1000 ºC; кипения — при 3500 ºC. Большинство редкоземельных металлов относятся к группе парамагнетиков, магнитная восприимчивость которых находится в обратной зависимости от температуры.

Редкоземельные металлы по своей природе — сверхпроводники. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у них происходит при 4-5 К. Данный показатель можно снизить за счет увеличения избыточного давления до 0,2 МПа.

Механические свойства

Редкоземельные металлы с чистотой до 98% при комнатной температуре обладают твердостью 300-500 МПа по шкале Бринелля. С повышением температуры это значение понижается. Так при 800 ºC твердость лантана уже составляет 35 МПа. Особенно сильно металлы размягчаются при 550 ºC, что связано с их полиморфным превращением.

При испытании на растяжении гантелеобразные образцы редкоземельных металлов разрушаются при 150-200 МПа. Деформироваться они начинаются уже при 100-125 МПа. Относительное удельное растяжение для них составляет 8-12%. Отметим, что в интервале 20-800 ºC наблюдается резкое возрастание пластичности. Причина этого — переход внутренней структуры металлов на кубическую модификацию.

Химические свойства

Редкоземельные металлы в сухом воздухе покрываются тонкой пленкой, в основе которой лежат их оксиды. Она служит эффективной защитой как от механического, так и химического воздействия.

Во влажной среде они начинают медленно окисляться и трансформируются в гидроксиды. Данные процессы имеют место при температуре окружающей среды более 250 ºC. При 450 ºC редкоземельные металлы в кислородной среде сгорают до оксидов с активным выделением тепла.

Редкоземельные металлы охотно вступают в реакции с серой и хлором. При нагревании также взаимодействует с бромом и йодом.

Редкоземельные металлы растворяются в кислотах минеральной группы. Инертны по отношению к большинству видов щелочей.

Технологические свойства

При комнатной температуре редкоземельные элементы хорошо обрабатываются ковкой и прессованием. Стоит заметить, что производить данные операции необходимо крайне аккуратно, т.к. РЗМ не отличаются высокой вязкостью.

Из редкоземельных металлов производят металлопрокат различного типа. Это главным образом прутки диаметром от 1 до 5 мм, лента и фольга. Для предохранения от окисления заготовки металлов предварительно нагревают в среде инертных газов. Обычно это либо аргон, либо гелий.

Применение

Сплавы лантана с алюминием характеризуются повышенной скоростью поглощения окиси углерода и азота, но низко активен по отношению к водороду. Это делает возможным его применение в геттерах водородного тиратрона, где требуется максимальное изолирование водорода от окружающих газов.

Добавками церия эффективно модифицируют структуру чугунов и сталей. Такое легирование улучшает их пластичность и свариваемость, уменьшает процент выхода брака.

Празеодим высокой чистоты применяется в изготовлении эмали, стекла и глазури. Добавление празеодима в керамику придает ей особый желтоватый оттенок. Большинство высококачественных оптических стекол содержат в своем составе оксиды празеодима. На их базе изготавливают искусственные драгоценные камни — рубины, аметисты, топазы и т.д.

Прометий используется в качестве основного материала для атомных мини-батарей. Его изотопы дают мягкое излучение, не требующей специальной защиты.

Европий благодаря широте поперечного сечения захвата тепловых нейронов используется в производстве экранов защиты направляющих стержней ядерного реактора. Люминофор цветного телевизора на базе окиси иттрия активизируется европием, что повышает примерно на 50% качество его изображения. Также европий применяется в производстве магнитных сплавов.

Как видно, металлы редкоземельной группы уже активно используются в разного рода промышленных отраслях. Но исследование их возможностей только набирает обороты и несет в себе множество перспективных способов применения. Что из этого выйдет, покажет время. Нам же лишь остается только ждать.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector