Редкие и рассеянные металлы
Обновлено: 20.05.2024
В настоящее время из 104 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева в промышленности используется около 80 элементов, в том числе большая группа редких и рассеянных металлов. К ним относятся литий, бериллий, титан, вольфрам, молибден, висмут, тантал, скандий, ванадий, галлий, германий, рубидий, иттрий, цирконий, ниобий, индий, теллур, а также радиоактивные металлы — уран, радий, торий и др. К этой же группе редких и рассеянных металлов относят и так называемые «редкие земли», которые занимают в периодической системе элементов Д. И. Менделеева номера с 57 по 71 (церий, лантан и др.). Преобладающее большинство редких и рассеянных металлов содержится в земной коре в очень малых количествах, порядка тысячных, десятитысячных и даже стотысячных долей процента. Исключение составляют титан, ванадий, литий, бериллий и некоторые другие. Из редких металлов в самородном состоянии встречаются только висмут и очень редко тантал. За исключением молибдена, вольфрама и титана, большинство редких рассеянных металлов не образует самостоятельных месторождений. Так, например, свинцово-цинковые и медно-колчеданные руды многих месторождений очень часто содержат индий, галлий, таллий, германий, селен, теллур, которые попутно извлекаются при переработке руд на главные металлы — медь, свинец и цинк. В золе некоторых углей и сланцев часто присутствует значительное количество германия. В калийных солях находятся цезий, рубидий и литий. В молибденовых рудах встречается рений, в циркониевых — гафний, а в бокситах — галлий. Большая группа редких и редкоземельных металлов встречается в минералах пегматитовых жил. Для извлечения редких и рассеянных металлов из руды прибегают к очень сложным способам обработки, которые позволяют довести содержание их до промышленных концентраций. Свойства редких металлов весьма разнообразны и необычайно ценны. Рассмотрим наиболее важные в промышленном отношении редкие и рассеянные металлы.
Бериллий
применяется в сплавах с медью, алюминием и магнием. Эти сплавы обладают большой прочностью, химической устойчивостью и легкостью. Твердость железа от прибавления бериллия увеличивается в 6 раз. Сплавы бериллия применяются в технике. Главный минерал бериллия — берилл (силикат алюминия и бериллия). Встречается он главным образом в пегматитовых и кварцевых жилах.
Ванадий
идет для производства особо вязких и прочных сталей и входит важной составной частью в сплав с алюминием. Эти стали и сплав используются в автомобильной и авиационной промышленности. Соединения ванадия употребляются в производстве различных красок, в фотографии и медицине. Ванадий добывают из минералов — ванадинита, тюямунита и др.— или попутно извлекают из руд других металлов (титаномагнетитов, бурых железняков, бокситов).
Висмут
применяется при изготовлении легкоплавких сплавов, которые нужны в типографском деле, в производстве предохранительных пробок к паровым котлам, автоматическим огнетушителям и т. д. Кроме того, висмутовые соли используются в медицине, при изготовлении фотобумаги, красок и стекол с высоким показателем преломления.
Галлий
используется для изготовления высокотемпературных кварцевых термометров, заменяя в них ртуть, для специальных оптических зеркал, а также в медицине.
Германий, индий, селен, теллур
и некоторые другие используются в полупроводниках, для изготовления стекол с очень высоким показателем преломления, в радиотехнике как элементы с очень высоким сопротивлением и в медицине.
Литий
дает легкие и вместе с тем твердые сплавы с алюминием, магнием и другими металлами. Литий используется в технике и медицине. Важнейшим минералом лития является сподумен (алюмосиликат лития). Встречается он в пегматитовых жилах.
Молибден и вольфрам
отличаются значительной твердостью, ковкостью, высокой химической стойкостью и тугоплавкостью. Температура плавления молибдена 2600°, а вольфрама 3400°, т. е. выше, чем у всех других металлов. Значительная часть молибдена и вольфрама применяется в качестве добавок при выплавке специальных сортов стали, используемых для изготовления различных видов быстрорежущих инструментов, котлов высокого давления, наиболее ответственных частей автомобилей и др. Молибден и вольфрам применяются также для электротехнических приборов, радио и рентгена. Практически весь молибден получают из молибденита (соединения молибдена с серой). Главными минералами, из которых извлекается вольфрам, являются вольфрамит (соединение вольфрама с железом, марганцем и кислородом) и шеелит (соединение вольфрама с кальцием и кислородом). Эти минералы обычно встречаются в кварцевых жилах и в рудных зонах, расположенных на границе осадочных пород и гранитов.
Ниобий и тантал
применяются в производстве особо прочных сортов стали, используемых в технике. Особую роль играет тантал в электровакуумной технике.
Рений
широко используется в электротехнике и в химической промышленности, в частности как катализатор (ускоритель процессов).
Рубидий, цезий и селен
Титан
обладает высокой температурой плавления (1725°) и температурой кипения (более 3000°), в нем сочетается легкость с большой прочностью (равной прочности стали). Титан очень стоек к воздействию кислот и щелочей, не поддается ржавлению. Поэтому металлический титан теперь широко применяют в реактивных самолетах и в других областях новейшей техники. Двуокись титана используется для изготовления высококачественных белил, лаков, эмалей, водонепроницаемых материалов. Титан идет в качестве добавки для получения сверхпрочных сталей. Главное сырье для титановой промышленности — минералы рутил, ильменит и титаномагнетит. Большинство наиболее важных месторождений титана связано с глубинными магматическими породами (габбро и др.) и с россыпями, образовавшимися за счет их разрушения. В Советском Союзе месторождения титана есть на Урале, Кольском п-ове, Украине, в Казахстане, Сибири, Карелии. Относительно недавно используется в промышленности цирконий. Окись циркония принадлежит к наиболее огнеупорным окисям. Ее употребляют для изготовления тиглей, химически устойчивых кирпичей и высокотемпературных цементов. В виде металла цирконий применяется для дающих вспышку порошков, радиоламп, электродов и сплавов. Из циркониевых сталей делают хорошую броню, а с никелем эти стали применяются для производства быстрорежущих инструментов. В последнее время цирконий стал употребляться для изготовления ядерных реакторов. Цирконий извлекают из минералов циркона (соединение циркония с кремнием и кислородом) и бадделеита (соединение циркония с кислородом). Оба минерала встречаются в гранитах и нефелиновых сиенитах, а также и в пегматитовых жилах этих пород. Основная масса циркона добывается теперь из россыпных месторождений. К радиоактивным металлам относятся торий, уран и радий. В земной коре их немного. Из радиоактивных металлов особенно важен уран. Будучи исключительно активным элементом, уран никогда не встречается в самородном виде, а только в соединениях с другими элементами. В 1898 г. супругам Кюри удалось выделить из урановых соединений новый элемент — радий. Содержание радия в урановой руде ничтожно мало, и для получения 1 Г радия надо переработать свыше 2 тыс. Т. урановой руды. Поэтому цена его была колоссальной: 1 Г. бромистой соли радия стоил до 200 тыс. руб. золотом. Радий применяется пока главным образом для научных исследований и в медицине. Урановые руды — важнейший источник колоссальных запасов внутриядерной энергии. При расщеплении 1 Т урана выделяется столько же энергии, как при сжигании 100 тыс. Т. угля. Сейчас ученые напряженно работают, чтобы возможно скорее овладеть этой новой могучей силой в мирных целях. В СССР атомная энергия используется в мирных целях: построены атомные электростанции, ледокольный атомоход «Ленин» и т. д. Недалеко то время, когда ученые откроют дешевые и доступные пути получения атомной энергии в неограниченных количествах. Тогда мы будем иметь электростанции, помещающиеся в чемодане, моторы в несколько лошадиных сил и размером не больше карманных часов, ракетные двигатели, самолеты и автомобили, «заряженные» атомным топливом на ряд лет.
Редкие и рассеянные металлы
Редкие металлы принято подразделять на пять групп по некоторым общим признакам: близости физико-химических свойств, совместному нахождению в рудном сырье и сходству методов выделения из сырья.
Ниже дана характеристика каждой из групп технической классификации, приведенной в табл. 5.
Металлы этой группы расположены в I и II группах периодической системы Менделеева, обладают малым удельным весом (литий — 0,53; бериллий — 1,85; рубидий — 1,55; цезий — 1,87) и отличаются высокой химической активностью. Их химические соединения, окислы, хлориды обладают высокой химической прочностью и с трудом восстанавливаются до металла. По этому признаку они близки к легким цветным металлам, алюминию, магнию, кальцию и натрию.
Подобно легким цветным металлам легкие редкие металлы получаются в свободном состоянии либо электролизом расплавленных солей, либо металлотермическими методами.
Тугоплавкие редкие металлы относятся к числу переходных элементов IV, V и VI групп периодической системы, у которых при переходе одного элемента к соседнему происходит достройка внутренних электронных уровней (так называемых d-уровней).
Эта особенность строения атомов определяет высокую прочность кристаллической решетки рассматриваемых металлов, что сказывается на их повышенной твердости, высоких температурах плавления (от 1660° для титана до 3400° для вольфрама, являющегося самым тугоплавким из всех металлов), высокой антикоррозионной устойчивости и переменной валентности, обусловливающей многообразие химических соединений этих элементов.
Все металлы рассматриваемой группы образуют весьма тугоплавкие, твердые и химически, устойчивые соединения с рядом металлоидов, обладающих малыми атомными радиусами (так называемых «фаз внедрения»). К ним относятся карбиды, нитриды, силициды и бориды, имеющие важное практическое применение.
Тугоплавкие редкие металлы взаимодействуют со многими другими металлами периодической системы, образуя твердые растворы и различные интерметаллические соединения, что широко используется в технике при производстве различных сплавов и высококачественных сталей.
В связи с высокими температурами плавления тугоплавких металлов в технологии их производства широко используется метод порошковой металлургии, заключающийся в получении металла в форме порошка с последующим его превращением в компактный металл путем прессования и спекания.
Близость свойств тугоплавких металлов определяет общность многих областей их применения. Так, кроме использования этих металлов в качестве легирующих добавок к сталям, многие из них применяются в виде тугоплавких твердых карбидов в составе твердых сплавов, а в чистом виде используются в электротехнике и электровакуумной технике.
Общим признаком этой группы является отсутствие или редкая распространенность собственных минералов этих металлов.
Металлы данной группы встречаются обычно в виде изоморфных примесей в ничтожных концентрациях в кристаллах других минералов. Поэтому рентабельное извлечение рассеянных редких металлов возможно только из отходов производств основных металлов.
Так, галлий, встречающийся в бокситах, извлекается из промежуточных продуктов и отходов алюминиевого производства. Галлий вместе с индием, таллием и германием часто встречается в цинковых и свинцовых рудах, и поэтому соединения этих металлов извлекаются из промежуточных продуктов и отходов цинкового и свинцового производств.
Германий часто встречается в углях и извлекается из отходов, получаемых при их переработке.
Селен и теллур, рассеянные в различных сульфидных минералах, извлекаются либо при металлургической переработке этого сырья, либо из отходов сернокислотного производства.
Рений как спутник молибдена извлекается попутно при переработке молибденового сырья.
Гафний, содержащийся в виде примеси в циркониевых минералах, извлекается при производстве циркония или его соединений.
Таким образом, сырьевые источники производства рассеянных редких металлов весьма разнообразны. К ним относятся отходы газовых заводов, шламы медерафинирующих заводов, пыли обжиговых и плавильных печей, отходы цинкового, свинцового и алюминиевого производств и т. д.
Рений и гафний, являющиеся спутниками соответственно молибдена и циркония, по свойствам близки к тугоплавким металлам и могут также рассматриваться в составе этой группы.
К этой группе относятся лантан и следующие за лантаном 14 элементов (от церия 58 до лутеция 71).
Близость физико-химических свойств лантаноидов объясняется одинаковым строением внешних электронных уровней их атомов, так как при переходе одного элемента к другому у лантаноидов происходит заполнение глубоко лежащих недостроенных (4f) электронных уровней.
Близко примыкают к лантаноидам скандий и иттрий.
В рудном сырье редкоземельные металлы всегда сопутствуют друг другу. На первых стадиях переработки сырья они обычно выделяются в виде смеси окислов или других соединений. Дальнейшее разделение соединений редкоземельных элементов представляет большие технологические трудности.
К этой группе относятся естественные радиоактивные элементы: полоний, радий, актиний и актиноиды (торий, протактиний, уран) и искусственно полученные заурановые элементы; нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, атений и центурий.
Радиоактивные свойства металлов этой группы в значительной степени определяют особенности их технологии, приемы работы с ними, а также области их использования.
Актиноиды, так же как и редкоземельные элементы, характеризуются тем, что переход от одного элемента к другому осуществляется путем достройки глубоко расположенных 5f электронных уровней и в этом отношении группа актиноидов аналогична лантаноидам.
В рудном сырье естественные радиоактивные элементы встречаются совместно. Часто им сопутствуют редкоземельные металлы.
Как известно, естественные и некоторые искусственно полученные металлы группы актиноидов играют важнейшую роль в производстве атомной энергии.
Редкие металлы – перечень, классификация и значение
В «металлическом» сегменте таблицы Менделеева эта группа считается элитой. Список редких металлов невелик, но каждая позиция драгоценна. Их стоимость на мировом рынке подтверждает пословицу: «Что редко – дорого».
История
Понятие «редкие металлы» вошло в обиход с середины 1920-х годов. Тогда так называли элементы без собственных месторождений, рассеянные в массиве других руд.
Иногда отождествляются термины «редкий металл» и «редкий элемент». Это ошибка:
- Редкие элементы – более широкое понятие.
- Оно подразумевает металлы, неметаллы, инертные газы.
- Из шести десятков позиций списка редких элементов на металлы приходится 50.
Второе наименование этой группы – менее обычные (привычные) металлы.
Что считается «менее обычным» материалом
К редким металлам относится элемент, соответствующий хотя бы одному критерию:
- Малая распространенность в литосфере, рассеянность без коренных месторождений.
- Сложная технология извлечения из руды, получения чистого вещества.
- Новизна, неосвоенность материала для практического применения.
Последнее условие – самое мобильное. Развитие технологий, появление новых сфер использования, масштабирование производства переводят элемент в привычные.
Классификация
Материал распределяется по нескольким основаниям. Первая основа деления – по происхождению. Различают природный (натуральный) и созданный человеком.
Природные металлы
За основу принадлежности к группе берут свойство, более других влияющее на кондиции элемента либо благодаря которому он востребован.
По базовому признаку различают пять видов редких металлов:
Классификация однобока: многие элементы подпадают под разные группы:
- Рубидий с цезием – легкие рассеянные.
- Легкий тугоплав – титан.
- Рассеянные тугоплавы – рений, гафний, вольфрам.
Есть деление по субъективному признаку. Редкими благородными металлами признаны золото, платина, родий. (Их второе название – драгоценные). А также платиноид осмий, плотность которого наивысшая среди веществ Земли.
Платина
Самые редкие цветные металлы, созданные природой, – осмий, галлий, тантал, рений.
Искусственные
Элементы, созданные на ядерных реакторах: технеций, нептуний, плутоний, прочие трансурановые.
Они причислены к радиоактивной группе.
Самый редкий металл на Земле – калифорний-282.
Ежегодный объем синтезирования калифорния – менее грамма. Глобальный резерв – пять граммов.
А слышали про металл туллий? Смотрите видео:
Где и как добываются
Источник редкостного материала – природные руды:
- Почти всегда это конгломерат компонентов.
- Доля металлов исчисляется тысячными либо меньше долями процента.
- Стандартный способ добычи – закрытый (шахтный), реже – открытый карьерный.
Главный поставщик сырья на мировой рынок – Китай. Он диктует расклад, номенклатуру, цены. Главный потребитель – США.
Российский источник редкого сырья номер один – Кольский полуостров. На его руды, содержащие титан, приходится 40% разведанных запасов страны.
Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты
Технология получения
Редкие металлы вычленяют из отходов металлургического производства.
- Обогащение сырья.
- Выделение, разделение компонентов.
- Очистка.
- Восстановление.
Используется металлотермия, электролиз, плавка.
На тугоплавкую группу воздействуют методами порошковой металлургии.
Редкоземельные металлы « разлучают » экстракцией. Катализаторами выступают ионообменные процессы и органические растворители.
Где используются
В отличие от других сегментов промышленности, металлургия «менее привычных» элементов кризисы переносит спокойно. Это закономерно: материал добывается ограниченными партиями, дорогой, всегда востребован.
В чистом виде не используется: слишком накладно. Только как компонент сплавов либо легирующая добавка.
Традиционные сферы
Области использования редкостного материала:
- Ядерная энергетика. Уран и торий – топливо для атомных станций. Сегодня это самый экологичный вид энергии.
Это также сплавы для нужд космического и оборонного комплекса (орудия, снаряды), взрывчатые вещества.
Новые направления
В новом тысячелетии на первый план вышло использование лития как материала компактных мощных батарей-аккумулятров и магнитов:
- Батареями-аккумуляторами снабжают электромобили, смартфоны, планшеты, другие гаджеты.
- Магниты присутствуют в объектах «зеленой» энергетики (солнечные панели, ветряки), автомобилях с гибридным двигателем, мониторах.
Материал поколения 2.0 – магнитопласт. Из него делают мини-динамики, гибкие панели, рекламную «инфраструктуру».
Калифорний-282 востребован геологами, физиками-ядерщиками, медициной.
Стоимость
Цены редких элементов различны, но всегда высоки.
Так, самый дорогой химический элемент – калифорний-282. Грамм оценивают в $250 млн.
Редкие металлы
Редкие металлы – группа цветных металлов, характеризующихся отсутствием собственных рудных месторождений и малой распространенностью в земной коре, трудностью их извлечения из сырья, небольшими масштабами производства.
Все редкие металлы являются цветными металлами.
Редкие металлы и их виды (подгруппы):
Все редкие металлы являются цветными металлами .
Группа редких металлов насчитывает свыше 60 металлов.
Редкие металлы условно подразделяют на следующие подгруппы: тугоплавкие, легкие, рассеянные, радиоактивные, редкоземельные. Некоторые металлы могут быть отнесены к нескольких подгруппам.
Редкие тугоплавкие металлы – подгруппа редких металлов, отличающихся высокой температурой плавления, прочностью и коррозионной устойчивостью.
К подгруппе редких тугоплавких металлов относят: цирконий , гафний , ванадий , ниобий , тантал , молибден , вольфрам , титан.
Редкие легкие металлы – подгруппа редких легких металлов, имеющих малую плотность (менее 2000 кг/м 3 ) и отличающихся высокой химической активностью.
К подгруппе редких легких металлов относят: литий , рубидий , цезий , бериллий .
Редкие рассеянные металлы – подгруппа редких металлов общим признаком которых является рассеянность в земной коре и нахождение их в виде изоморфной примеси в решетках ряда минералов цветных металлов. Рассеянные редкие металлы извлекают попутно при производстве цветных металлов и в некоторых других производствах, в т.ч. при переработке отходов.
К подгруппе редких рассеянных металлов относят: галлий , индий , таллий , германий , скандий , гафний , селен , теллур , рений , рубидий . В стандартных условиях температуры и давления селен и теллур проявляют свойства неметаллов. Гафний может быть отнесен как к рассеянным, так и к тугоплавким редким металлам, рубидий – как к рассеянным металлам, так и к легким редким металлам, скандий – как к рассеянным редким, так и к редкоземельным металлам.
Редкие радиоактивные металлы – подгруппа редких металлов, изотопы которых радиоактивны, т.е. самопроизвольно излучают поток элементарных частиц.
К естественным радиоактивным металлам относят: полоний , радий , торий , актиний , уран , протактиний . К искусственно получаемым радиоактивным металлам относят: технеций , прометий , астат , франций , в том числе трансурановые элементы.
Редкоземельные металлы – подгруппа редких металлов, редко встречающихся в земной коре, образующих нерастворимые окислы и являющихся химически активными. В рудном сырье эти металлы сопутствуют друг другу и сложно подвергаются разделению. Для разделения используют метод экстракции органическими растворителями и ионообменные процессы.
К редкоземельным металлам относят: скандий , иттрий , лантан и лантаноиды ( церий , празеодим , неодим , прометий , самарий , европий , гадолиний , тербий , диспрозий , гольмий , эрбий , тулий , иттербий , лютеций ).
Цветные металлы
Цветные металлы – это общепринятое название всех металлов, за исключением железа.
Цветные металлы:
Цветные металлы – это общепринятое название всех металлов, за исключением железа (ГОСТ Р 59129-2020 «Цветные металлы. Термины и определения»).
Цветные металлы – это металлы и сплавы на их основе, которые не содержат железа в значительных количествах.
Металлы называются цветными, потому что они имеют определенный цвет и оттенок.
Соответственно железо и сплавы на его основе (стали, ферросплавы, чугуны) относятся к черным металлам. В узком смысле к чёрным металлам относят только железо и сплавы на основе железа (стали, ферросплавы, чугуны). В широком смысле к чёрным металлам также относят марганец и, иногда, – хром и ванадий .
Цветные металлы составляют менее 90 % всего объёма используемых в общественном производстве металлов.
Цветные металлы, как правило, более дорогие, чем черные металлы. Они широко используются в различных отраслях экономики и быту из-за своих уникальных свойств, таких как малый вес (например, алюминий ), более высокая электрическая проводимость (например, медь ), немагнитные свойства или устойчивость к коррозии (например, цинк ).
Виды (группы и подгруппы) цветных металлов:
Цветные металлы условно подразделяют на следующие группы:
– тяжелые основные цветные металлы,
– тяжелые малые цветные металлы,
– легкие цветные металлы,
Тяжелые цветные металлы (цветные тяжелые металлы) – группа цветных металлов с плотностью порядка от 6000 до 14000 кг/м 3 .
К тяжелым цветным металлам относят: медь, никель , кобальт , свинец , олово , хром, марганец, цинк, кадмий , висмут , сурьму , ртуть , мышьяк . Мышьяк и сурьму относят к полуметаллам (металлоидам).
Легкие цветные металлы (цветные легкие металлы) – группа цветных металлов с малой плотностью (менее 5000 кг/м 3 ), высокой химической активностью, имеет широкое распространение в природе.
К легким цветным металлам относят: калий , натрий , магний , алюминий, кальций , стронций , барий , титан . Титан может быть отнесен к редким тугоплавким металлам, т.к. обладает высокой температурой плавления и коррозионной устойчивостью.
Драгоценный металл – цветной металл, обладающий высокой химической стойкостью в агрессивных средах, тугоплавкостью, ковкостью, тягучестью. Драгоценный металл может находиться в самородном и аффинированном видах, в сырье, сплавах, промышленных продуктах металлургического производства, химических соединениях, ювелирных и иных изделиях, отходах производства и потребления.
К драгоценным металлам относятся: золото , серебро , платина и металлы платиновой группы – палладий , иридий , родий , рутений и осмий . Этот перечень может быть изменен только федеральным законом.
Редкие металлы условно подразделяют на следующие подгруппы: тугоплавкие, легкие, рассеянные, радиоактивные, редкоземельные.
К естественным радиоактивным металлам относят: полоний , радий , торий , актиний , уран , протактиний . К искусственно получаемым радиоактивным металлам относят: технеций , прометий , астат , франций , в том числе трансурановые элементы.
К редкоземельным металлам относят: скандий , иттрий , лантан и лантаноиды.
Читайте также: