Температура плавления редкоземельных металлов

Обновлено: 19.09.2024

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).

Содержание

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:

Z	Имя	Этимология
57	La	Лантан	от греч. «скрытный»
58	Ce	Церий	в честь Цереры
59	Pr	Празеодим	от греч. «зеленый близнец», из-за зеленой линии в спектре
60	Nd	Неодим	«новый близнец»
61	Pm	Прометий	от имени мифического героя Прометея, похитившего у Зевса огонь и передавшего его людям.
62	Sm	Самарий	по имени минерала самарскит, в котором был обнаружен
63	Eu	Европий	в честь Европы
64	Gd	Гадолиний	в честь Иохана Гадолина
65	Tb	Тербий	в честь Иттербийского месторождения
66	Dy	Диспрозий	от греч. «труднодоступный»
67	Ho	Гольмий	в честь Стокгольма
68	Er	Эрбий	в честь Шведского села Иттербю
69	Tm	Тулий	от старого названия Скандинавии
70	Yb	Иттербий	в честь Шведского города Иттерби
71	Lu	Лютеций	от древнеримского названия Парижа

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.

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.

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.

Редкоземельные металлы

Практическое использование РЗМ началось во второй половине XIX в. С 1885 г. соединения РЗМ применяли в производстве газокалильных сеток или колпачков для осветительных газовых и керосиновых фонарей. Сетки изготавливали из ThO₂ с добавкой 1 % оксида церия. Такая смесь позволяла достигать максимальной яркости белого свечения.

Длительное время производство гаэокалильных колпачков и кремней для зажигалок оставалось практически единственной сферой применения РЗМ. Бурный прогресс в этой области начался лишь во второй половине нашего столетия в связи с развитием аэрокосмической, электронной, нефтехимической, атомной и других отраслей промышленности.

Основную массу РЗМ используют в виде смешанных (природных) соединений в металлургической и нефтехимической отраслях промышленности, а также при производстве стекла и керамики. Потребление высокочистых индивидуальных РЗМ в денежном выражении достигает 30 %, хотя по весу не превышает 1 % от общего объема потребления РЗМ. В 80-х годах производство РЗМ в капиталистических странах находилось на уровне 27 тыс. τ . Структура потребления РЗМ в капиталистических странах в последние годы выгляди* следующим образом, %:

8 последние годы значительно расширяется применение индивидуальных РЗМ. Примером может служить использование неодима для легирования магниевых сплавов, иттрия и европия для производства красного люминофора для цветного телевидения, гадолиния для создания магнитных материалов с особой структурой, самария для получения сверхмощных постоянных магнитов и целый ряд других. Только в Японии в последние годы производство оксида иттрия возросло на 38 % и составило 90 т, в том числе: 60 в производстве кинескопов для цветного телевидения и люминесцентных ламп, 17—18 в производстве оптического стекла и 12—13 в производстве стабилизированного диоксида циркония.

Использование РЗМ в металлургии основано на их высоком химическом сродстве к кислороду, сере, азоту и водороду, примеси которых ухудшают свойства сталей, сплавов и цветных металлов. При взаимодействии РЗМ с этими элементами происходит очистка расплава за счет образования прочных тугоплавких соединений, что вызывает в свою очередь резкое повышение механических свойств легируемых металлов у сплавов. Теплоты образования оксидов РЗМ превышают 1000 кДж/моль а температуры плавления 2000 °С против 268 кДж/моль и 1614 °С у F« соответственно.

РЗМ образуют также тугоплавкие соединения с вредными примесям» и устраняют легкоплавкие эвтектические включения, вызывающие красноломкость (фосфор и мышьяк в стали, свинец, олово и висмут в медных сплавах). Температуры плавления мышьяка и эвтектических сплавов систем Fe-Pи P-Asне превышают 1080 °С, а соединения этих элементов с РЗМ плавятся при температурах, превышающих 2250 °С. То же можно сказать и о примесях, вызывающих красноломкость медных сплавов свинце, олове.и висмуте. Температуры плавления этих металлов и из эвтектических сплавов с медью ниже 450 °С. В то же время интерметаллические соединения РЗМ с висмутом, свинцом и оловом плавятся при температурах выше 1000 °С.

РЗМ обладают также модифицирующим действием. Измельчение кристаллов металла достигается при введении незначительных количеств P3М. Сюда же относится изменение формы графита из пластинчатой в шаровидную в высокопрочных чугунах.

Добавки лантаноидов улучшают структуру и свойства поверхностной оксидной пленки, способствуют повышению жаростойкости сплавов на основе железа, никеля и хрома, упрочняют сплавы за счет легирования твердого раствора или образования новых соединений.

Успешному применению РЗМ в металлургии способствуют также невысокое давление насыщенного пара при температуре плавления чугунов и сталей, высокие температуры кипения и плотность, близкая к плотности железа. Сочетание этих факторов позволяет вводить лантаноиды в различные тугоплавкие металлы значительно проще по сравнению с такими известными модификаторами, как кальций и магний.

Таким образом, РЗМ в настоящее время широко используют для получения высокопрочных чугунов, улучшения свойств низколегированных, коррозионностойких и других сортов сталей, увеличения жаропрочности магниевых и алюминиевых сплавов, а также для повышения свойств целого ряда других металлов и сплавов. По объему потребления РЗМ металлургия занимает ведущее место.

Огромное значение для современной техники имеет высокопрочный чугун, в котором содержащийся графит находится в шаровидной форме, в отличие от обычного чугуна, где графит присутствует в виде пластин. Более высокие механические свойства высокопрочного чугуна [229] делают возможной замену стальных деталей чугунными литыми. При этом значительно сокращаются трудовые затраты на механическую обработку, достигается экономия металла, особенно стального проката, снижается стоимость изделий. Для модифицирования чугуна в основном используют мишметалл или различные лигатуры на его основе.

Добавки РЗМ вызывают также повышение стойкости чугуна к коррозионно-эрозионному изнашиванию и трению скольжения. Так, введение РЗМ вызывает увеличение эрозионной стойкости хромистого чугуна до 0,67 против 0,16 у чугуна без добавок РЗМ (за единицу приведена стойкость стали 12X18Н9Т). Износостойкость модифицированного чугуна возрастает более чем в 50 раз.

В последние годы значительно возросло использование иттрия в качестве легирующего элемента [230]. Иттриевый чугун имеет лучшую жидкотекучесть, большую стойкость к истиранию, поскольку иттрий не только глобуляризует включения графита, но и упрочняет металлическую основу, однако его стоимость более высокая по сравнению с чугуном, модифицированным церием и магнием. Иттрием можно легировать в более широких пределах, чем церием, так как его добавки не вызывают отбеливание чугуна. Чугун с добавками иттрия сохраняет свои свойства при многократных переплавах. Высокие механические и литейные свойства иттриевого чугуна позволяют изготовлять из него наиболее ответственные детали — поршневые кольца и гильзы цилиндров для двигателей внутреннего сгорания, шарикообкатные диски для шарикоподшипников и т.д. В настоящее время налажен промышленный выпуск специального сорта иттриевого мишметалла.

Значительный рост потребления РЗМ в металлургии обусловлен внедрением в производство высокопрочных низколегированных сталей для автомобилестроения, а также для трубопроводов большого диаметра. Для этих целей разработана марка стали, содержащей 0,1 % Nbи 0,05 % РЗМ. Добавки РЗМ снижают порог хладноломкости этой стали на 25-30 °С.

Модифицирование редкоземельными металлами литых сталей оказывает значительное влияние на повышение механических свойств, особенно характеристик пластичности и вязкости, что делает возможным изготовление из них деталей, работающих в условиях больших нагрузок, низких температур и абразивного износа. Наиболее эффективным модификатором в этом случае является металлический иттрий.

Добавки РЗМ резко повышают коррозионную стойкость, пластичность, жаропрочность и жаростойкость коррозионностойких и жаропрочных деформируемых сталей. Например, модифицирование жаростойкой стали 0,05 % Υ ~на 40 % повышает стойкость контейнеров, работающих при 1150°С[232].

Широкое применение магниевых сплавов обусловлено рядом факторов, важнейшими из которых являются удачное сочетание ценных конструкционных и технологических свойств и значительные сырьевые ресурсы. В качестве основных легирующих добавок в магниевых сплавах нашли применение марганец, кремний, литий, цирконий и торий.

Использование РЗМ для легирования магния связано с созданием сплавов, характеризующихся высокими прочностными свойствами при повышенных температурах.

Первоначально для этих целей использовали мишметалл. Позднее были установлены различия во влиянии на механические свойства магния отдельных РЗМ, причем с увеличением порядкового номера РЗМ прочностные свойства повышаются. Это объясняется, по-видимому, тем, что с увеличением порядкового номера растворимость РЗМ (за исключением Еu и Yb) в твердом магнии возрастает, а соединения, находящиеся в равновесии с магниевым раствором, имеют более высокие температуры плавления [233].

В некоторых случаях РЗМ вводят в магниевые сплавы не только с целью повышения их прочности, но также для улучшения пластичности, литейных свойств, устойчивости против окисления на воздухе при нагревах и т.д.

Наиболее низкий уровень прочностных характеристик с учетом работы при повышенных температурах достигается в сплавах, содержащих мишметалл или церий и лантан. Однако эти сплавы являются наиболее дешевыми.

Более высокий уровень прочностных характеристик и более высокие рабочие температуры достигаются в сплавах, в которых основной легирующей добавкой является неодим. Основным достоинством магниевых сплавов, содержащих неодим, являются высокие прочностные свойства при 200-250 °С. В настоящее время в мировой практике используется большое количество деформируемых и литейных магниевых сплавов, содержащих РЗМ, в том числе иттрий, добавки которого позволяют получать сплавы, по своим характеристикам превосходящие свойства сплаbob, с использованием других элементов, в частности радиоактивного тория [224]. /

В последние годы разрабатываются магниевые сплавы, содержащие более тяжелые РЗМ, в первую очередь гадолиний и диспрозий, и имеющие еще более высокие механические свойства, особенно при температурах выше 300 °С.

Легирование РЗМ алюминиевых сплавов изучено значительно меньше, чем магниевых [225]. Наибольшее практическое значение для легирования литейных сплавов типа силумин приобрел церий. Добавки церия повышают жаропрочность и улучшают жидкотекучесть сплавов системы Al-Si. В этой связи во многих странах вновь обращено внимание на применение заэвтектических алюмокремниевых сплавов для производства блоков двигателей внутреннего сгорания методом литья под давлением. В этой области силумины могут конкурировать в стоимости и эффективности с ковкими чугунами. Установлено, что введение 1 % мишметалла в сплав AI— 22 % Siпозволяет получить размер зерна, как у сплава AI- 1 7 % Siбез добавки мишметалла. Силумины с добавками мишметалла имеют низкий коэффициент теплового расширения, хорошую износостойкость и удовлетворительную обрабатываемость.

В последнее время в различных странах разработаны так называемые цералюмины. Эти сплавы имеют хорошие свойства при повышенных температурах и исключительное сопротивление усталости. Добавки церия также значительно повышают прочность алюминия технической чистоты при сохранении высоких значений электропроводности. Коррозионная стойкость при этом также повышается.

Легирование РЗМ медных сплавов способствует повышению их жаропрочности при незначительном снижении электропроводности [ 226].

Добавки мишметалла в свинецсодержащие латуни и бронзы значительно повышают их механические свойства за счет образования тугоплавкого интерметаллического соединения. Добавки РЗМ и, в частности, иттрия значительно повышают устойчивость против окисления жаропрочных сплавов на основе хрома, кобальта и никеля. Примером этого класса сплавов является сплав MELCO-14, содержащий, %: Сг28,7, Ni10,7, W7,4, Та З,1, Mn0,3, Hf0,15, Υ0,18, С 0,40 остальное Со, в котором иттрий предотвращает образование окалины и способствует образованию плотной защитной оксидной пленки типа шпинели МnСr₃04, обладающей высокими адгезионными свойствами.

Применение мишметалла оказалось чрезвычайно эффективным в производстве сплавов с высоким омическим сопротивлением. Добавки до 0,05 % ММ в сплав Ni— 20 % Сr увеличивают срок его службы с 1 до 10 тыс. ч.

Легирование РЗМ сплавов на основе титана, циркония, гафния, ниобия и тантала также приводит к повышению свойств этих материалов. Так, добавки 1 % Laувеличивают пластичность титанового сплава при —196 °С на 100%.

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:

Семейство Иттербия: Тулий, Гольмий, Иттербий, Гадолиний, Диспрозий, Тербий, Эрбий, Лютеций.
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:

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:

Разложение плавиковой и серной кислотами.
Хлорирование.
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 кг\м3. 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.

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.

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.

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

Название «редкоземельные» 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 (La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и иттриевого (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.

Как правило, редкоземельные элементы встречаются в природе совместно. Наиболее важными источниками редкоземельных элементов служат минералы монацит, лопарит, бастнезит, ксенотим и гадолинит. Наиболее распространён в земной коре церий , наименее — тулий и лютеций.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Редкоземельные металлы" в других словарях:

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ — (РЗМ) см … Большая политехническая энциклопедия

редкоземельные металлы — РЗМ Группа РЗМ включает Sc, Y, La и лантаноиды (редкие земли) — 14 элементов III группы Периодич. системы с ат. н. от 58 (Се) до 71 (Lu). РЗМ отличаются высокой химич. активностью и образуют прочные оксиды, галогениды, сульфиды, реагируют с … Справочник технического переводчика

Редкоземельные металлы — Rare earth metal. Редкоземельные металлы. Группа из 17 химически подобных металлов, которая включает скандий и иттрий (атомные номера 21 и 39, соответственно) и элементы лантанового ряда (атомные номера от 57 до 71). (Источник: «Металлы и сплавы … Словарь металлургических терминов

редкоземельные металлы — Смотри редкоземельные металлы (РЗМ) … Энциклопедический словарь по металлургии

редкоземельные металлы — (лантаноиды), представлены группой из 15 весьма близких по свойствам элементов (№ 57–71 в системе Д. И. Менделеева). Название группы происходит от лат. «terra rarae» – «редкая земля», поэтому их обозначают общим символом TR. К редкоземельным… … Географическая энциклопедия

редкоземельные металлы (РЗМ) — [rare earth metals] группа РЗМ включает Sc, Y, La и лантаноиды (редкие земли) 14 элементов III группы Периодической системы с атомный номер от 58 (Се) до 71 (Lu). РЗМ отличаются высокой химической активностью и образуют прочные оксиды, галогениды … Энциклопедический словарь по металлургии

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ (РЗМ) — смотри Редкоземельные элементы … Металлургический словарь

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — (редкоземельные металлы) химические элементы побочной подгруппы III группы периодической системы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды. Распространены в земной коре сравнительно редко, образуют нерастворимые оксиды (устаревшее выражение земли)… … Большой Энциклопедический словарь

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — (РЗЭ) группа из 15 хим. элементов, размещённых в 57 й клетке Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (см.) (лантано), а также скандий и иттрий. Все они химически активны (как правило, трёхвалентны) и сходны по своим хим. и некоторым физ … Большая политехническая энциклопедия

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — (редкоземельные металлы), хим. элементы побочной подгруппы III гр. периодич. системы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды. Распространены в земной коре сравнительно редко, образуют нерастворимые оксиды (устар. земли) отсюда название. Серебристо… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Читайте также: