稀土元素瞿谅等.ppt

稀土元素,组员：瞿谅 袁建华 刘正臣 邓鹏飞 黄哲昊制作：袁建华,稀土元素,一稀土元素的简介和性质,二.稀土元素的应用,三.稀土元素的分离,四.稀土元素的制备,稀土元素的简介和性质,稀土元素的组成,稀土元素的发现,稀土元素的化学性质,稀土元素的物理性质,稀土元素的组成,稀土元素：周期系B族中原子序数为21、39和5771的17种化学元素的统称。其中原子序数为5771的15种化学元素又统称为镧系元素。稀土元素包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。,稀土元素的发现,稀土金属是芬兰学者加多林(Johan Gado1in)在1794年发现的。当时在瑞典的矿石中发现了矿物组成类似“土”状物而存在的钇土，且又认为稀少，便定名为(Baxe Earth)。,“稀有的土”,稀土元素的化学性质,氧化物稳定。,比其他金属元素都活泼。,燃点低。,氧化物熔点高，生成自由能负值大。,稀土元素的性质与其内部结构密切相关，下面是稀土元素的原子结构和一些重要性质。,（1）电子构型角度：,稀土元素在基态时的电子排布特征是最后填充的电子大都进入4f亚层，只有钇和镧例外，下表列出稀土元素原子和离子（RE3+）的电子结构及某些性质。,图-1 稀土元素的原子性质图,从上表中可看到，La有4f空轨道，Gd的4f轨道为半充满，Lu的4f轨道为全充满，这些都是稳定的电子构型。,（2）原子半径和离子半径角度,镧系元素的原子半径及Ln3+离子半径，在总的趋势上都随着原子核电荷数的增大而减小，这一现象叫做镧系收缩。,镧系收缩,在镧系原子半径收缩的过程中，有两处突跃。即铕和镱的原子半径突然增大，在图中在铕和镱处出现了两个峰值。,由于铕和镱各自具有半充满和全充满的4f亚层，这一相对稳定的结构对核电荷的屏蔽较大，所以原子半径明显增大。,离子半径,稀土元素的重要化合物,氢氧化物,氧化物,碱性氧化物,配合物,类型和数目比d过渡元素要少得多。,Ln3+离子半径较大，配合物稳定性差。,Ln3+与配位体之间的作用力很弱，主要通过静电作用。,配合物,稀土元素的物理性质,大部分稀土金属呈紧密六方晶格或面心立方晶格结构，只有钐为菱形结构，铕为体心立方结构。,具有4f0构型的La3+、Ce3+和4f14的Yb2+、Lu3+，因无成单电子而呈反磁性，而具有4f113构型的镧系元素及其化合物，则因含有成单电子而表现顺磁性。,+3氧化态镧系元素离子多数有颜色，如果阴离子为无色，在结晶盐和水溶液中都保持Ln3+的特征颜色,离子的颜色似乎决定于f层中的未成对的电子数。当三价离子具有fn和f14-n电子构型时，它们的颜色是相同相近的。这就是Ln3+离子颜色的周期性变化。,稀土元素的应用,Magic Rareearthelement,工业领域,农业领域,医药领域,1.稀土在冶金工业中应用量很大，约占稀土总用量的1/3。钢水中加入稀土，可起脱硫脱氧改变夹杂物形态作用；铸铁中稀土作为石墨球化剂、形核剂核对有害元素的控制剂，提高铸件质量，改善机械性能。有色合金方面，可改善合金的物理和机械性能。应用最多的使铝、镁、铜三个系列。,稀土元素在工业领域的应用,1.冶金工业领域,2.石油化工领域,3.玻璃工业领域,4.陶瓷工业领域,5.电光源工业领域,6.材料工业领域,2.在石油裂化工业中，稀土分子作为筛裂化催化剂，活性高、选择性好、汽油的生产率高。可以用于石油裂化、合成橡胶等工业。近来，科学家正致力于研究用稀土金属作为汽车尾气净化的催化剂。稀土在这方面的用量很大。,3.稀土在玻璃工业中有三个应用：玻璃着色、玻璃脱色和制备特种性能的玻璃。钕玻璃为粉红色并带有紫色光泽、镨玻璃为绿色(制造滤光片)等；二氧化铈可将玻璃中呈黄绿色的二价铁氧化为三价而脱色，还可以加入氧化钕进行物理脱色；稀土特种玻璃如铈玻璃(防辐射玻璃)、镧玻璃(光学玻璃)。,4.稀土可以加入陶瓷和瓷釉之中，减少釉和破裂并使其具有光泽。但更主要用做陶瓷的颜料，它可使陶瓷的颜色更柔和、纯正，色调新颖，光洁度好。稀土氧化物还可以制造耐高温透明陶瓷(应用于激光等领域)、耐高温坩埚(冶金)。,5.稀土作为荧光灯的发光材料，是节能性的光源，特点是光效好、光色好、寿命长。比白炽灯可节电7580%。,优点：电动机的效率增强；电动汽车起动机的起动力会大大增加而体积却大大减小；家用电器能耗显著降低；有广泛的应用前景，如：磁悬浮高速列车，自动化高速公路。,缺点：成本变高,磁性材料,结构材料：使钢铁得到良好特性,超导材料：混合稀土-钡-铜-氧超导体,贮氢材料：高容量充电电池的电极。,发光材料：节能光源 大面积超薄型显示屏,作用原理,（1）、微合金化作用,（3）、与其它有害元素的作用,（2）、捕氢作用,作用原理,（4）、稀土元素的脱硫、脱氧,稀土元素在农业领域的应用,增加经济效益,增加作物产量,改善作物品质,增强作物抗逆性,对消化系统作用,对内分泌系统作用,对神经系统的作用,对人体皮肤的作用,对人体癌肿及爱滋病毒的作用,稀土元素在医药领域的应用,稀土是一种低毒性物质，其毒性与铁差不多，适量摄人，有助于提高机体的免疫力；但是，大量补充则会造成对机体的危害。,稀土有促进保护效应。大量的实验表明，稀土可促进细胞的活性；对胰岛素细胞的分泌有调节作用，对胃粘膜起保护作用。,稀土是有效的杀菌物。稀土化合物在医药方面的应用显示其特点及优越性，对于改善药物的性能、提高药效找到了新的途径。,直接食用稀土元素（或离子）浓度过大，可能是致癌、促癌的原因之一。然而取食于动植物，从而获取稀土有机物，看来既安全又有益。稀土杂多配合物显示出较强的抗爱滋病毒活性及较低的细胞毒性，是目前为止发现的一种较好的抗爱滋病毒杂多配合物。,从大量的动物实验中可以看出REC13对鼠腺垂体细胞有作用；对甲状腺结构变化有影响。,一是镧系元素之间的物理性质和化学性质十分相似,分离困难,二是混合稀土化合物中伴生的杂质元素较多（如铀、钍、钛、铁、等）。,稀土元素的分离,稀土元素的分离,分步法,分步法是利用化合物在溶剂中溶解的难易程度（溶解度）上的差别来进行分离和提纯的。,但因为稀土元素之间的溶解度差别很小，必须重复操作多次才能将这两种稀土元素分离开来。因而这是一件非常困难的工作，全部稀土元素的单一分离耗费了100多年，一次分离重复操作竟达2万次，对于化学工作者而言，其艰辛的程度，可想而知。因此用这样的方法不能大量生产单一稀土。,稀土元素的分离,离子交换法,稀土元素的分离,离子交换法,优点：一次操作可以分离多个元素，产品纯度高。,缺点：不能连续处理，一次操作周期长，成本高。,稀土元素的分离,溶剂萃取法,优点：分离效果好、生产能力大、便于快速连续生产、易于实现自动控制。,主要方法,稀土元素的制备,镧系元素的标准电极电势/V,从稀土元素的电极反应的标准电势值可知，稀土金属非常活泼，且稀土氧化物的生成热很大，十分稳定，制备纯金属比较困难，通常采用熔盐电解法和金属热还原法等。,熔盐电解法,用于制取大量混合稀土金属或单一稀土金属，电解液：无水RECl3、助熔剂（NaCl或KCl）。如果原料为混合的RECl3，电解产物为混合稀土金属；如果原料为单一的RECl3，则电解产物也是唯一的稀土金属。有关的电极反应为：,阴极 RE3+3e-RE阳极 Cl-1/2Cl2+e-,熔盐电解法,通过电流密度、电解槽温度及电解液组成等条件控制，使电解在析出稀土金属的范围进行。氧化物-氟化物熔盐体系的电解是利用稀土氧化物溶解在氟化物（作为助熔剂）中电解，电解时的反应为：,阴极 RE3+3e-RE阳极 O2-+C CO+2e-2O2-+C CO2+4e-2O2-O2+4e-,阳极上可有CO，CO2及O2气放出。阴极上析出稀土金属。,金属热还原法,轻稀土金属（La、Ce、Pr、Nd等）常用金属Ca还原它们的氯化物来制备：2RECl3+3Ca-2RE+3CaCl2,重稀土元素（Tb、Dy、Y、Ho、Er、Tm、Yb等）可用金属Ca还原其氟化物来制备：2REF3+3Ca-2RE+3CaF2,金属热还原法,除用金属Ca做还原剂外，也有用金属Ba或Mg做还原剂，稀土卤化物也有以溴化物作原料的。用金属热还原法制得的稀土金属，不同程度的含有各种杂质，还需进一步提纯。此外，还有氧化物的镧、铈还原法，其主要反应为：,RE2O3（s）+2La（s）-2RE（g）+La2O3（s）,（RE代表Sm、Eu、Yb）,谢谢啊！,