稀土元素

1. 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

2. 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

3. 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

4. 稀土元素的组成 稀土元素：周期系ⅢB族中原子序数为21、39和57～71的17种化学元素的统称。 其中原子序数为57～  71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。

6. 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)。 稀土元素的发现 “稀有的土”

7. 稀土元素的化学性质 ①燃点低。 ②比其他金属元素都活泼。 ③ 氧化物稳定。 ④氧化物熔点高，生成自由能负值大。

8. 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。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。

9. 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。

10. （2）原子半径和离子半径角度 镧系收缩 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。

11. 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。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。 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。

12. 离子半径

13. 稀土元素的重要化合物 ①氢氧化物 ②氧化物 ③碱性氧化物 ④配合物

14. 配合物 ①类型和数目比d过渡元素要少得多。 ②Ln3+离子半径较大，配合物稳定性差。 ③Ln3+与配位体之间的作用力很弱，主要通过静电作用。

15. 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4f1~13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。

17. +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。

18. 稀土元素的应用 工业领域 医药领域 Magic Rare earth element 农业领域

19. 稀土元素在工业领域的应用 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。 1.冶金工业领域 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)。 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。 2.石油化工领域 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)。 3.玻璃工业领域 4.陶瓷工业领域 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75—80%。 5.电光源工业领域 6.材料工业领域

20. 磁性材料 优点： ①电动机的效率增强； ②电动汽车起动机的起动力会大大增加而体积却大大减小； ③家用电器能耗显著降低； ④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

21. 结构材料：使钢铁得到良好特性 贮氢材料：高容量充电电池的电极。 超导材料：混合稀土-钡-铜-氧超导体 发光材料：节能光源 大面积超薄型显示屏

22. 作用原理 （1）、微合金化作用 （2）、捕氢作用 （3）、与其它有害元素的作用

23. 钢液中加稀土 降至201ppm 复杂的硫化物 净化的钢液 排出氧化物 作用原理 （4）、稀土元素的脱硫、脱氧

24. 稀土元素在农业领域的应用 ①增加作物产量 ②改善作物品质 ③增强作物抗逆性 ④增加经济效益

25. 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。 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。 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。 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。 ① 对消化系统作用 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。 ② 对内分泌系统作用 ③ 对神经系统的作用 ④ 对人体皮肤的作用 ⑤对人体癌肿及爱滋病毒的作用

26. 稀土元素的分离 一是镧系元素之间的物理性质和化学性质十分相似 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）。 分离困难

27. 加热 分步析出 溶解 浓缩 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 ①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。

28. 阳离子交换树脂填充于柱子内 形成络合物的稀土就脱离离子交换树脂 待分离稀土从上到下流经柱子 稀土络合物分解 吸附于树脂上 稀土元素的分离 ②离子交换法

29. 稀土元素的分离 ②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。

30. 萃取 洗涤 反萃取 稀土元素的分离 ③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

31. 稀土元素的制备 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。 镧系元素的标准电极电势/V

32. 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-

33. 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 ： 阳极上可有CO，CO2及O2气放出。 阴极上析出稀土金属。 阴极 RE3+ + 3e- → RE 阳极 O2- + C → CO + 2e- 2O2- + C → CO2 + 4e- 2O2- → O2 +4e-

34. 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

35. 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）

36. 谢谢啊！