Редкоземельные элементы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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 иттриевой. Позже, немецкий химик Мартин Клапрот разделил эти образцы на две «земли», для одной из которых он оставил имя иттриевой, а другую назвал цериевой (в честь недавно открытой малой планеты Церера, которая, в свою очередь, была названа 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 редкоземельных. 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 недавно открытой малой планеты 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 Юхана 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 шведской деревни Иттербю
69 Tm Тулий от старого названия Скандинавии
70 Yb Иттербий в честь шведской деревни Иттербю
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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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 другой.

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[править | править вики-текст]

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. По правилам Комиссии по новым минералам и названиям минералов (КНМНМ) Международной минералогической ассоциации (IMA) минералы с большим количеством редкоземельного элемента (или близких к редкоземельным иттрия и скандия) в составе получают специальный суффикс, «уточнитель Левинсона»[1], например, известны два минерала: гагаринит-(Y) с преобладанием иттрия и гагаринит-(Ce) с преобладанием церия.

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[править | править вики-текст]

В 20072008 гг. в мире добывалось по 124 тыс. т редкоземельных элементов. Причем лидировали следующие страны Китай (120,00 тыс. т, Баян-Обо), 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).[2]

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[3].

Применение[править | править вики-текст]

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.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Никель Е.Х., Грайс Д.Д. КНМНМ ММА: правила и руководства по номенклатуре минералов, 1998 // ЗВМО (Записки Всероссийского минералогического общества). — 1999. — № 2. — С. 61.
  2. MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2009
  3. Япония обнаружила огромные залежи редкоземельных материалов