sjældne jordarters grundstoffer | |
---|---|
Kort navn/titel | ree og rem |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Sjældne jordarters grundstoffer (Rare earth [1] ; forkortelse REE , engelsk TR , REE , REM ) - en gruppe på 17 grundstoffer , herunder scandium , yttrium , lanthan og lanthanider ( cerium , praseodym , neodym , promethium , samarium , europium . , terbium , dysprosium , holmium , erbium , thulium , ytterbium , lutetium ).
Sjældne jordarters grundstoffer udviser stor lighed mellem sig i kemiske og nogle fysiske egenskaber, hvilket forklares af den næsten identiske struktur af de ydre elektroniske niveauer af deres atomer . Alle af dem er sølv-hvide metaller , mens alle har lignende kemiske egenskaber (den mest karakteristiske oxidationstilstand er +3). Sjældne jordarters elementer er metaller , de opnås ved reduktion af de tilsvarende oxider , fluorider, elektrolyse af vandfri salte og andre metoder.
Ifølge kemiske egenskaber og samtidig forekomst i naturen er de opdelt i undergrupper:
Baseret på deres atommasse er lanthaniderne opdelt i:
Navnet "sjælden jord" (fra lat. terrae rarae - "sjælden jord ") blev givet på grund af det faktum, at de:
Navnet "sjældne jordelementer" udviklede sig historisk i slutningen af det 18. - begyndelsen af det 19. århundrede, da man fejlagtigt troede, at mineraler indeholdende elementer fra to underfamilier - cerium (lys - La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu ) og yttrium (tung - Y , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) er sjældne i jordskorpen. Men med hensyn til råmaterialereserver er sjældne jordarters grundstoffer ikke sjældne; med hensyn til total overflod overstiger de bly med 10 gange, molybdæn med 50 gange og wolfram med 165 gange.
Forkortelser accepteret i moderne videnskabelig litteratur:
I 1794 opdagede den finske kemiker Johan Gadolin , der undersøgte malmprøver nær den svenske by Ytterby (senere blev de sjældne jordarters grundstoffer yttrium , terbium , erbium og ytterbium opkaldt efter denne landsby ), en hidtil ukendt "sjælden jordart", som han opkaldt efter opdagelsesstedet yttrium .
Senere delte den tyske kemiker Martin Klaproth disse prøver i to "jordarter", for den ene efterlod han navnet yttrium, og den anden kaldte han cerium (til ære for den lille planet Ceres opdaget i 1801 , som igen var opkaldt efter den gamle romerske gudinde Ceres ).
Lidt senere lykkedes det den svenske videnskabsmand Karl Mosander at isolere flere "lande" fra den samme prøve. Alle viste sig at være oxider af nye grundstoffer, kaldet sjældne jordarter. På grund af vanskeligheden ved at adskille oxider talte falske meddelelser om opdagelsen af nye sjældne jordarters grundstoffer i tiere. Sammen havde kemikere i 1907 opdaget og identificeret i alt 16 sådanne grundstoffer . Baseret på undersøgelsen af røntgenegenskaber blev alle grundstoffer tildelt atomnumre 21 ( skandium ), 39 (yttrium) og 57 ( lanthan ) til 71 ( lutetium ), undtagen 61.
I rækkefølge efter stigende atomvægt er de arrangeret som følger:
Z | Symbol | Navn | Etymologi |
---|---|---|---|
21 | sc | Scandium | til ære for Skandinavien |
39 | Y | Yttrium | efter den svenske landsby Ytterby |
57 | La | Lanthanum | fra det græske "hemmelighedsfuld" |
58 | Ce | Cerium | til ære for den lille planet Ceres , til gengæld opkaldt efter gudinden Ceres |
59 | Pr | Praseodym | fra det græske "grøn tvilling", på grund af den grønne linje i spektret |
60 | Nd | neodym | fra det græske "ny tvilling" |
61 | Om eftermiddagen | Promethium | på vegne af den mytiske helt Prometheus , der stjal ild fra Zeus og gav den til folk. |
62 | sm | Samarium | opkaldt efter mineralet samarskit , hvori det blev opdaget |
63 | Eu | Europium | til ære for Europa |
64 | Gd | Gadolinium | til ære for Johan Gadolin |
65 | Tb | Terbium | efter den svenske landsby Ytterby |
66 | D y | Dysprosium | fra det græske "svært at nå" |
67 | Ho | Holmium | til ære for Stockholm |
68 | Eh | Erbium | efter den svenske landsby Ytterby |
69 | Tm | Thulium | fra det gamle navn for Skandinavien |
70 | Yb | Ytterbium | efter den svenske landsby Ytterby |
71 | Lu | Lutetium | fra det gamle romerske navn for Paris |
Til at begynde med var celle nummer 61 tom, senere blev dette sted taget af promethium, isoleret fra uranfissionsprodukter og blev det 17. medlem af denne familie.
Scandium, yttrium og lanthanider er meget reaktive. Den kemiske aktivitet af disse elementer er især mærkbar ved forhøjede temperaturer. Når de opvarmes til 300-400 ° C, reagerer metaller selv med brint og danner RH 3 og RH 2 (symbolet R udtrykker et atom af et sjældent jordarters element). Disse forbindelser er stærke nok og har en saltkarakter. Når de opvarmes i oxygen, reagerer metaller let med det og danner oxider: R 2 O 3 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , Tb 4 O 7 (kun Sc og Y , gennem dannelsen af en beskyttende oxidfilm, er modstandsdygtige over for luft , selv ved opvarmning til 1000 °C). Under forbrændingen af disse metaller i en iltatmosfære frigives en stor mængde varme. Ved afbrænding af 1 g lanthan frigives 224,2 kcal varme. For cerium er et karakteristisk træk egenskaben ved pyroforicitet - evnen til at gnist, når metallet skæres i luft.
Lanthan, cerium og andre metaller reagerer allerede ved almindelige temperaturer med vand og ikke-oxiderende syrer og frigiver brint. På grund af den høje aktivitet over for atmosfærisk ilt og vand bør stykker af lanthan, cerium, praseodym, neodym og europium opbevares i paraffin, resten af de sjældne jordarters metaller oxiderer dårligt (med undtagelse af samarium, som er dækket af en film af oxider, men er ikke fuldstændig tæret af det) og kan opbevares under normale forhold uden antioxidanter.
Den kemiske aktivitet af sjældne jordarters metaller er ikke den samme. Fra scandium til lanthan stiger den kemiske aktivitet, og i serien falder lanthan - lutetium. Det følger heraf, at det mest aktive metal er lanthan. Dette skyldes et fald i grundstoffernes atomradius fra lanthan til lutetium på den ene side og fra lanthan til scandium på den anden side.
Effekten af "lanthanidkontraktion" (kompression) fører til, at følgende grundstoffer efter lanthaniderne (hafnium, tantal, wolfram, rhenium, osmium, iridium, platin) har reduceret atomradius med 0,2-0,3 Å, derfor er de meget ens. egenskaber med egenskaberne for de tilsvarende elementer i den femte periode.
I grundstofferne - scandium, yttrium, lanthan - er d - skallen af det næstsidste elektronlag lige begyndt at dannes, så atomernes radius og aktiviteten af metaller i denne gruppe stiger fra top til bund. Ved denne egenskab adskiller gruppen sig fra andre sekundære undergrupper af metaller, hvor rækkefølgen af ændring i aktivitet er modsat.
Da radius af yttrium atomet (0,89 Å) er tæt på radius af holmium atom (0,894 Å), bør dette metal optage en af de næstsidste pladser mht. aktivitet. Scandium bør på grund af sin aktivitet placeres efter lutetium. I denne serie er metallers virkning på vand svækket.
Sjældne jordarters grundstoffer udviser oftest en oxidationstilstand på +3. På grund af dette er de mest karakteristiske oxider R 2 O 3 - faste, stærke og ildfaste forbindelser. Da de er basiske oxider, er de for de fleste grundstoffer i stand til at kombinere med vand og danne baser - R (OH) 3 . Hydroxider af sjældne jordarters metaller er tungtopløselige i vand. R 2 O 3 's evne til at kombinere med vand, det vil sige hovedfunktionen, og opløseligheden af R (OH) 3 falder i samme rækkefølge som aktiviteten af metaller: Lu (OH) 3 og især Sc (OH ) ) 3 , udviser nogle amfotere egenskaber . Så ud over en opløsning af Sc (OH) 3 i koncentreret NaOH blev et salt opnået: Na 3 Sc (OH) 6 2H 2 O.
Da metallerne i denne undergruppe er aktive, og deres salte med stærke syrer er opløselige, opløses de let i både ikke-oxiderende syrer og oxiderende syrer.
Alle sjældne jordarters metaller reagerer kraftigt med halogener, hvilket skaber RHal 3 (Hal er halogen ). De reagerer også med svovl og selen, men når de opvarmes.
Som regel forekommer sjældne jordarters elementer sammen i naturen. De danner meget stærke oxider, halogenforbindelser, sulfider. For lanthanider er forbindelser af trivalente grundstoffer mest karakteristiske. En undtagelse er cerium, som let omdannes til den tetravalente tilstand. Foruden cerium danner tetravalente forbindelser praseodym og terbium. Divalente forbindelser kendes fra samarium, europium og ytterbium. Lanthanidernes fysisk-kemiske egenskaber ligger meget tæt på hinanden. Dette skyldes det særlige ved strukturen af deres elektronskaller.
Det samlede indhold af sjældne jordarters grundstoffer er mere end 100 g/t. Der kendes mere end 250 mineraler, der indeholder sjældne jordarters grundstoffer. Men kun 60-65 mineraler, hvor indholdet af Me 2 O 3 overstiger 5-8 %, kan klassificeres som egentlige sjældne jordarters mineraler. De vigtigste sjældne jordarters mineraler er monazit (Ce, La)PO 4 , xenotime YPO 4 , bastnäsit Ce[CO 3 ](OH, F), parisit Ca(Ce, La) 2 [CO 3 ] 3 F 2 , gadolinit Y 2 FeBe 2 Si 2 O 10 , orthit (Ca, Ce) 2 (Al, Fe) 3 Si 3 O 12 (O, OH), loparit (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb) O 3 , aeschinit (Ce, Ca, Th)(Ti , Nb ) 206 . Den mest almindelige i jordskorpen er cerium , den mindste - thulium og lutetium . I henhold til reglerne fra Commission on New Minerals and Mineral Names (CNMNM) fra International Mineralogical Association (IMA) modtager mineraler med en stor mængde af sjældne jordarters grundstof (eller tæt på sjældne jordarters yttrium og skandium ) i sammensætningen et særligt suffiks, "Levinson's refiner" [2] , for eksempel, kendes to mineraler: yttriumdomineret gagarinit- (Y) og ceriumdomineret gagarinit-(Ce).
På trods af ubegrænset isomorfisme, i gruppen af sjældne jordarter, under visse geologiske forhold, er en separat koncentration af sjældne jordarter i undergrupperne yttrium og cerium mulig. For eksempel med alkaliske bjergarter og tilhørende postmagmatiske produkter udvikles cerium-undergruppen overvejende, mens med postmagmatiske produkter af granitoider med øget alkalinitet udvikles yttrium-undergruppen. De fleste fluorcarbonater er beriget med elementer fra cerium-undergruppen. Mange tantaloniobater indeholder en yttrium-undergruppe, mens titanater og titan-tantaloniobater indeholder en cerium-undergruppe. En vis differentiering af sjældne jordarter er også bemærket under eksogene forhold. Den isomorfe substitution af sjældne jordarter indbyrdes, på trods af forskellen i deres serienumre, skyldes fænomenerne "lanthanidkompression": med en stigning i serienummeret fuldføres de indre, snarere end eksterne, elektronbaner, som en som følge af, at mængden af ioner ikke stiger.
Den selektive akkumulering af sjældne jordarters grundstoffer i mineraler og bjergarter kan skyldes forskelle i deres ionradier. Faktum er, at radierne af lanthanidioner naturligt falder fra lanthan til lutetium. Som et resultat er overvejende isomorf substitution mulig, afhængigt af graden af forskel i størrelserne af de substituerede sjældne jordarters ioner. Så i scandium-, zirconium- og manganmineraler kan kun sjældne jordarter af lutetium-dysprosium-serien være til stede; mineraler i den midterste del af serien (yttrium, dysprosium, gadolinium) akkumuleres overvejende i uranmineraler; elementer fra ceriumgruppen bør være koncentreret i thoriummineraler; strontium- og bariummineraler kan kun indeholde elementer fra europium-lanthan-serien.
Indtil begyndelsen af 1990'erne var USA hovedproducenten [3] ( Mountain Pass field ). I 1986 producerede verden 36.500 tons oxider af sjældne jordarters metaller. Af disse er 17.000 tons i USA, 8.500 tons i USSR og 6.000 tons i Kina. I 1990'erne blev industrien moderniseret i Kina med deltagelse af staten. Siden midten af 1990'erne er Kina blevet den største producent. I 2007-2008 producerede verden 124 tusinde tons sjældne jordarters grundstoffer om året. Kina var i spidsen og producerede op til 120 tusinde tons på Bayan-Obo- feltet , ejet af det statslige selskab Indre Mongoliet Baotou Steel Rare-Earth. I Indien 2.700 tons, Brasilien 650 tons. I 2010'erne førte Kina en politik om at begrænse udvindingen og eksporten af sjældne jordarters metaller, hvilket stimulerede prisstigninger og øgede produktionen i andre lande [4] .
Ved udgangen af 2008 er dataene om reserver som følger: Kina 89 millioner tons, CIS 21 millioner tons, USA 14 millioner tons, Australien (5,8 millioner tons), Indien 1,3 millioner tons, Brasilien 84 tusinde tons [5] .
I 2011 opdagede et japansk hold aflejringer af sjældne jordmalm på bunden af Stillehavet ved at teste jordprøver fra 80 steder fra dybder på 3,5 til 6 km. Ifølge nogle skøn kan disse aflejringer indeholde op til 80-100 milliarder tons sjældne jordarters materialer [6] [7] . Koncentrationen af grundstoffer i malmen blev estimeret til op til 1-2,2 promille for yttrium og op til 0,2-0,4 promille for tung REE; de bedste underjordiske aflejringer har en størrelsesorden højere koncentration [8] [9] .
I USSR og RuslandI USSR er der siden 1950'erne udført industriel udvinding af sjældne jordarters metaller i RSFSR, i Kasakhstan, Kirgisistan, Estland og Ukraine og nåede op på 8.500 tons om året [3] . Efter Sovjetunionens sammenbrud og det industrielle kollaps begyndte produktionskæderne til at opnå sjældne jordarter at gå i opløsning [10] . Dette blev lettet af den relative fattigdom af malmene i de vigtigste forekomster.
Den store indenlandske råvarebase af sjældne jordarters metaller er hovedsageligt bundet til apatit - nefelinaflejringer i Murmansk-regionen [11] .
Den største producent af sjældne jordarters produkter i Rusland er Solikamsk Magnesium Plant . Virksomheden producerer faktisk halvfabrikata - karbonater og oxider af samarium, europium, gadolinium, lanthan, neodym, promethium, cerium [11] .
I 2010 etablerede Rosatom og Rostec en arbejdsgruppe om sjældne jordarters grundstoffer [3] . I 2013 vedtager ministeriet for industri og handel et program til udvikling af udvinding af sjældne jordarters grundstoffer til en værdi af 145 milliarder rubler. indtil 2020. I 2016 nulstilles mineraludvindingsafgiften for sjældne jordarters grundstoffer [12] .
I 2014 begyndte udviklingen af projekter til udvikling af verdens største Tomtor- forekomst i Yakutia og opførelsen af et nyt Krasnokamensk hydrometallurgisk anlæg i Trans-Baikal-territoriet [13] . Produktionsstart er planlagt til 2023. Det er planlagt at producere omkring 14.000 tons ferroniob og omkring 16.000 tons REM-oxider [14] . I 2016 blev en butik til forarbejdning af apatitmalme med en kapacitet på 200 tons separerede oxider af sjældne jordarters grundstoffer lanceret på Novgorod-fabrikken hos Acron Company [15] [16] [17] . I 2018, i byen Korolev nær Moskva , blev der iværksat en eksperimentel produktion med produktion af oxider af individuelle grundstoffer: La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Nd 2 O 3 med en kapacitet på 130 tons [18] . Det er planlagt at genoptage produktionen af en fuld cyklus med en kapacitet på op til 3600 tons separerede oxider på basis af Solikamsk magnesiumfabrikken i Perm-regionen [19] .
Sjældne jordarters elementer bruges i forskellige grene af teknologi: i radioelektronik , instrumentfremstilling , atomteknik, maskinteknik , kemisk industri , metallurgi osv. La, Ce, Nd, Pr er meget udbredt i glasindustrien i form af oxider og andre forbindelser. Disse elementer øger glassets gennemskinnelighed . Sjældne jordarters elementer er en del af specielle briller, der transmitterer infrarøde stråler og absorberer ultraviolette stråler , syre- og varmebestandige glas. Sjældne jordarters grundstoffer og deres forbindelser har fået stor betydning i den kemiske industri, for eksempel i fremstillingen af pigmenter, lak og maling, og i olieindustrien som katalysatorer . Sjældne jordarter bruges i produktionen af nogle sprængstoffer , specialstål og legeringer som getters . Enkeltkrystalforbindelser af sjældne jordarters grundstoffer (såvel som briller) bruges til at skabe laser og andre optisk aktive og ikke-lineære elementer i optoelektronik. Baseret på Nd, Y, Sm, Er, Eu med Fe-B opnås legeringer med rekordmagnetiske egenskaber (høje magnetiserings- og tvangskræfter) til at skabe permanente magneter med enorm kraft sammenlignet med simple ferrolegeringer.
Forbruget af sjældne jordarters metaller i Rusland er nu omkring 2.000 tons om året. Cirka 70% bruges i elektronik, flere hundrede tons om året er også nødvendige til produktion af katalysatorer til olieraffinering, en mindre mængde bruges til produktion af magneter og optik. Generelt bruges kun omkring en fjerdedel af sjældne jordarters metaller i Rusland til produktion af civile produkter, resten - til produktion af militærtekniske produkter. De vigtigste forbrugere af sjældne jordarters metaller i Rusland er virksomheder, der er en del af Rostec-strukturen: Roselectronics, United Engine Corporation, Shvabe holding osv. [11] .
Mange sjældne jordarters grundstoffer spiller ikke en udtalt biologisk rolle i den menneskelige krop (for eksempel scandium , ytterbium , lutetium , thulium og andre). Den systemiske toksicitet af mange sjældne jordarters metaller er lav.
![]() |
|
---|---|
I bibliografiske kataloger |
|
Sjældne jordarters metaller | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Periodiske system | |
---|---|
Formater |
|
Varelister efter | |
Grupper | |
Perioder | |
Familier af kemiske grundstoffer |
|
Periodisk tabel blok | |
Andet | |
|