Что такое редкоземельные элементы - физические свойства и использование

В последние годы в мире все больше внимания уделяется редкоземельным элементам, и многие страны включили их в список ключевых металлических полезных ископаемых. Министерство энергетики США называет их «технологическими металлами". Таким образом, редкоземельные металлы стали стратегическими ресурсами, за которые конкурируют крупнейшие экономики мира.

Что такое редкоземельные элементы?

Редкоземельные элементы (РЗЭ) представляют собой набор из 17 металлических элементов. К ним относятся 15 лантаноидов в периодической таблице, а также скандий и иттрий. По различным свойствам и характеристикам 17 редкоземельных элементов обычно делят на 2 группы:

• Легкие редкоземельные элементы: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий.
• Тяжелые редкоземельные элементы: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, скандий, иттрий.

Где найти редкоземельные руды? Редкоземельные руды можно найти в Китае, Вьетнаме, Бразилии и т. д.

По мировым запасам редкоземельных полезных ископаемых Китай занимает первое место, Вьетнам — второе, а Бразилия — третье. Австралия, Россия, США и Канада также обладают богатыми ресурсами редкоземельных элементов. В последние годы в Индии, Южной Африке, Малайзии, Индонезии и других странах также были обнаружены крупные месторождения редкоземельных элементов.

Далее мы подробно объясним свойства и использование 17 редкоземельных элементов.

1. Лантан (La)

Лантан, мягкий, ковкий металл серебристо-белого цвета, является одним из наиболее реакционноспособных редкоземельных элементов. Ученые также называют его «суперкальцием" из-за его использования в пленках для преобразования света. Встречается в редкоземельных рудах.

Физические свойства лантана

Для чего используется лантан?

Металлический лантан позволяет производить никель-металлогидридные батареи и изготавливать специальное оптическое стекло. Он также используется в различных сплавах, таких как пьезоэлектрические материалы, пироэлектрические материалы, материалы с магнитным сопротивлением, люминесцентные материалы и лазерные материалы.

2. Церий (Се)

Церий представляет собой серебристо - серый активный металл, порошок которого легко окисляется в воздухе и растворяется в кислоте. Церий считается самым активным элементом из всех редкоземельных металлов, кроме европия.

Физические свойства церия

Для чего используется церий?

В качестве добавки к стеклу церий может поглощать ультрафиолетовые и инфракрасные лучи и широко используется в автомобильном стекле. Применение церия в автомобильном катализаторе выхлопных газов может эффективно снизить выбросы выхлопных газов автомобилей. Сульфид церия может окрашивать пластмассы, а также используется в таких отраслях, как покрытия, чернила и бумага.

3. Празеодим (Pr)

Празеодим представляет собой бледно-желтый металл, мягкий и пластичный. Празеодим и неодим — два элемента, открытые одновременно. Празеодим легко образует на воздухе зеленый хрупкий оксидный слой.

Физические свойства празеодима

Для чего используется празеодим?

Празеодим представляет собой большое количество редкоземельных металлов, используемых в стекле, керамике и магнитных материалах. Делает оранжево-желтую краску для керамики. Комбинации с неодимом и празеодимом делают мощные магниты известными своей прочностью и долговечностью.

4. Неодим (Nd)

Неодим мягкий серебристо-белый металл, содержащийся в основном в монаците. На воздухе быстро темнеет, образуя оксиды. Неодим связан с празеодимом, оба из которых являются лантаноидами с очень похожими свойствами.

Физические свойства неодима

Для чего используется неодим?

Самое широкое использование неодима - это материал постоянного магнита NdFeB - самый сильный из известных постоянных магнитов. Он известен как современный «король постоянных магнитов" и широко используется в электронике, машиностроении, аэрокосмической и других отраслях благодаря своим превосходным характеристикам. Неодим также используется для окраски стекла, искусственных рубинов и керамических материалов.

5. Прометий (Pm)

Прометий единственный природный радиоактивный редкоземельный элемент, известный как «искусственная ночная жемчужина". В темноте прометий светится бледно-голубым или зеленым цветом из-за высокой радиоактивности.

Физические свойства прометия

Для чего используется прометий?

В качестве источника тепла прометий обеспечивает вспомогательную энергию для обнаружения вакуума и искусственных спутников. Прометий также широко используется в сталелитейной, пластмассовой и бумажной промышленности.

6. Самарий (Sm)

Самарий серебристый металл средней твердости, твердости и плотности подобный цинку. Самарий составляет до 2,8% различных минералов, в том числе диатомовой земли, ниобита, монацита и бастнезита.

Физические свойства самария

Для чего используется самарий?

Самарий является сырьем для изготовления постоянных магнитов из самария и кобальта. Магниты из самария-кобальта — первые магниты из редкоземельных металлов, используемые в промышленности. Самарий используется в производстве лазерных материалов и инфракрасного оборудования, а также имеет важное применение в атомной энергетике.

7. Европий (Eu)

Европий является наименее плотным, самым мягким и наиболее летучим металлическим элементом среди редкоземельных элементов Европий, в основном встречающийся в монаците и бастнезите, является самым редким редкоземельным элементом.

Физические свойства европия

Для чего используется европий?

Европий использовался в качестве источника света, создавая видимый свет в люминесцентных лампах, что помогло популяризировать ранние цветные телевизоры. В последние годы оксид европия используется в стимулированных люминофорах в новых рентгеновских медицинских системах, при изготовлении цветных линз и оптических фильтров.

8. Гадолиний (Gd)

Гадолиний представляет собой серебристо-белый металл и считается самым особым элементом среди редкоземельных элементов. Гадолиний обладает магнитными свойствами при комнатной температуре, относительно стабилен в сухом воздухе и тускнеет во влажном воздухе.

Физические свойства гадолиния

Для чего используется гадолиний?

Гадолиний представляет собой редкоземельный элемент, вызывающий озабоченность в области здравоохранения, и находит применение в медицинской сфере. Он защищает ядерные реакторы и нейтронную радиографию. Это улучшает магнитно-резонансную томографию (МРТ), которая помогает в лечении опухолей и обнаружении роста опухоли. Кроме того, при использовании солей гадолиния путем охлаждения намагничивания он может быть близок к абсолютному нулю.

9. Тербий (Tb)

Тербий редкоземельный металл серебристо-серого цвета, токсичный. Он податлив и достаточно мягок, чтобы его можно было резать ножом. Тербий легко подвергается коррозии на воздухе при высокой температуре и очень медленно разъедает при комнатной температуре.

Физические свойства тербия

Для чего используется тербий?

Применение тербия в основном связано с высокотехнологичными передовыми проектами. Например, тербий может быть использован в активаторах, магнитооптических накопителях, магнитооптическом стекле и т. д. В последние годы начат массовый выпуск магнитооптических материалов из тербия. Они используются в качестве компонентов компьютерной памяти, а емкость памяти увеличивается в 10-15 раз.

10. Диспрозий (Dy)

Диспрозий мягкий серебристый металл с живой природой. Диспрозий обладает одной из самых высоких магнитных сил. Он быстро реагирует с водой и растворим в кислотах.

Физические свойства диспрозия

Для чего применяют диспрозий?

Диспрозий играет важную роль во многих областях высоких технологий. Диспрозий используется в качестве добавки к постоянным магнитам из редкоземельных металлов для повышения их эффективности при более высоких температурах. Диспрозий можно использовать для изготовления диспрозиевых ламп, которые обладают преимуществами высокой яркости, хорошего цвета и небольшого размера и используются в качестве источников света для фильмов и печати.

11. Гольмий (Hо)

Гольмий похож на диспрозий тем, что он мягкий и податливый. Гольмий стабилен в сухом воздухе и быстро окисляется при высоких температурах. Оксид гольмия является наиболее известным парамагнитным веществом.

Физические свойства гольмия

Для чего используется гольмий?

Сплавы гольмия создают концентраторы потока, создающие сильнейшие магнитные поля. Гольмий можно использовать в качестве добавки для металлогалогенных ламп, иттриевого железа и иттрий-алюминиевого граната. Он также широко используется в производстве устройств оптической связи.

12. Эрбий (Er)

Эрбий серебристо-серый металл с выдающимися оптическими свойствами и важный редкоземельный элемент в ядерной области. Эрбий сильно ферромагнитен вблизи абсолютного нуля и является сверхпроводником.

Физические свойства эрбия

Для чего используется эрбий?

Оксид эрбия (Er₂O₃) имеет розово-красный цвет и используется для изготовления глазури для керамики. Эрбий используется в вооруженных силах для лазерных дальномеров, а также может использоваться в качестве активатора для некоторых флуоресцентных материалов. Кроме того, эрбий можно использовать для обесцвечивания и окрашивания очковых линз и хрусталя.

13. Тулий (Tm)

Тулий второй по редкости металл в ряду лантанидов после прометия. Тулий имеет яркий серебристо-серый блеск и относительно стабилен на воздухе. Оксид тулия представляет собой светло-зеленый кристалл.

Физические свойства тулия

Для чего используется тулий?

Тулий используется в клинической диагностике и лечении опухолей из-за его высокого сродства к опухолевым тканям. Тулий используется в качестве добавки в новые источники света (металлогалогенные лампы), а также используется в качестве источника света для медицинских переносных рентгеновских аппаратов.

14. Иттербий (Yb)

Иттербий представляет собой серебристо-белый мягкий металл, блестящий и легко окисляющийся Оксид белого цвета Иттербий в основном встречается в ксенотиме и эвксените.

Физические свойства иттербия

Для чего используется иттербий?

Благодаря своим превосходным спектральным свойствам иттербий используется в качестве высококачественного лазерного материала, который можно использовать для изготовления лазерного стекла и волоконных лазеров. Иттербий также используется в материалах для защитных покрытий, материалах для датчиков давления, магнитострикционных материалах, высокотехнологичных добавках к сплавам.

15. Лютеций (Lu)

Последний из лантаноидов, лютеций, является самым твердым и плотным металлом среди редкоземельных элементов. Лютеций относительно стабилен на воздухе. Оксид лютеция представляет собой бесцветный кристалл.

Физические свойства лютеция

Для чего используется лютеций?

Лютеций можно использовать в технологии энергетических аккумуляторов. Стабильные нуклиды лютеция могут быть использованы в качестве катализаторов крекинга нефти, алкилирования, гидрирования и полимеризации. Кроме того, у лютеция есть несколько интересных применений. Изотопы лютеция, например, могут помочь определить возраст древних объектов.

16. Скандий (Sc)

Скандий, серебристо-белый металл, является одним из двух редкоземельных элементов, не относящихся к лантаноидам. Скандий в основном содержится в очень редком скандий-иттриевом камне, который быстро окисляется на воздухе и теряет свой блеск.

Физические свойства скандия

Где используется скандий?

В электронной промышленности скандий обычно используется в качестве различных полупроводниковых устройств. В металлургической промышленности скандий используется для изготовления сплавов для повышения их прочности, твердости и жаростойкости. В стекольной промышленности можно производить специальные стекла, содержащие скандий. В отрасли источников электрического света натриево-скандийные лампы обладают преимуществами высокой эффективности и положительного цвета света.

17. Иттрий (Y)

Иттрий, металл серо-черного цвета, является еще одним редкоземельным элементом, не относящимся к лантаноидам. В земной коре иттрий и церий являются двумя наиболее распространенными редкоземельными элементами, и они также были первыми обнаруженными редкоземельными элементами.

Физические свойства иттрия

Для чего используется иттрий?

Иттрий имеет множество применений в промышленности. В качестве добавки к стали и сплавам цветных металлов сплавы FeCr обычно содержат 0,5-4% иттрия, который может повысить стойкость к окислению и пластичность нержавеющей стали. Керамические материалы из нитрида кремния, содержащие 6% иттрия и 2% алюминия, могут использоваться для разработки компонентов двигателя.

Использованная литература

1. Факты о редкоземельных элементах
2. Редкоземельные элементы и их использование
3. Редкоземельные элементы: где они в мире?