ritkaföldfém elemek | |
---|---|
Rövid név/cím | ree és rem |
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon |
Ritkaföldfém elemek (Rare Earth [1] ; rövidítés : REE , angolul TR , REE , REM ) - 17 elemből álló csoport , köztük szkandium , ittrium , lantán és lantanidok ( cérium , prazeodímium , neodímium , prométium , szamárium , eurogadolium , szamárium ). , terbium , dysprosium , holmium , erbium ,tulium , itterbium , lutécium ).
A ritkaföldfém-elemek kémiai és bizonyos fizikai tulajdonságaikban nagy hasonlóságot mutatnak egymás között, ami az atomjaik külső elektronszintjeinek csaknem azonos szerkezetével magyarázható . Mindegyik ezüst-fehér fém , miközben mindegyik hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkezik (a legjellemzőbb oxidációs állapot +3). A ritkaföldfémek fémek , amelyeket a megfelelő oxidok , fluoridok redukciójával, vízmentes sók elektrolízisével és más módszerekkel állítanak elő.
Kémiai tulajdonságaik és a természetben való együttes előfordulása szerint alcsoportokra oszthatók:
Atomtömegük alapján a lantanidok a következőkre oszthatók:
A "ritkaföldfém" ( lat. terrae rarae - "ritkaföld " szóból ) elnevezést azért kapták, mert:
A "ritkaföldfém elemek" elnevezés történelmileg a 18. század végén - a 19. század elején alakult ki, amikor tévesen azt hitték, hogy az ásványok két alcsalád - cérium (light - La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu) elemeit tartalmazzák. ) és ittrium (nehéz - Y , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) ritka a földkéregben. A ritkaföldfémek azonban nyersanyagtartalékot tekintve nem ritkák, összbőségüket tekintve 10-szer haladják meg az ólmot , 50-szer a molibdént , 165-ször a volfrámét .
A modern szakirodalomban elfogadott rövidítések:
1794-ben Johan Gadolin finn kémikus a svéd Ytterby város közelében található ércmintákat kutatva ( később a ritkaföldfém elemek ittrium , terbium , erbium és itterbium nevét kapták erről a faluról ) egy eddig ismeretlen "ritkaföldfémet" fedezett fel. a felfedezés helyéről elnevezett ittrium .
Később Martin Klaproth német kémikus két "földre" osztotta ezeket a mintákat, amelyek közül az egyikre ittrium nevet hagyott, a másikat cériumnak nevezte ( az 1801-ben felfedezett Ceres kisbolygó tiszteletére , amely viszont Ceres ókori római istennőről nevezték el ).
Kicsit később Karl Mosander svéd tudósnak sikerült még több "földet" elkülönítenie ugyanabból a mintából. Mindegyikről kiderült, hogy új elemek oxidjai, úgynevezett ritkaföldfémek. Az oxidok szétválasztásának nehézségei miatt az új ritkaföldfém-elemek felfedezéséről szóló hamis bejelentések tízesek. 1907-re a vegyészek együttesen összesen 16 ilyen elemet fedeztek fel és azonosítottak . A röntgentulajdonságok vizsgálata alapján minden elem 21-es ( szkándium ), 39-es (itrium) és 57-es ( lantán ) atomszámmal 71-ig ( lutécium ) kapott, kivéve a 61-et.
Az atomtömeg növelésének sorrendjében a következőképpen vannak elrendezve:
Z | Szimbólum | Név | Etimológia |
---|---|---|---|
21 | sc | Scandium | Skandinávia tiszteletére |
39 | Y | Ittrium | a svéd Ytterby falu után |
57 | La | Lantán | a görögből "titkos" |
58 | Ce | Cérium | a Ceres kisbolygó tiszteletére , amelyet Ceres istennőről neveztek el |
59 | Pr | Prazeodímium | a görögből "zöld iker", a spektrumban lévő zöld vonal miatt |
60 | Nd | neodímium | a görögből "új iker" |
61 | Délután | Promethium | a mitikus hős, Prométheusz nevében , aki tüzet lopott Zeusztól és odaadta az embereknek. |
62 | sm | Szamárium | a szamarszkit ásványról nevezték el , amelyben felfedezték |
63 | Eu | Europium | Európa tiszteletére |
64 | Gd | Gadolínium | Johan Gadolin tiszteletére |
65 | Tuberkulózis | Terbium | a svéd Ytterby falu után |
66 | Dy | Dysprosium | a görögből "nehéz elérni" |
67 | Ho | Holmium | Stockholm tiszteletére |
68 | Er | Erbium | a svéd Ytterby falu után |
69 | Tm | Túlium | Skandinávia régi nevéből |
70 | Yb | Itterbium | a svéd Ytterby falu után |
71 | Lu | Lutetium | Párizs ókori római nevéből |
Kezdetben a 61-es számú cella üres volt, később ezt a helyet az uránhasadási termékekből izolált prométium foglalta el, és ennek a családnak a 17. tagja lett.
A szkandium, ittrium és lantanidok nagyon reaktívak. Ezen elemek kémiai aktivitása különösen magas hőmérsékleten figyelhető meg. 300-400 °C-ra hevítve a fémek még a hidrogénnel is reakcióba lépnek , és RH 3 és RH 2 képződnek (az R szimbólum egy ritkaföldfém elem atomját fejezi ki). Ezek a vegyületek elég erősek és sós karakterűek. При нагревании в кислороде металлы легко реагируют с ним, образуя оксиды: R 2 O 3 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , Tb 4 O 7 (лишь только Sc и Y при помощи образования защитной оксидной плёнки являются стойкими на воздухе, даже при нагревании 1000 °C-ig). Ezeknek a fémeknek az oxigén atmoszférában történő égése során nagy mennyiségű hő szabadul fel. 1 g lantán elégetésekor 224,2 kcal hő szabadul fel. A cériumra jellemző a piroforitás tulajdonsága - a szikraképződés képessége, amikor a fémet levegőben vágják.
A lantán, a cérium és más fémek már normál hőmérsékleten reagálnak vízzel és nem oxidáló savakkal, és hidrogént szabadítanak fel. A légköri oxigénnel és vízzel szembeni nagy aktivitás miatt a lantán, cérium, prazeodímium, neodímium és európium darabokat paraffinban kell tárolni, a többi ritkaföldfém rosszul oxidálódik (kivéve a szamáriumot, amelyet fóliával borítanak of oxides, but is not completely corroded by it) and can be store under normal conditions without antioxidants.
A ritkaföldfémek kémiai aktivitása nem azonos. A szkandiumtól a lantánig a kémiai aktivitás nő, a lantán - lutécium sorozatban pedig csökken. Ebből következik, hogy a legaktívabb fém a lantán. Ennek oka egyrészt az elemek atomi sugarának csökkenése a lantántól a lutéciumig, másrészt a lantántól a szkandiumig.
A "lantanid összehúzódás" (kompresszió) hatása oda vezet, hogy a lantanidok (hafnium, tantál, volfrám, rénium, ozmium, irídium, platina) után a következő elemek atomi sugara 0,2-0,3 Å-rel csökkent, ezért nagyon hasonlóak tulajdonságok az ötödik periódus megfelelő elemeinek tulajdonságaival.
Az elemekben - szkandium, ittrium, lantán - az utolsó előtti elektronréteg d - héja még csak most kezd kialakulni, így az atomok sugara és az ebbe a csoportba tartozó fémek aktivitása felülről lefelé növekszik. Ezzel a tulajdonságával különbözik a csoport a fémek más másodlagos alcsoportjaitól, amelyekben az aktivitás változási sorrendje ellentétes.
Mivel az ittrium atom sugara (0,89 Å) közel van a holmium atom sugarához (0,894 Å), ennek a fémnek az utolsó előtti helyek egyikét kell elfoglalnia aktivitását tekintve. A Scandiumnak aktivitása miatt a lutécium után kell elhelyezkednie. Ebben a sorozatban a fémek vízre gyakorolt hatása gyengül.
A ritkaföldfémek leggyakrabban +3 oxidációs állapotot mutatnak. Emiatt a legjellemzőbbek az R 2 O 3 oxidok - szilárd, erős és tűzálló vegyületek. Mivel bázikus oxidok, a legtöbb elem esetében képesek egyesülni vízzel és bázisokat létrehozni - R (OH) 3 . A ritkaföldfémek hidroxidjai gyengén oldódnak vízben. Az R 2 O 3 vízzel való egyesülési képessége, vagyis a fő funkciója, és az R (OH) 3 oldhatósága ugyanabban a sorrendben csökken, mint a fémek aktivitása: Lu (OH) 3 és különösen Sc (OH ) ) 3 , néhány amfoter tulajdonságot mutatnak . Tehát az Sc (OH) 3 tömény NaOH -ban készült oldatán kívül egy sót kaptunk: Na 3 Sc (OH) 6 2H 2 O.
Mivel ennek az alcsoportnak a fémei aktívak, erős savakkal alkotott sóik pedig oldódnak, könnyen oldódnak nem oxidáló savakban és oxidáló savakban egyaránt.
Minden ritkaföldfém heves reakcióba lép a halogénekkel, így RHal 3 keletkezik (Hal jelentése halogén ). Kénnel és szelénnel is reagálnak, de hevítés közben.
A ritkaföldfémek általában együtt fordulnak elő a természetben. Nagyon erős oxidokat, halogénvegyületeket, szulfidokat képeznek. A lantanidok esetében a három vegyértékű elemek vegyületei a legjellemzőbbek. Kivételt képez a cérium, amely könnyen átalakul négyértékű állapotba. A cériumon kívül a négy vegyértékű vegyületek prazeodímiumot és terbiumot alkotnak. Két vegyértékű vegyületek ismertek a szamáriumból, az európiumból és az itterbiumból. A lantanidok fizikai-kémiai tulajdonságai nagyon közel állnak egymáshoz. Ennek oka az elektronhéjaik szerkezetének sajátossága.
A ritkaföldfém-elemek össztartalma több mint 100 g/t. Több mint 250 ritkaföldfém elemeket tartalmazó ásvány ismeretes. Azonban csak 60-65 olyan ásvány sorolható a ritkaföldfém ásványok közé, amelyekben a Me 2 O 3 tartalom meghaladja az 5-8%-ot. A fő ritkaföldfém ásványok a monacit (Ce, La)PO 4 , xenotime YPO 4 , bastnäsite Ce[CO 3 ](OH, F), parizit Ca(Ce, La) 2 [CO 3 ] 3 F 2 , gadolinit Y 2 FeBe 2 Si 2 O 10 , ortit (Ca, Ce) 2 (Al, Fe) 3 Si 3 O 12 (O, OH), loparrit (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb)O 3 , эшинит (Ce, Ca , Th) (Ti, Nb) 2 O 6 . A földkéregben a legelterjedtebb a cérium , a legkevésbé a tulium és a lutécium . According to the rules of the Commission on New Minerals and Mineral Names (CNMNM) of the International Mineralogical Association (IMA), minerals with a large amount of the rare earth element (or close to the rare earth yttrium and scandium ) in the composition receive egy speciális utótag, a "Levinson-finomító" [2] például két ásvány ismert: az ittriumban dominált gagarinit- (Y) és a cériumban dominált gagarinit (Ce).
A korlátlan izomorfizmus ellenére a ritkaföldfémek csoportjában bizonyos geológiai körülmények között lehetséges az ittrium és cérium alcsoport ritkaföldfémeinek külön koncentrációja. Például a lúgos kőzeteknél és a kapcsolódó posztmagmatikus termékeknél túlnyomórészt a cérium alcsoport, míg a fokozott lúgosságú granitoidok posztmagmatikus termékeinél az ittrium alcsoport. A legtöbb fluor-karbonát a cérium alcsoport elemeivel dúsított. Sok tantalo-niobát ittrium alcsoportot tartalmaz, míg a titanátok és titán-tantalo-niobátok cérium alcsoportot tartalmaznak. Exogén körülmények között is megfigyelhető a ritkaföldfémek némi differenciálódása. A ritkaföldfémek egymás közötti izomorf szubsztitúciója a sorozatszámuk különbsége ellenére a "lantanid kompresszió" jelenségeinek köszönhető: a sorozatszám növekedésével a belső, nem pedig a külső elektronpályák teljesednek ki, mint egy aminek eredményeként az ionok térfogata nem növekszik.
A ritkaföldfémek ásványokban és kőzetekben való szelektív felhalmozódása az ionsugár eltéréseiből adódhat. A tény az, hogy a lantanidionok sugara természetesen csökken a lantánról a lutéciumra. Ennek eredményeként túlnyomórészt izomorf szubsztitúció lehetséges, attól függően, hogy a helyettesített ritkaföldfém-ionok méretében milyen különbség van. Tehát a szkandium-, cirkónium- és mangánásványokban csak a lutécium-dysprosium sorozat ritkaföldfémjei lehetnek jelen; a sorozat középső részének ásványai (itrium, diszprózium, gadolínium) túlnyomórészt az uránásványokban halmozódnak fel; a cériumcsoport elemeit a tóriumos ásványokban kell koncentrálni; a stroncium és bárium ásványok csak az europium-lantán sorozat elemeit tartalmazhatják.
Az 1990-es évek elejéig az Egyesült Államok volt a fő termelő [3] ( Mountain Pass field ). 1986-ban a világ 36 500 tonna ritkaföldfém-oxidot állított elő. Ebből 17 000 tonna az USA-ban, 8 500 tonna a Szovjetunióban és 6 000 tonna Kínában található. Az 1990-es években Kínában az állam részvételével modernizálták az ipart. Az 1990-es évek közepe óta Kína lett a legnagyobb termelő. 2007-2008-ban a világ évente 124 ezer tonna ritkaföldfémet állított elő. Kína volt az élen , 120 ezer tonnáig termelt a Bayan-Obo mezőn , amely az Inner Mongolia Baotou Steel Rare-Earth állami vállalat tulajdonában volt. Indiában 2700 tonna, Brazíliában 650 tonna. A 2010-es években Kína a ritkaföldfémek kitermelését és exportját korlátozó politikát folytatott, ami ösztönözte az áremelkedést és a termelés növekedését más országokban [4] .
2008 végén a készletekre vonatkozó adatok a következők: Kína 89 millió tonna, FÁK 21 millió tonna, USA 14 millió tonna, Ausztrália (5,8 millió tonna), India 1,3 millió tonna, Brazília 84 ezer tonna [5] .
2011-ben egy japán csapat ritkaföldfémérc-lelőhelyeket fedezett fel a Csendes-óceán fenekén úgy, hogy 80 helyről vett talajmintákat teszteltek 3,5-6 km mélységből. Az elemek koncentrációját az ércben ittrium esetében 1-2,2 ezrelékre, nehéz REE esetében 0,2-0,4 ezrelékre becsülték; a legjobb földalatti lelőhelyeken nagyságrenddel nagyobb a koncentráció [8] [9] .
A Szovjetunióban és OroszországbanA Szovjetunióban a ritkaföldfémek ipari kitermelését az 1950-es évek óta végzik az RSFSR-ben, Kazahsztánban, Kirgizisztánban, Észtországban és Ukrajnában, és elérte az évi 8500 tonnát [3] . A Szovjetunió összeomlása és az ipari összeomlás után a ritkaföldfémek előállítására szolgáló termelési láncok felbomlásnak indultak [10] . Ezt elősegítette a főbb lelőhelyek érceinek viszonylagos szegénysége.
A ritkaföldfémek hatalmas hazai nyersanyagbázisa főként a murmanszki régióban található apatit - nefelin lelőhelyekhez kötődik [11] .
A vállalkozás valójában félkész termékeket állít elő - szamárium, európium, gadolínium, lantán, neodímium, prométium, cérium karbonátjait és oxidjait [11] .
2010-ben a Rosatom és a Rostec munkacsoportot hozott létre a ritkaföldfém-elemekkel [3] . 2013-ban az Ipari és Kereskedelmi Minisztérium 145 milliárd rubel értékű programot fogad el a ritkaföldfémek kitermelésének fejlesztésére. 2020-ig.
2014-ben megkezdődött a világ legnagyobb jakutiai Tomtor -lelőhelyének fejlesztésére irányuló projektek kidolgozása, valamint egy új Krasznokamensk hidrometallurgiai üzem építése a Transzbajkál Területen [13] . A gyártás megkezdését 2023-ra tervezik. Körülbelül 14 000 tonna ferronióbium és körülbelül 16 000 tonna REM-oxid előállítását tervezik [14] . 2016-ban az Acron Company [15] [16] [17] novgorodi üzemében beindították az évi 200 tonna ritkaföldfém-elemek szeparált oxidjainak kapacitását biztosító apatit ércek feldolgozására szolgáló üzletet . A tervek szerint a permi régióban található szolikamski magnéziumüzemben egy teljes ciklus 3600 tonna leválasztott oxid kapacitással történő újratermelését folytatnák [19] .
A ritkaföldfém elemeket a technológia különböző ágaiban használják: rádióelektronikában , műszergyártásban , atomtechnikában, gépészetben , vegyiparban , kohászatban stb. Az üvegiparban az La, Ce, Nd, Pr széles körben használják oxidok formájában. és egyéb vegyületek. Ezek az elemek növelik az üveg áttetszőségét . A ritkaföldfém elemek az infravörös sugarakat továbbító és az ultraibolya sugarakat elnyelő speciális célú üvegek, valamint a sav- és hőálló üvegek részét képezik. A ritkaföldfémek és vegyületeik nagy jelentőséget kaptak a vegyiparban, például a pigmentek, lakkok és festékek gyártásában, valamint az olajiparban katalizátorként . A ritkaföldfémeket egyes robbanóanyagok , speciális acélok és ötvözetek gyártásánál getterként használják fel . A ritkaföldfém-elemek (valamint az üvegek) egykristályos vegyületeit lézerek és más optikailag aktív és nemlineáris elemek létrehozására használják az optoelektronikában.
A ritkaföldfémek fogyasztása Oroszországban jelenleg körülbelül 2000 tonna évente. Körülbelül 70%-át az elektronikában használják fel, évente több száz tonnára van szükség az olajfinomításhoz szükséges katalizátorok gyártásához is, kisebb mennyiséget a mágnesek és az optika gyártásában használnak fel. Általánosságban elmondható, hogy Oroszországban a ritkaföldfémek csak körülbelül egynegyedét használják polgári termékek előállítására, a többit katonai-műszaki termékek előállítására. A ritkaföldfémek fő fogyasztói Oroszországban a Rostec struktúrához tartozó vállalatok: Roselectronics, United Engine Corporation, Shvabe holding stb. [11] .
Sok ritkaföldfém elem nem játszik kifejezett biológiai szerepet az emberi szervezetben (például szkandium , itterbium , lutécium , tulium és mások). Számos ritkaföldfém szisztémás toxicitása alacsony.
![]() |
|
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|
Ritkaföldfémek | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Periódusos táblázat | |
---|---|
Formátumok |
|
A tételek listája szerint | |
Csoportok | |
Időszakok | |
A kémiai elemek családjai |
|
Periódusos táblázat blokk | |
Egyéb | |
|