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1、14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品1 1 概述概述2 2 稀土材料稀土材料 3 3 稀土合金合金的应用稀土合金合金的应用 4 4 稀土的催化稀土的催化 5 5 前景前景 14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品稀土简介稀土简介稀土稀土(Rare Earth)(Rare Earth)，是化学周期表中，是化学周期表中镧系元素镧系元素和钪、钇和钪、钇共共十七十七种金属元素的总称。种金属元素的总称。最早发现稀土的是芬兰化学家加多林。最早发现稀土的是芬兰化学家加多林。17941794年年从一块形似沥青的重质矿石中分离出第一种稀从一块形似沥青的重质矿石中分离出第一种稀土土“元素元素”( (钇土，即钇
2、土，即Y Y2 2O O3 3) )，1818世纪发现的稀世纪发现的稀土矿物较少，当时只能用化学法制得少量不溶土矿物较少，当时只能用化学法制得少量不溶于水的于水的氧化物氧化物，习惯地把这种氧化物称之为，习惯地把这种氧化物称之为“土土”，因而得名稀土。，因而得名稀土。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品元素名称元素名称符号符号英文名称英文名称外层电子结构外层电子结构镧镧Lalanthanum5d16s2铈铈Cecerium4f15d16s2镨镨Prpraseodymium4f36s2钕钕Ndneodymium4f46s2钷钷Pmpromethium4f56s2钐钐Smsamarium4f66
3、s2铕铕Eusuropium4f76s2钆钆Gdgadolinium4f75d16s214含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品元素名称元素名称符号符号英文名称英文名称外层电子结构外层电子结构铽铽Tbterium4f96s2镝镝Dydysprosium4f106s2钬钬Hoholmium4f116s2铒铒Ererbium4f126s2铥铥Tmthulium4f136s2镱镱Ybytterbium4f146s2镥镥Lulutecium4f145d16s2钪钪Scscandium3d14s2钇钇Yyttrium4d15s214含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品 稀土的基本性质稀土的基本性质v 特殊
4、的特殊的电子结构电子结构v 化学周期表中的位置是化学周期表中的位置是IIIBIIIB族，族，最外两层最外两层电子电子结构相似，与其他的元素相化合时通常失去两个结构相似，与其他的元素相化合时通常失去两个s s电子和一个电子和一个d d电子，所以正常的化学价是电子，所以正常的化学价是三三价。价。v特性特性-“镧系收缩镧系收缩” 1515个镧系元素的原子半径随着原子序数的增加个镧系元素的原子半径随着原子序数的增加不但没有增大反而缩小。不但没有增大反而缩小。“镧系收缩镧系收缩”的这一特性的这一特性决定了它们具有特殊的性质。决定了它们具有特殊的性质。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品稀土的物理性质
5、稀土的物理性质外观外观: : 稀土元素与铁或银相似的光泽，除钪、铈、钐、稀土元素与铁或银相似的光泽，除钪、铈、钐、铕、镱外，其他稀土元素都是六方晶体结构。铕、镱外，其他稀土元素都是六方晶体结构。密度和熔点密度和熔点除镧、铕、镱，密度和熔点都随着原子序数的增加而增加。除镧、铕、镱，密度和熔点都随着原子序数的增加而增加。电阻率和磁化率电阻率和磁化率 电阻系数，比铝高电阻系数，比铝高2525到到5050倍，比铜大倍，比铜大4040到到7070倍。镧在倍。镧在热力学温度热力学温度4.7K4.7K时，出现超导现象。稀土金属（除镧、镥时，出现超导现象。稀土金属（除镧、镥是反磁性物质外）都具有是反磁性物质外
6、）都具有顺磁性顺磁性的。具有很高的磁化率，的。具有很高的磁化率，而钆、镝和钬具有而钆、镝和钬具有铁磁性铁磁性。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品稀土的化学性质稀土的化学性质1 1 活泼性活泼性q活泼金属。活泼金属。q活泼性仅次于碱金属和碱土金属。活泼性仅次于碱金属和碱土金属。q易溶解在酸中生成相应的盐类，而不和碱易溶解在酸中生成相应的盐类，而不和碱作用。作用。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品2 2氧化性氧化性稀土金属易跟氧化合，在空气中表面易生成氧化物薄膜稀土金属易跟氧化合，在空气中表面易生成氧化物薄膜(R(R2 2O O3 3) )，在空气中氧化最激烈的是镧和铈。镧、铈、镨在，
7、在空气中氧化最激烈的是镧和铈。镧、铈、镨在空气中很快被氧化，钕、钐与空气作用就比较慢，钆只在空气中很快被氧化，钕、钐与空气作用就比较慢，钆只在受热到受热到900900时才燃烧。稀土与氧结合能力的强弱，是由时才燃烧。稀土与氧结合能力的强弱，是由稀土稀土离子半径离子半径的大小决定的。稀土离子半径随原子序数增的大小决定的。稀土离子半径随原子序数增加而收缩，与氧结合形成络合物的能力，却随原子序数增加而收缩，与氧结合形成络合物的能力，却随原子序数增加而增大。加而增大。稀土金属几乎能跟其他所有的非金属作用，生成稳定的稀土金属几乎能跟其他所有的非金属作用，生成稳定的化合物。化合物。稀土金属及其合金还能吸收大
8、量气体，在电子工业上可稀土金属及其合金还能吸收大量气体，在电子工业上可用作产生高真空的吸气材料。用作产生高真空的吸气材料。规律性规律性: :稀土元素之间存在着微小差别。随着原子量增加，稀土元素之间存在着微小差别。随着原子量增加，稀土性质趋向稳定，镧很容易被氧化，铈和钕缓慢稀土性质趋向稳定，镧很容易被氧化，铈和钕缓慢得多，钆长期放在空气中也不改变颜色。得多，钆长期放在空气中也不改变颜色。盐类溶解度也各不相同，氢氧化物的碱性，按盐类溶解度也各不相同，氢氧化物的碱性，按钪钪钇钇镧顺序逐渐增加。镧顺序逐渐增加。镧系元素，氢氧化物碱性从镧向镥逐渐减弱，在镧系元素，氢氧化物碱性从镧向镥逐渐减弱，在不同碱度
9、溶液中的沉淀程度也不相同。不同碱度溶液中的沉淀程度也不相同。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品应用应用稀土稀土永磁材料永磁材料是稀土磁性材料中研究开发和是稀土磁性材料中研究开发和产业化的重点。产业化的重点。今后研究开发重点：今后研究开发重点：稀土金属间化合物多重相结构与复合磁性稀土金属间化合物多重相结构与复合磁性高记录密度高记录密度易擦洗和重读磁光材料易擦洗和重读磁光材料稀土巨磁阻稀土巨磁阻稀土磁制冷稀土磁制冷稀土磁致伸缩材料稀土磁致伸缩材料14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品稀土材料稀土材料稀土永磁材料稀土永磁材料永磁永磁: :通常把磁化后撤去外磁场而能长期保持通常把磁化后撤去外磁
10、场而能长期保持较强磁性的物质叫做永磁体、硬磁体或简称较强磁性的物质叫做永磁体、硬磁体或简称为为永磁永磁。永磁材料：永磁材料：经过磁化以后，具有长期保持磁经过磁化以后，具有长期保持磁性的物质。稀土永磁材料。即稀土永磁合金。性的物质。稀土永磁材料。即稀土永磁合金。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品永磁材料分类永磁材料分类永磁材料有四大类：永磁材料有四大类：(1)(1)铸造铸造Al-NiAl-Ni系和系和Al-Ni-CoAl-Ni-Co系永磁材料，简称为系永磁材料，简称为铸造永磁材料；铸造永磁材料；(2)(2)铁氧体永磁材料；铁氧体永磁材料；(3)(3)稀土永磁材料；稀土永磁材料；(4)(4)
11、其他永磁材料，如可加工其他永磁材料，如可加工Fe-Cr-CoFe-Cr-Co，Fe-Co-VFe-Co-V，Fe-PtFe-Pt，Pt-CoPt-Co和和Mn-Al-CMn-Al-C永磁材料等。稀土永磁材永磁材料等。稀土永磁材料是近十几年来发展起来的一种综合性能最高的料是近十几年来发展起来的一种综合性能最高的永磁材料。永磁材料。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品应用应用应用最广泛的稀土永磁体是应用最广泛的稀土永磁体是钕铁硼磁体钕铁硼磁体约约6060用于创造诸如电子计算机磁盘驱动器等办用于创造诸如电子计算机磁盘驱动器等办公自动化设备的小型马达、视频照相机和录像机公自动化设备的小型马达、视频
12、照相机和录像机等音像设备及汽车电子设备上用的马达等音像设备及汽车电子设备上用的马达1515用于制造计量设备用于制造计量设备1010用于音频扬声器，其余的用于音频扬声器，其余的1515用于医学上使用于医学上使用的磁共振成像系统以及其他各种应用领域。用的磁共振成像系统以及其他各种应用领域。随着汽车工业的发展，钕铁硼磁体的需求量将会随着汽车工业的发展，钕铁硼磁体的需求量将会进一步增加。进一步增加。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品医疗上的应用医疗上的应用用稀土制成磁片治病的方法，叫做用稀土制成磁片治病的方法，叫做“磁穴疗法磁穴疗法”或者简称磁疗。或者简称磁疗。磁穴疗法中所用的磁铁，如果要求大于
13、磁穴疗法中所用的磁铁，如果要求大于800800高斯高斯时，则一定要使用稀土钴永磁合金。因为在磁场时，则一定要使用稀土钴永磁合金。因为在磁场上采用这种永磁合金，才有可能在微小的磁体上上采用这种永磁合金，才有可能在微小的磁体上获得较大的磁场，使磁疗发生显著变化。获得较大的磁场，使磁疗发生显著变化。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品其他应用其他应用磁浮列车磁浮列车钕铁硼磁体的一个新应用领域钕铁硼磁体的一个新应用领域磁浮列车，磁浮列车，目前最好的钕铁硼体已能让车辆飘浮目前最好的钕铁硼体已能让车辆飘浮1 1厘米的高厘米的高度。度。磁化节油器磁化节油器由稀土永磁体制造的稀土永磁磁化节油器，具由稀土永
14、磁体制造的稀土永磁磁化节油器，具有易起动、爬坡可不换档或少换档、低速运行有易起动、爬坡可不换档或少换档、低速运行时不熄火等优点。据测定，使用该节油器节油时不熄火等优点。据测定，使用该节油器节油率达率达1010以上，提高动力以上，提高动力3 3，有害气体排放减，有害气体排放减少少303014含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品REFeREFe2 2合金磁性材料，可用作超声波发生器；合金磁性材料，可用作超声波发生器；REFeOREFeO3 3、GdCoGdCo、GdFeGdFe等材料可用作电子计算机的存等材料可用作电子计算机的存储元件；储元件；SmCOSmCO5 5永磁材料，可用在微波管中，不但减
15、轻了仪永磁材料，可用在微波管中，不但减轻了仪器的重量，还大大降低了成本；镝铒合金和钬饵器的重量，还大大降低了成本；镝铒合金和钬饵合金在低温下具有比铁还高的饱和磁化强度，可合金在低温下具有比铁还高的饱和磁化强度，可用来制造超导电磁芯等用来制造超导电磁芯等稀土永磁材料还在现代电子技术通讯中起着重要稀土永磁材料还在现代电子技术通讯中起着重要的作用，如用于制造人造卫星、雷达等方面的行的作用，如用于制造人造卫星、雷达等方面的行波管和环行器，都获得了良好的效果。波管和环行器，都获得了良好的效果。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品其他磁性材料其他磁性材料（1 1）稀土磁光材料）稀土磁光材料 在磁场或磁
16、矩作用下，物质的在磁场或磁矩作用下，物质的电磁特性电磁特性( (如磁导率、如磁导率、介电常数、磁化强度、磁畴结构、磁化方向等介电常数、磁化强度、磁畴结构、磁化方向等) )会发会发生变化。因而使通向它的生变化。因而使通向它的光的传输特性光的传输特性( (如偏振状态、如偏振状态、光强、相位、频率、传输方向等光强、相位、频率、传输方向等) )也随之发生变化。也随之发生变化。磁光效应磁光效应当光透过铁磁体或被磁体表面反射。由于铁磁体存当光透过铁磁体或被磁体表面反射。由于铁磁体存在自发磁化强度，使光的传输特性发生变化，产生在自发磁化强度，使光的传输特性发生变化，产生新的各种光学各向异性现象，统称为磁光效
17、应。新的各种光学各向异性现象，统称为磁光效应。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品磁光材料磁光材料指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料，稀土磁光材料是一种新型的光信息功能能材料，稀土磁光材料是一种新型的光信息功能材料。利用这类材料的磁光特性以及光、电、磁材料。利用这类材料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可制成只有各种功能的光学的相互作用和转换，可制成只有各种功能的光学器件。器件。举例举例调制器、隔离器、环行器、磁光开关、偏转器、调制器、隔离器、环行器、磁光开关、偏转器、相移器、光信息处理机相移器、光信息处理机14含稀土的精细化
18、学品含稀土的精细化学品（2 2） 稀土磁致冷材料稀土磁致冷材料 磁致冷磁致冷以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术。其基本原理是以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术。其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应。即磁致冷材料等温磁化时向借助磁致冷材料的磁热效应。即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量。而绝热退磁时外界放出热量。而绝热退磁时, ,从外界吸取热量，达到制从外界吸取热量，达到制冷目的。冷目的。磁致冷材料磁致冷材料磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁距按磁场方向整齐排列，磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁距按磁场方向整齐排列，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱，这时磁体从周然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得
19、杂乱，这时磁体从周围吸收热量。通过热交换使周围环境的温度降低，达到致围吸收热量。通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。冷的目的。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品分子磁性材料中磁性来源于稀土与分子磁性材料中磁性来源于稀土与3d3d过渡过渡族金属所形成的某些特殊金属间化合物。族金属所形成的某些特殊金属间化合物。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品NNOOLnNO3NO3NO3MM = Cu, Ni, Co ; Ln = Gd稀土贮氢材料稀土贮氢材料贮氢材料贮氢材料顾名思义，它是顾名思义，它是种能够贮存氢的材料，实际上，它是在种能够贮存氢的材料，实际上，它是在一定条件下能大量可
20、逆地吸放氢的材料。一定条件下能大量可逆地吸放氢的材料。特点特点贮氢材料贮运氢气，同时在吸放氢气时产生的反应热和氢贮氢材料贮运氢气，同时在吸放氢气时产生的反应热和氢气压力气压力应用应用贮氢材料作为一种新型功能材料得到迅速的发展。贮氢材料作为一种新型功能材料得到迅速的发展。稀土贮氢材料则是众多贮氢材料中的一种。一般为含有稀稀土贮氢材料则是众多贮氢材料中的一种。一般为含有稀土金属元素的合金或金属间化合物。由于稀土贮氢合金具土金属元素的合金或金属间化合物。由于稀土贮氢合金具有吸氢量大、易活化、不易中毒、吸放氢快等优点而成为有吸氢量大、易活化、不易中毒、吸放氢快等优点而成为最具代表性并且已实用化的一类重
21、要贮氢材料。最具代表性并且已实用化的一类重要贮氢材料。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品制备方法制备方法储氢材料的制备方法有储氢材料的制备方法有合金熔炼法、化学合成法、合金熔炼法、化学合成法、物理气相沉积法物理气相沉积法。储氢金属材料及氢化物工程是储氢金属材料及氢化物工程是7070年代发展起来的年代发展起来的新兴科技领域，既是能源材料又是功能材料，应新兴科技领域，既是能源材料又是功能材料，应用广泛。用广泛。已开发的四大系列已开发的四大系列钛系、锆系、镁系和稀土系钛系、锆系、镁系和稀土系贮氢材料贮氢材料稀土系稀土系贮氢材料性能最佳，应用也最广泛。目前贮氢材料性能最佳，应用也最广泛。目前最令
22、人瞩目的是热泵和电池。最令人瞩目的是热泵和电池。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品稀土金属氢化物电池与镍镉电池相比，具有许多优点：稀土金属氢化物电池与镍镉电池相比，具有许多优点： 较高的充电和放电速率较高的充电和放电速率较高的能量密度较高的能量密度( (即每单位体积内具有较高的电能即每单位体积内具有较高的电能储存量储存量) )过度充电或过度放电不产生不利后果过度充电或过度放电不产生不利后果具有较长的使用寿命具有较长的使用寿命与镍镉电池不同，稀土储氢电池不造成环境污染。与镍镉电池不同，稀土储氢电池不造成环境污染。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品稀土发光材料稀土发光材料稀土的发光的原
23、因稀土的发光的原因 稀土的稀土的4f4f电子在不同能级之间的跃迁而产电子在不同能级之间的跃迁而产生的，在生的，在f f组态内不同能级之间的跃迁称组态内不同能级之间的跃迁称f-ff-f跃跃迁；在迁；在f f和和d d组态之间的跃迁称为组态之间的跃迁称为f-df-d跃迁。当稀跃迁。当稀土离子吸收光子或土离子吸收光子或X X射线等能量以后，射线等能量以后，4f4f电子可电子可以从能量低的能级跃迁至能量高的能级，当以从能量低的能级跃迁至能量高的能级，当4f4f电子从高的能级以辐射驰豫的方式跃迁至低能电子从高的能级以辐射驰豫的方式跃迁至低能级时发出不同波长的光。两个能级之间的能量级时发出不同波长的光。两
24、个能级之间的能量差越大。发射的波长越短。差越大。发射的波长越短。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品稀土发光材料的应用稀土发光材料的应用稀土光致发光材料稀土光致发光材料 光致发光使用光激发材料引起的发光。光致发光稀光致发光使用光激发材料引起的发光。光致发光稀土荧光材料包括紫外光、可见光、红外光激发的各土荧光材料包括紫外光、可见光、红外光激发的各种荧光粉，而具有使用价值的主要是紫外光激发的种荧光粉，而具有使用价值的主要是紫外光激发的荧光粉。这类材料一般用于照明器件，如高压汞灯荧光粉。这类材料一般用于照明器件，如高压汞灯荧光粉、稀土三基色荧光粉、复印荧光粉等。荧光粉、稀土三基色荧光粉、复印荧光
25、粉等。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品电（场）致发光材料电（场）致发光材料 电致发光（电致发光（ELEL）也叫场致发光，是一种直接将电能）也叫场致发光，是一种直接将电能转换为光能的发光现象，与稀土发光材料密切相关转换为光能的发光现象，与稀土发光材料密切相关的是交流薄膜电致发光的是交流薄膜电致发光(ACTFEL)(ACTFEL)、直流粉末电致发、直流粉末电致发光（光（DCELDCEL）和有机电致发光。）和有机电致发光。特点特点工作电压低，体积小，质量轻，工作范围宽，响应工作电压低，体积小，质量轻，工作范围宽，响应速度快，可做成全图体化的器件速度快，可做成全图体化的器件14含稀土的精细化学
26、品含稀土的精细化学品稀土氢化催化稀土氢化催化稀土金属有机氢化物，一方面具有稀土金属有机氢化物，一方面具有B-H,Al-HB-H,Al-H及轻及轻过渡元素过渡元素M-HM-H的类似性质，另一方面又具有的类似性质，另一方面又具有f f区区氢氢化物的独特性能化物的独特性能烯烃的催化氢化烯烃的催化氢化催化氢化根据反应体系的特点可分为催化氢化根据反应体系的特点可分为非均相催化非均相催化氢化和均相催化氢化氢化和均相催化氢化，均相催化氢化中均相催化，均相催化氢化中均相催化剂呈络合分子状溶解于反应介质中，对被还原基剂呈络合分子状溶解于反应介质中，对被还原基团有较好的选择性，反应条件温和，反应速度快，团有较好的
27、选择性，反应条件温和，反应速度快，副反应比较少。副反应比较少。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品稀土金属有机氢化物可以作为催化氢化的催化剂稀土金属有机氢化物可以作为催化氢化的催化剂+NaTHF+ H2NaNa+ SmCl3THF(C9H7)2SmCl2THFTHF2THF2(C9H7)2SmCl+ NaH4THF(C9H7)2SmH2NaCl14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品(C9H7)2SmH2国内稀土产品的应用可分为三类国内稀土产品的应用可分为三类: :一是一是传统应用传统应用( (一般技术的应用一般技术的应用),),如在冶金与机械如在冶金与机械, ,石油与石油与化工化工, ,
28、玻璃与陶瓷等领域，应用占总用量的玻璃与陶瓷等领域，应用占总用量的676768%;68%;二是二是高新技术的应用高新技术的应用( (稀土材料应用稀土材料应用),),如稀土永磁、稀土如稀土永磁、稀土荧光粉、稀土电池、稀土催化剂荧光粉、稀土电池、稀土催化剂( (治理汽车尾气所用治理汽车尾气所用) )、磁、磁致伸缩材料和超导材料等领域应用占总用量的致伸缩材料和超导材料等领域应用占总用量的8.78.713.8%;13.8%;三是在三是在农业和轻工业农业和轻工业等的应用等的应用( (具有中国特色的应用具有中国特色的应用),),如如粮食、水果、蔬菜、畜牧、养殖和轻纺皮革等领域应用占粮食、水果、蔬菜、畜牧、养殖和轻纺皮革等领域应用占总用量的总用量的191922%22%。尤其以高新稀土材料的用量发展最快。尤其以高新稀土材料的用量发展最快。14含稀土的精细化学品含稀土的精细化学品