




版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內容提供方,若內容存在侵權,請進行舉報或認領
文檔簡介
稀土元素化學第一章第1頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六第一章:稀土元素概論
稀土元素化學是無機化學的重要分支。由于稀土元素最后一個電子填在4f軌道上,使得它們具有與其它過渡元素不同的電子結構,導致稀土元素在原子、分子及化合物性質上都有別于其它過渡元素。因此深入研究它們的結構和性質對無機化學的發展具有重要的意義。
我國是稀土豐產的國家,內蒙古是稀土的故鄉。發現稀土元素的新性質、新材料,開發稀土元素的應用領域,提出新的工藝流程,對我國的稀土資源的開發和利用具有重要意義。第2頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六本課程在于使學生對稀土元素的基本性質及一些重要的稀土功能材料有較詳盡的了解。為你們今后從事稀土化學研究打下良好的基礎。
本課程的主要內容:稀土元素概述;稀土元素電子層結構;光譜性質及磁性質;稀土熒光激光特性;正三價化合物;高價和低價化合物;稀土金屬;
稀土配位化合物;稀土元素的提取;稀土元素的分離;功能材料。第3頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六§1-1稀土元素的概念1.稀土元素:
IIIB:Sc(21),Y(39),La—Lu(57—71),共17個元素統稱為稀土元素。鑭系元素:第6周期IIIB族57-71號元素稱為鑭系元素。La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu新建Micr元素周期表.ppt2.稀土元素基組態電子結構:
(1)電子結構:
Sc:[Ar]3d14s2
Sc3+:[Ar]3d04s0
Y:[Kr]4d15s2Y3+:[Kr]4d05s0
第4頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六
La:[Xe]5d16s2La3+:[Xe]5d06s0
Ce:[Xe]4f15d16s2Ce3+:[Xe]4f1
Ce4+:[Xe]4f0
Pr:[Xe]4f36s2Pr3+:[Xe]4f2
Pr4+:[Xe]4f1Nd:[Xe]4f46s2Nd3+:[Xe]4f3Pm:[Xe]4f56s2Pm3+:[Xe]4f4Sm:[Xe]4f66s2
Sm3+:[Xe]4f5
Sm2+:[Xe]4f6Eu:[Xe]4f76s2Eu3+:[Xe]4f6
Eu2+:[Xe]4f7
第5頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六
Gd:[Xe]4f75d16s2Gd3+:[Xe]4f7Tb:[Xe]4f96s2Tb3+:[Xe]4f8
Tb4+:[Xe]4f7Dy:[Xe]4f106s2Dy3+:[Xe]4f9
Dy4+:[Xe]4f8Ho:[Xe]4f116s2Ho3+:[Xe]4f10Er:[Xe]4f126s2Er3+:[Xe]4f11Tm:[Xe]4f136s2Tm3+:[Xe]4f12
Tm2+:[Xe]4f13Yb:[Xe]4f146s2Yb3+:[Xe]4f13
Yb2+:[Xe]4f14Lu:[Xe]4f145d16s2Lu3+:[Xe]4f14
第6頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六(2)關于La:無4f電子。所以有人把Ce-Lu的14個元素稱為鑭系元素。但由于La與其它14個元素性質極為相似,所以目前人們仍把La-Lu15個元素稱為鑭系元素。
但國際理論和應用化學聯合會推薦:
(58-71)14個元素為鑭系元素;Sc,Y,La及鑭系元素為稀土元素。第7頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六(3)關于Y和Sc:
Y與鑭系元素性質很相似:都有+3氧化態;Y3+半徑落在Ho3+和Er3+之間.
Sc和鑭系元素都有+3氧化態,有些方面有共同的特點,所以也叫稀土元素。但Sc與鑭系元素性質差別較大,在鑭系元素礦物中含量較小。(4)稀土元素分組:兩種分組方法根據化學性質及礦物處理的需要分為兩組:輕稀土(鈰組):La-Eu;重稀土(釔組):Gd-Lu根據分離工藝的需要分為三組:
輕稀土:La-Pm;中稀土:Sm-Dy;重稀土:Ho-Lu
,Y第8頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六§1-2稀土元素的發現稀土元素性質十分相似,分離困難,且早期科學技術水平有限,從1794年首先發現Y,到1972年從瀝青鈾礦中發現Pm,人類從自然界獲取稀土元素經歷了178年之久。
1794年發現釔土:1787年Arrhenius在瑞典斯德哥爾摩附近的ytterby村莊發現了一種黑色的石頭(硅鈹釔礦)。
1794年芬蘭大學的教授J.Gadolin從此礦中分離出了38%的新土氧化物,稱之為釔土(音義)。為了紀念Gadolin,那種黑色的石頭被命名為加多林石。第9頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六1803年發現鈰土:
1803年德國人克拉普羅司M.H.Klapeoth,和瑞典人柏齊利烏斯J.J.Berzelius在分析瑞典產的Tungsten(重石)礦樣時,分別發現了一種新土,淡黃色氧化物:鈰土。當時人們認為鈰土和釔土都是單一的元素,但在研究時發現,它們的性質因制備方法不同而不同_______________這說明它們都是混合氧化物。經過一個世紀的艱苦努力,1907年人們從釔土中分離出了最后一個元素Lu的氧化物。這期間經歷了一百多年。第10頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六61號元素Pm的發現:
61號元素Pm是放射性元素,147PmT1/2:2.64年,在自然界很難找到它,是鈾裂變的產物。早在1902年B.Braunes推測Nd和Sm之間應有一種元素,1914年H.G.Meseley在發現了X-射線光譜學與原子序數的簡單對應關系后,確認61號元素的存在。1926年B.S.Hopkins在X-射線光譜中找到了61號元素。1947年J.A.MarinskyandL.E.Glendenin從鈾的裂變產物中找到了61號元素,命名為钷,半衰期2.64年。
1972年在天然鈾礦提取物中發現钷,從此钷不在是人工合成元素。第11頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六稀土名字的由來:
以氧化物的形式從當時認為是相當稀少的礦物中發現,所以稱為稀土,類似于苦土MgO,鋯土ZrO2等。習慣使用到今天。其實稀土不稀也不土:
不稀:現已探明稀土元素的豐度比一些普通元素還要高。
不土:稀土元素除可以氧化物存在,還可以鹽類等形式存在。第12頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六§1-3稀土元素在自然界的存在
1.稀土元素在自然界的同位素:已發現穩定的同位素有50多種,多種同位素混合存在于自然界中。
Pr,Tb,Ho,Tm,Y無同位素,只有一種核素;
其余均有同位素:有些同位素具有放射性:如:138La,142Ce,144Nd,147-149Sm,152Gd,176Lu為放射性同位素。
第13頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六
但稀土元素的放射性很小,其中放射性最大的147Sm,176Lu,其放射性仍低與國家規定的放射性界限(比放<10-10居里/g.)。即使是純Sm,Lu的氧化物,用放射性計量儀也很難測到,它的放射性比一塊夜光表的放射性還低。第14頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六2.稀土元素在自然界的分布:(1)稀土元素在地殼中的豐度:
0.016%,約153g/t,與許多常見元素相近。(2)稀土元素在地殼中的分布特點:a.整個稀土元素在地殼中的分布豐度:比Zn大3倍,比Pb大9倍,比Au大3萬倍。單一稀土與一些常見元素相當:
Ce~Zn;Nd,Y,La~Pb,Co;Eu~Ag,Bi第15頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六b.地殼中鈰組豐度>釔組:鈰組:106g/t,釔組:47g/tc.稀土元素分布不均勻,服從Oddo-harkins規則:偶數元素豐度大于奇數元素。(但在離子吸附礦中La>Ce)d.地殼中稀土元素富集于巖石圈的花崗巖、偉晶巖、正長巖中。釔組元素和花崗巖巖漿結合緊密,傾向于出現在花崗巖中.鈰組元素傾向于出現在正長巖中。
第16頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六3.稀土元素存在的狀態由于稀土元素原子結構的相似性,在地球化學上它們緊密結合共生于相同的礦中。它們在礦中的存在有三種情況:(1)參與礦物晶格是礦物不可缺少的部分,即形成稀土礦。如:獨居石(Ce,YPO4),氟碳鈰礦(CeCO3F)(2)以類質同晶置換(鈣,鍶、鋇、錳、鋯、釷)的形式分散在造巖礦中。如磷灰石,鈦鈾礦等。(3)呈吸附狀態存在于粘土礦、云母等礦中。稀土礦中稀土元素以化合物的形式存在。從經濟的觀點看:第17頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六最重要的礦物是:碳酸鹽礦和磷酸鹽礦。常見的稀土礦有:氟化物礦:釔螢石(Ca,Y)(F,O)2;氟鈰礦CeF3磷酸鹽礦:磷釔礦YPO4,獨居石(Ce,Y)PO4(以Ce為主)碳酸鹽礦:氟碳鈰礦(CeCO3F),RE2O3CO2.4H2O硅酸鹽礦:硅鈹釔礦BeFeY2Si2O10第18頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六§1-4稀土的資源分布1.世界稀土資源分布:碳酸鹽礦:分布在美國加洲,南非,我國內蒙古自治區。磷酸鹽礦:分布在澳大利亞,巴西,印度,南非,美國。除中國外,世界稀土資源的一半在美國,其次在印度巴西等國。
中國>>美國>印度>巴西>南非>澳大利亞。第19頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六中國美國印度巴西南非澳大利亞其他國家第20頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六2.我國稀土資源的特點:占世界首位。有以下特點:(1)儲量大:現已探明的儲量超過世界其它各國工業儲量的總和。內蒙古自治區白云鄂博稀土儲量十分可觀。
典型的稀土-鐵-鈮礦床。
為復合混合礦,難選冶。由于可隨鐵礦開采進行綜合回收,產量大成本低,彌補了加工上的不足。第21頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六(2)分布廣:稀土礦遍及國內的十幾個省、市、自治區。北方有內蒙古自治區的白云鄂博稀土礦。我國南方及沿海地區有獨特的離子吸附型礦和獨居石礦。尤其是風化-淋積離子吸附稀土礦世界其它國家尚無發現,可提取中重稀土元素,含量遠高于獨居石和磷釔礦。第22頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六(3)綜合利用價值高:
我國的稀土礦中除含稀土元素外,還含Nb,Ta,Ti,Th,U等稀有元素,礦床綜合利用價值高。
我國的稀土資源得天獨厚,儲量豐富,品種齊全,分布廣,為我國的稀土工業發展提供了及其有利的條件。因此開發利用我國的稀土資源是我國科技工作者的重要課題和責任。第23頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六§1-5稀土元素的應用稀土元素獨特的物理化學性質為其廣泛的應用提供了基礎。隨著科學的發展,對材料提出各種要求。稀土元素的應用從早期的主要利用它們的共性,擴展到利用單一稀土的特性,已深入到現代科技的各個領域。目前,稀土合金及化合物已成為發展現代尖端科技不可少的特殊材料。第24頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六1.冶金工業上的應用:
(1)凈化鋼液,提高強度。(稀土元素對S,O親和力強,可起到凈化鋼液的作用。減少有害元素,改善鋼的性能。如:提高抗熱強度、抗腐蝕性能,減少表面缺損、裂紋,改善加工性能,消除熱脆性等)
(2)提高球墨鑄鐵的耐磨耐腐蝕性。(因稀土加到鑄鐵中,使鑄鐵中的石墨成球狀結構,使它們能深入到基體內部,石墨球間相互獨立,器件表面不易剝落,壽命提高)
(3)生產稀土合金。(有色金屬中加入稀土,生產稀土合金。該類合金高溫抗氧化性能提高,材料的性能提高,加工工藝提高)第25頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六2.石油化工領域中的應用:(1)石油裂化催化劑:
稀土沸石催化劑用于石油裂化,可大大提高汽油柴油的收率,降低煉油成本。
(2)有機合成催化劑:
稀土化合物可用于順丁橡膠、異戊橡膠及合成氨工業的催化劑。
(3)汽車尾氣燃燒催化劑:使汽車尾氣中CO含量減小,有利于環境保護。第26頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六
3.玻璃陶瓷工業中的應用:
(1)稀土氧化物玻璃拋光粉:CeO2是良好的拋光粉,可用于平板玻璃、鏡面、顯象管的拋光。比ZrO2用量少一半,時間短。
(2)特殊光學玻璃填加劑:La2O3,Y2O3,Nd2O3可提高玻璃折射率降低色散率。
(3)著色劑:Pr3+,Nd3+,Er3+化合物顏色鮮艷,可做玻璃陶瓷的著色劑。第27頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六(4)玻璃脫色劑:CeO2,Nd2O3CeO2可將玻璃中的Fe2+氧化Fe3+而脫色。(玻璃有色是由于Fe2+吸收可見光,透過綠色光,使玻璃顯綠色,人的眼睛對綠色敏感。若被氧化為Fe3+,它的淺黃色可與Nd3+的紫紅色互補,使顏色消失,同時人眼對淺黃色不敏感。第28頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六4.稀土發光激光材料:稀土元素具有未充滿的4f電子使一些稀土離子在可見光區有類線性的吸收和發射光譜,可用于制備發光材料,電光原材料和激光材料。(1)稀土熒光材料:彩色電視機紅粉:Y2O2S:Eu
彩色電視機藍粉:Mg2Al16O27:Ba,Eu;Ba-SrSi2O5:Eu彩色電視機綠粉:LaF3:Yb,Er;Ba-Al11O9:Ce,Tb(2)稀土鹵化物新型電光原材料:用于廣場照明,攝影燈等。如:鏑鈥燈,鈉鈧燈等,體積小輕,亮度大。第29頁,共33頁,2023年,2月20日,星期六
(3)激光材料:Nd,Y稀土化合物是重要的固體激光器制作材料,這些激光材料在國防工業中得到了應用。5.稀土磁性材料:
(1)稀土永磁材料:稀土具有高的磁矩,與過渡金屬的合金可做成磁性材料,性能優良。例:Nd-Fe-B永磁材料。(1
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
- 4. 未經權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業或盈利用途。
- 5. 人人文庫網僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 內蒙古藝術學院《歐美影視文化》2023-2024學年第二學期期末試卷
- 南京中醫藥大學翰林學院《定性數據分析》2023-2024學年第二學期期末試卷
- 山東工藝美術學院《操作系統原理實驗課》2023-2024學年第二學期期末試卷
- 九江學院《民舞-運動舞蹈劇目排練與實踐》2023-2024學年第二學期期末試卷
- 山東省淄博市臨淄區2024-2025學年三年級數學第二學期期末聯考模擬試題含解析
- 綿陽城市學院《醫學影像成像原理》2023-2024學年第二學期期末試卷
- 四川護理職業學院《高分子物理B》2023-2024學年第二學期期末試卷
- 鐵路冬季四防安全培訓
- 2025水質檢測技術服務合同
- 2025年高考歷史歷史問答題5種公式法5種記憶法匯編
- 2025年鄭州理工職業學院高職單招職業技能測試近5年常考版參考題庫含答案解析
- Unit 4 Healthy food B Lets learn(教學設計)-2024-2025學年人教PEP版(2024)英語三年級下冊
- 《自由飛翔之鳥》教學課件-2024-2025學年嶺南美版(2024)初中美術七年級下冊
- 腰椎間盤突出癥試講教案
- 2024-2025年人教版七下語文期中復習-專題01 基礎知識積累(考點串講)
- ?2025年華能慶陽煤電有限責任公司高校畢業生招聘152人筆試參考題庫附帶答案詳解
- 2025-2030中國汽車用鋁板行業市場現狀供需分析及重點企業投資評估規劃分析研究報告
- 譯林版六年級英語下冊期中試卷及答案【真題】
- 2025租賃合同(辦公室)中文版英文版
- 2025屆山東省青島市高三下學期一模讀后續寫+替補隊員+講義
- 藥物臨床試驗科普
評論
0/150
提交評論