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认识一下稀土元素

我国的稀土储量高居世界之首,在涉外“贸易战”中举足轻重。

稀土元素是短元素周期表中除第七周期锕系外的全部IIIB族元素的总称,包括第六周期的15种镧系元素(镧57La-镥71Lu)和第四周期的钪21Sc、第五周期的钇39Y,共十七种元素。第七周期的锕系多为放射性人造元素,合理不在稀土之列。镧系元素的通用符号是Ln,稀土元素的通用符号是RE(rare-earth element)。比如重要矿物独居石中各种稀土元素的磷酸盐就被写作REPO4。

稀土元素在地壳中的含量不算太稀,多为ppm数量级,其中含量最高的是铈58Ce,约为70ppm,高于常见的铜(约为50ppm)。稀的含意大概包括两个方面,一是分布较广,珍珠散落,有开采价值的富矿为数有限,二是相见不易,人们对它们的分离与认识过程执着而漫长,从最早发现钇到1945年最终发现钷61Pm,历经160多年。

原子核外第四电子层开始有f轨道,镧系元素的基态电子构型为4f0-145d16s2,或4f3-145d06s2。其中4f电子的f-f跃迁使元素显色,色彩纷呈,多个未成对f电子又使元素原子呈顺磁性,致使稀土元素在光、电、磁诸环境中显示独特的应激性能,被用于制备各种发光材料和磁性材料,也被用于核能、储氢、新能源汽车、电子设备、化学催化和农业、工业等各个领域,被称为“工业维生素”。稀土永磁材料满足高科技对磁性元件轻薄小的要求,具有重要的战略意义。

有道是同周期元素原子半径基本遵循由大变小(收缩)的趋势,原因是电子层数不变,却核电荷数依次增大,核对外层电子的引力递增。4f电子居于稀土元素原子的内层,对原子核的正电荷有一定的屏蔽作用,致使相邻元素的原子半径(电子云伸展空间)收缩较小。

第三周期从11Na到17Cl,不存在d和f电子屏蔽,原子半径从186pm收缩至99pm,逐个平均收缩14.5pm。

第四周期21Sc到30Zn,没有f电子云对核正电的屏蔽作用,原子半径从161pm收缩至133pm,平均收缩3.1pm。

第五周期39Y至48Cd,没有f电子屏蔽,原子半径从178pm收缩至149pm,平均收缩3.2pm。

第六周期57La至71Lu,由于f电子云的屏蔽作用,原子半径从187pm收缩至172pm,平均仅收缩1.07pm。

除原子个头差别甚微,4f电子相对5d和6s闭塞,较少参与成价,稀土元素的自然化合价均以+3价为主(亦有部分+2和+4价),且均属活泼金属(标准电极电势堪比碱金属和碱土金属),所以通常是多种稀土元素及铁、铀等其他金属元素在矿物中以各种盐的形式相伴共生,且分离提纯困难。

目前常用的分离提纯方法包括对应碱和盐的重结晶法、有机物萃取法和阳离子交换法。采集和分离过程中除人工、设备和制剂成本外,环境代价(包括放射性污染)格外不容小觑。

(责任编辑:化学自习室)
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