harvinaisten maametallien alkuaineita | |
---|---|
Lyhyt nimi/titteli | ree ja rem |
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa |
Harvinaiset maametallit (Rare earth [1] ; lyhenne REE , englanniksi TR , REE , REM ) - 17 alkuaineen ryhmä , mukaan lukien skandium , yttrium , lantaani ja lantanidit ( cerium , praseodyymi , neodyymi , prometium , samarium , eurogadoliumi , terbium , dysprosium , holmium , erbium , tulium , ytterbium , lutetium ).
Harvinaisten maametallien alkuaineilla on suuri samankaltaisuus kemiallisissa ja joissakin fysikaalisissa ominaisuuksissa, mikä selittyy niiden atomien ulkoisten elektronitasojen lähes identtisellä rakenteella . Kaikki ne ovat hopeanvalkoisia metalleja , kun taas kaikilla on samanlaiset kemialliset ominaisuudet (tyypillisin hapetusaste on +3). Harvinaiset maametallit ovat metalleja , niitä saadaan pelkistämällä vastaavia oksideja , fluorideja, vedettömien suolojen elektrolyysillä ja muilla menetelmillä.
Kemiallisten ominaisuuksien ja luonnossa esiintymisen mukaan ne jaetaan alaryhmiin:
Lantanidit jaetaan atomimassansa perusteella:
Nimi "harvinainen maa" ( lat. terrae rarae - "harvinainen maa ") annettiin siitä syystä, että ne:
Nimi "harvinaiset maametallit" syntyi historiallisesti 1700 -luvun lopulla - 1800-luvun alussa, jolloin virheellisesti uskottiin, että mineraalit sisältävät kahden alaryhmän - ceriumin (kevyt - La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu) alkuaineita. ) ja yttrium (raskas - Y , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) ovat harvinaisia maankuoressa. Raaka-ainevarantojen osalta harvinaiset maametallit eivät kuitenkaan ole harvinaisia, kokonaismäärällä mitattuna ne ylittävät lyijyn 10-kertaisesti, molybdeenin 50-kertaisesti ja volframin 165-kertaisesti.
Nykyaikaisessa tieteellisessä kirjallisuudessa hyväksytyt lyhenteet:
Vuonna 1794 suomalainen kemisti Johan Gadolin , tutkiessaan malminaytteitä ruotsalaisen Ytterbyn kaupungin lähellä (myöhemmin harvinaisten maametallien alkuaineet yttrium , terbium , erbium ja ytterbium nimettiin tämän kylän mukaan ) löysi tähän asti tuntemattoman "harvinaisen maametallin", jonka hän nimetty yttriumin löytöpaikan mukaan .
Myöhemmin saksalainen kemisti Martin Klaproth jakoi nämä näytteet kahteen "maahan", joista toiselle hän jätti nimen yttrium ja toiselle hän kutsui ceriumia ( vuonna 1801 löydetyn pienen Ceres -planeetan kunniaksi , joka puolestaan oli nimetty muinaisen roomalaisen jumalattaren Ceresin mukaan ).
Hieman myöhemmin ruotsalainen tiedemies Karl Mosander onnistui eristämään useita muita "maita" samasta näytteestä. Ne kaikki osoittautuivat uusien alkuaineiden oksideiksi, joita kutsutaan harvinaisiksi maametalliksi. Oksidien erottamisen vaikeudesta johtuen vääriä ilmoituksia uusien harvinaisten maametallien löytämisestä oli kymmeniä. Vuoteen 1907 mennessä kemistit olivat yhdessä löytäneet ja tunnistaneet yhteensä 16 tällaista alkuainetta . Röntgenominaisuuksien tutkimuksen perusteella kaikille alkuaineille annettiin atominumerot 21 ( skandium ), 39 (yttrium) ja 57 ( lantaani ) 71:een ( lutetium ), paitsi 61.
Atomipainon kasvattamiseksi ne on järjestetty seuraavasti:
Z | Symboli | Nimi | Etymologia |
---|---|---|---|
21 | sc | Scandium | Skandinavian kunniaksi |
39 | Y | yttrium | ruotsalaisen Ytterbyn kylän jälkeen |
57 | La | Lantaani | kreikasta "salainen" |
58 | Ce | Cerium | pienen planeetan Ceresin kunniaksi , joka puolestaan on nimetty jumalatar Ceresin mukaan |
59 | PR | Praseodyymi | kreikasta "vihreä kaksois" spektrin vihreän viivan vuoksi |
60 | Nd | neodyymi | kreikasta "uusi kaksos" |
61 | pm | Promethium | myyttisen sankarin Prometheuksen puolesta , joka varasti tulen Zeukselta ja antoi sen ihmisille. |
62 | sm | Samarium | nimetty samanrskite - mineraalin mukaan , josta se löydettiin |
63 | Eu | Europium | Euroopan kunniaksi |
64 | Gd | Gadolinium | Johan Gadolinin kunniaksi |
65 | Tb | Terbium | ruotsalaisen Ytterbyn kylän jälkeen |
66 | Dy | Dysprosium | kreikasta "vaikea tavoittaa" |
67 | Ho | Holmium | Tukholman kunniaksi |
68 | Er | Erbium | ruotsalaisen Ytterbyn kylän jälkeen |
69 | Tm | Thulium | Skandinavian vanhasta nimestä |
70 | Yb | Ytterbium | ruotsalaisen Ytterbyn kylän jälkeen |
71 | Lu | Lutetium | Pariisin antiikin roomalaisesta nimestä |
Aluksi solu numero 61 oli tyhjä, myöhemmin tämän paikan otti uraanin fissiotuotteista eristetty prometium ja siitä tuli tämän perheen 17. jäsen.
Skandium, yttrium ja lantanidit ovat erittäin reaktiivisia. Näiden alkuaineiden kemiallinen aktiivisuus on erityisen havaittavissa korkeissa lämpötiloissa. Kuumennettaessa 300-400 °C:seen metallit reagoivat jopa vedyn kanssa muodostaen RH3 : ta ja RH2 : ta (symboli R ilmaisee harvinaisen maametallin atomia). Nämä yhdisteet ovat riittävän vahvoja ja niillä on suolainen luonne. Hapessa kuumennettaessa metallit reagoivat helposti sen kanssa muodostaen oksideja: R 2 O 3 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , Tb 4 O 7 (vain Sc ja Y kestävät ilmaa suojaavan oksidikalvon muodostamisen kautta , jopa kuumennettaessa 1000 °C:seen). Näiden metallien palamisen aikana happiatmosfäärissä vapautuu suuri määrä lämpöä. Kun poltetaan 1 g lantaania, lämpöä vapautuu 224,2 kcal. Ceriumille tyypillinen piirre on pyroforisuuden ominaisuus - kyky kipinöidä, kun metalli leikataan ilmaan.
Lantaani, cerium ja muut metallit reagoivat jo tavallisissa lämpötiloissa veden ja hapettamattomien happojen kanssa vapauttaen vetyä. Ilmakehän hapen ja veden suuren aktiivisuuden vuoksi lantaanin, ceriumin, praseodyymin, neodyymin ja europiumin palaset tulisi varastoida parafiiniin, muut harvinaiset maametallit hapettavat huonosti (paitsi samarium, joka on päällystetty kalvolla oksideja, mutta se ei syöpy kokonaan) ja voidaan varastoida normaaleissa olosuhteissa ilman antioksidantteja.
Harvinaisten maametallien kemiallinen aktiivisuus ei ole sama. Skandiumista lantaaniin kemiallinen aktiivisuus kasvaa, ja sarjassa lantaani - lutetium - vähenee. Tästä seuraa, että aktiivisin metalli on lantaani. Tämä johtuu toisaalta alkuaineiden atomisäteiden pienenemisestä lantaanista lutetiumiin ja toisaalta lantaanista skandiumiin.
"Lantanidin supistumisen" (kompression) vaikutus johtaa siihen, että seuraavat alkuaineet lantanidien (hafnium, tantaali, volframi, renium, osmium, iridium, platina) jälkeen ovat vähentäneet atomisäteitä 0,2-0,3 Å, joten ne ovat hyvin samankaltaisia ominaisuuksia viidennen jakson vastaavien elementtien ominaisuuksilla.
Alkuaineissa - skandium, yttrium, lantaani - toiseksi viimeisen elektronikerroksen d - kuori on vasta alkamassa muodostua, joten atomien säteet ja tämän ryhmän metallien aktiivisuus kasvavat ylhäältä alas. Tällä ominaisuudella ryhmä eroaa muista metallien toissijaisista alaryhmistä, joissa aktiivisuuden muutosjärjestys on päinvastainen.
Koska yttriumatomin säde (0,89 Å) on lähellä holmiumatomin sädettä (0,894 Å), tämän metallin tulisi olla aktiivisuuden suhteen yksi toiseksi viimeisistä paikoista. Aktiivisuutensa vuoksi skandiumin tulisi sijaita lutetiumin jälkeen. Tässä sarjassa metallien vaikutus veteen on heikentynyt.
Harvinaisten maametallien hapetusaste on useimmiten +3. Tästä johtuen tyypillisimpiä ovat oksidit R 2 O 3 - kiinteät, vahvat ja tulenkestävät yhdisteet. Koska ne ovat emäksisiä oksideja, useimmat alkuaineet pystyvät yhdistymään veden kanssa ja muodostamaan emäksiä - R (OH) 3 . Harvinaisten maametallien hydroksidit ovat niukkaliukoisia veteen. R 2 O 3 :n kyky yhdistyä veteen, eli päätoiminto, ja R(OH) 3 :n liukoisuus pienenevät samassa järjestyksessä kuin metallien aktiivisuus: Lu (OH) 3 ja erityisesti Sc (OH ) ) 3 , joilla on joitain amfoteerisia ominaisuuksia . Joten Sc (OH) 3 :n väkevässä NaOH :ssa olevan liuoksen lisäksi saatiin suola: Na 3 Sc (OH) 6 2H 2 O.
Koska tämän alaryhmän metallit ovat aktiivisia ja niiden suolat vahvojen happojen kanssa ovat liukoisia, ne liukenevat helposti sekä hapettamattomiin happoihin että hapettaviin happoihin.
Kaikki harvinaiset maametallit reagoivat voimakkaasti halogeenien kanssa, jolloin muodostuu RHal 3 (Hal on halogeeni ). Ne reagoivat myös rikin ja seleenin kanssa, mutta kuumennettaessa.
Harvinaiset maametallit esiintyvät luonnossa yleensä yhdessä. Ne muodostavat erittäin vahvoja oksideja, halogeeniyhdisteitä, sulfideja. Lantanideille kolmiarvoisten alkuaineiden yhdisteet ovat tyypillisimpiä. Poikkeuksena on cerium, joka muuttuu helposti neliarvoiseen tilaan. Ceriumin lisäksi neliarvoiset yhdisteet muodostavat praseodyymiä ja terbiumia. Kaksiarvoisia yhdisteitä tunnetaan samariumista, europiumista ja ytterbiumista. Lantanidien fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ovat hyvin lähellä toisiaan. Tämä johtuu niiden elektronikuorten rakenteen erityispiirteistä.
Harvinaisten maametallien kokonaispitoisuus on yli 100 g/t. Tunnetaan yli 250 harvinaista maametallia sisältävää mineraalia. Kuitenkin vain 60-65 mineraalia, joissa Me 2 O 3 -pitoisuus ylittää 5-8 %, voidaan luokitella varsinaiseksi harvinaisiksi maametalliksi. Tärkeimmät harvinaisten maametallien mineraalit ovat monatsiitti (Ce, La)PO 4 , ksenotiimi YPO 4 , bastnäsiitti Ce[CO 3 ](OH, F), parisiitti Ca(Ce, La) 2 [CO 3 ] 3 F 2 , gadoliniitti Y 2 FeBe 2 Si 2 O 10 , ortiitti (Ca, Ce) 2 (Al, Fe) 3 Si 3 O 12 (O, OH), lopariitti (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb)O 3 , aeskiniitti (Ce, Ca, Th)(Ti, Nb ) 206 . Yleisin maankuoressa on serium , vähiten tulium ja lutetium . Kansainvälisen mineraaliliiton (IMA) uusien mineraalien ja mineraalien nimien toimikunnan (CNMNM) sääntöjen mukaan mineraalit, joiden koostumuksessa on suuri määrä harvinaista maametallia (tai lähellä harvinaisten maametallien yttriumia ja skandiumia ), saavat erityinen jälkiliite, "Levinson's refiner" [2] , esimerkiksi tunnetaan kaksi mineraalia: yttrium-dominoiva gagariniitti- (Y) ja cerium-dominoitu gagariniitti (Ce).
Huolimatta rajoittamattomasta isomorfismista harvinaisten maametallien ryhmässä on tietyissä geologisissa olosuhteissa mahdollista erillinen yttrium- ja cerium-alaryhmien harvinaisten maametallien pitoisuus. Esimerkiksi alkalikivillä ja niihin liittyvillä postmagmaattisilla tuotteilla kehittyy pääasiallisesti cerium-alaryhmä, kun taas lisääntyneen alkaliteetin granitoidien postmagmaattisilla tuotteilla kehittyy yttrium-alaryhmä. Suurin osa fluorikarbonaateista on rikastettu cerium-alaryhmän alkuaineilla. Monet tantaloniobaatit sisältävät yttrium-alaryhmän, kun taas titanaatit ja titaani-tantaloniobaatit sisältävät cerium-alaryhmän. Harvinaisten maametallien erilaistumista havaitaan myös eksogeenisissa olosuhteissa. Harvinaisten maametallien isomorfinen substituutio keskenään, huolimatta niiden sarjanumeroiden eroista, johtuu "lantanidipuristuksen" ilmiöistä: sarjanumeron kasvaessa elektronien sisäiset kiertoradat valmistuvat ulkoisten sijasta. jonka seurauksena ionien tilavuus ei kasva.
Harvinaisten maametallien selektiivinen kertyminen mineraaleihin ja kiviin saattaa johtua niiden ionisäteiden eroista. Tosiasia on, että lantanidi-ionien säteet pienenevät luonnollisesti lantaanista lutetiumiin. Tämän seurauksena vallitseva isomorfinen substituutio on mahdollinen riippuen substituoitujen harvinaisten maametallien ionien kokoerojen asteesta. Joten skandium-, zirkonium- ja mangaanimineraaleissa voi esiintyä vain lutetium-dysprosium-sarjan harvinaisia maametallia; sarjan keskiosan mineraalit (yttrium, dysprosium, gadolinium) kerääntyvät pääasiassa uraanimineraaleja; ceriumryhmän alkuaineet tulisi keskittyä toriummineraaleihin; strontium- ja bariummineraalit voivat sisältää vain europium-lantaani-sarjan alkuaineita.
1990-luvun alkuun asti Yhdysvallat oli päätuottaja [3] ( Mountain Pass field ). Vuonna 1986 maailma tuotti 36 500 tonnia harvinaisten maametallien oksideja. Näistä 17 000 tonnia on Yhdysvalloissa, 8 500 tonnia Neuvostoliitossa ja 6 000 tonnia Kiinassa. 1990-luvulla teollisuus modernisoitiin Kiinassa valtion osallistuessa. 1990-luvun puolivälistä lähtien Kiinasta on tullut suurin tuottaja. Vuosina 2007-2008 maailma tuotti 124 tuhatta tonnia harvinaisia maametallia vuodessa. Kiina oli johtoasemassa ja tuotti jopa 120 tuhatta tonnia Bayan-Obo- kentällä , jonka omistaa valtionyhtiö Sisä-Mongolian Baotou Steel Rare-Earth. Intiassa 2700 tonnia, Brasiliassa 650 tonnia. 2010-luvulla Kiina harjoitti harvinaisten maametallien louhintaa ja vientiä rajoittavaa politiikkaa, mikä stimuloi hintojen nousua ja lisäsi tuotantoa muissa maissa [4] .
Varastotiedot vuoden 2008 lopussa ovat seuraavat: Kiina 89 miljoonaa tonnia, IVY 21 miljoonaa tonnia, USA 14 miljoonaa tonnia, Australia (5,8 miljoonaa tonnia), Intia 1,3 miljoonaa tonnia, Brasilia 84 tuhatta tonnia [5] .
Vuonna 2011 japanilainen ryhmä löysi harvinaisten maametallien malmiesiintymiä Tyynenmeren pohjalta testaamalla maaperänäytteitä 80 paikasta 3,5–6 kilometrin syvyydestä. Joidenkin arvioiden mukaan nämä esiintymät voivat sisältää jopa 80-100 miljardia tonnia harvinaisten maametallien materiaaleja [6] [7] . Alkuaineiden pitoisuudeksi malmissa arvioitiin jopa 1-2,2 promillea yttriumilla ja 0,2-0,4 promillea raskaalla REE:llä; parhaiden maanalaisten esiintymien pitoisuus on suuruusluokkaa suurempi [8] [9] .
Neuvostoliitossa ja VenäjälläNeuvostoliitossa harvinaisten maametallien teollista louhintaa on toteutettu 1950-luvulta lähtien RSFSR:ssä, Kazakstanissa, Kirgisiassa, Virossa ja Ukrainassa, ja se saavutti 8 500 tonnia vuodessa [3] . Neuvostoliiton ja teollisuuden romahduksen jälkeen harvinaisten maametallien tuotantoketjut alkoivat hajota [10] . Tätä helpotti pääesiintymien malmien suhteellinen köyhyys.
Valtava kotimainen harvinaisten maametallien raaka-ainekanta on sidottu pääasiassa Murmanskin alueen apatiitti - nefeliiniesiintymiin [11] .
Suurin harvinaisten maametallien tuottaja Venäjällä on Solikamskin magnesiumtehdas . Yritys valmistaa itse asiassa puolivalmiita tuotteita - samariumin, europiumin, gadoliniumin, lantaanin, neodyymin, prometiumin, ceriumin karbonaatteja ja oksideja [11] .
Rosatom ja Rostec perustivat vuonna 2010 harvinaisten maametallien elementtejä käsittelevän työryhmän [3] . Vuonna 2013 teollisuus- ja kauppaministeriö hyväksyy ohjelman harvinaisten maametallien louhinnan kehittämiseksi 145 miljardin ruplan arvosta. vuoteen 2020 asti. Vuonna 2016 harvinaisten maametallien louhintavero nollataan [12] .
Vuonna 2014 aloitettiin hankkeiden kehittäminen maailman suurimman Tomtor - esiintymän kehittämiseksi Jakutiassa ja uuden Krasnokamenskin hydrometallurgisen tehtaan rakentaminen Trans-Baikal-alueelle [13] . Tuotannon on suunniteltu alkavan vuonna 2023. Suunnitelmana on tuottaa noin 14 000 tonnia ferroniobiumia ja noin 16 000 tonnia REM-oksideja [14] . Vuonna 2016 Acron Companyn Novgorodin tehtaalla käynnistettiin apatiittimalmeja käsittelevä myymälä, jonka kapasiteetti on 200 tonnia harvinaisten maametallien erotettuja oksideja vuodessa [15] [16] [17] . Vuonna 2018 Moskovan lähellä sijaitsevassa Korolevin kaupungissa käynnistettiin kokeellinen tuotanto, jossa valmistettiin yksittäisten alkuaineiden oksideja: La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Nd 2 O 3 , kapasiteetti 130 tonnia [18] . Permin alueella sijaitsevan Solikamskin magnesiumtehtaan pohjalta on tarkoitus aloittaa täyden syklin tuotanto, jonka kapasiteetti on enintään 3600 tonnia erotettuja oksideja [19] .
Harvinaisia maametalleja käytetään useilla tekniikan aloilla: radioelektroniikassa , instrumenttien valmistuksessa , ydintekniikassa, koneenrakennuksessa , kemianteollisuudessa , metallurgiassa jne. La, Ce, Nd, Pr ovat laajalti käytössä lasiteollisuudessa oksidien muodossa. ja muut yhdisteet. Nämä elementit lisäävät lasin läpikuultavuutta . Harvinaiset maametallit ovat osa erikoislaseja, jotka läpäisevät infrapunasäteitä ja absorboivat ultraviolettisäteitä , sekä happoa ja lämpöä kestäviä laseja. Harvinaiset maametallit ja niiden yhdisteet ovat saavuttaneet suuren merkityksen kemianteollisuudessa, esimerkiksi pigmenttien, lakkojen ja maalien valmistuksessa sekä öljyteollisuudessa katalyytteinä . Harvinaisia maametallien alkuaineita käytetään joidenkin räjähteiden , erikoisterästen ja metalliseosten valmistuksessa sitojina . Harvinaisten maametallien yksikideyhdisteitä (sekä laseja) käytetään laserin ja muiden optisesti aktiivisten ja epälineaaristen elementtien luomiseen optoelektroniikassa. Perustuen Nd, Y, Sm, Er, Eu kanssa Fe-B, seoksia, joilla on ennätykselliset magneettiset ominaisuudet (korkeat magnetointi- ja pakkovoimat), saadaan aikaan valtavan voiman kestomagneetteja verrattuna yksinkertaisiin ferroseoksiin.
Venäjällä harvinaisten maametallien kulutus on nyt noin 2 000 tonnia vuodessa. Noin 70 % käytetään elektroniikassa, useita satoja tonneja vuodessa tarvitaan myös öljynjalostuksen katalyyttien valmistukseen, pienempi määrä käytetään magneettien ja optiikan valmistukseen. Yleensä vain noin neljännes harvinaisista maametalleista Venäjällä käytetään siviilituotteiden tuotantoon, loput - sotilasteknisten tuotteiden tuotantoon. Venäjällä harvinaisten maametallien pääasiallisia kuluttajia ovat Rostecin rakenteeseen kuuluvat yritykset: Roselectronics, United Engine Corporation, Shvabe holding jne. [11] .
Monilla harvinaisilla maametallien alkuaineilla ei ole selkeää biologista roolia ihmiskehossa (esimerkiksi skandium , ytterbium , lutetium , tulium ja muut). Monien harvinaisten maametallien systeeminen myrkyllisyys on alhainen.
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
|
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|
Harvinaiset maametallit | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Jaksollinen järjestelmä | |
---|---|
Muodot |
|
Tuoteluettelot tekijän mukaan | |
ryhmät | |
Jaksot | |
Kemiallisten alkuaineiden perheet |
|
Jaksotaulukon lohko | |
muu | |
|