Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, семейство из 17 хим. элементов III гр. периодич. системы, включающее скандий, иттрий, лантан и лантаноиды: церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Подразделяются на иттриевую (Y, La, Gd-Lu) и цериевую (Се-Eu) подгруппы. Элементы Се-Eu наз. легкими, a Cd-Lu-тяжелыми лантаноидами. Сам La иногда рассматривают отдельно от лантаноидов, а скандий-от РЗЭ. Устаревшее назв. лантаноидов Ln-лантаниды.

Электронная структура. Лантаноидное сжатие. Электронная конфигурация РЗЭ дана в табл. 1, у ионов М3+(М = Sc, Y, La) устойчивая конфигурация инертных газов. У Sc, Y и La в образовании хим. связи участвуют d- и s-электроны, у др. РЗЭ могут участвовать также f-электроны, однако близкие хим. св-ва РЗЭ определяются гл. обр. внешними d-и s-электронами. Поэтому эти элементы объединены в одну группу.

4045-1.jpg

В состоянии М3+ РЗЭ имеют оболочку с 4f n-электронами (кроме Sc), в газовом состоянии-4f n+16s2 (кроме La, Ce, Gd и Lu, имеющих оболочку 4f n), в металлическом М°-4f n (для Еu и Yb-4f n + 1). Предполагается, что вакантная, заполненная наполовину и заполненная полностью f-оболочки обладают повыш. устойчивостью. Поэтому Sc, Y, La, Gd и Lu образуют только ионы М3+, для Се и Тb устойчиво также состояние М4+, а для Еu и Yb-также М2+ . Помимо электронной структуры на устойчивость валентных состояний РЗЭ влияют и др. факторы; напр., ионы Sm+, Tm+ (конфигурации f7 и f14), Рr5+ (f0), Dy5+ (f7) крайне неустойчивы.

У лантаноидов (как и у актиноидов) увеличение ат.н. приводит не к повышению, а к понижению размеров атомов и ионов. Причина этого явления, называемого лантаноидным сжатием,-неполное экранирование добавочными 4f-электронами уже имеющихся 4f-электронов. С ростом ат.н. РЗЭ увеличивается эффективный заряд ядра, воздействующий на каждый из f-электронов, а неполное экранирование последних вызывает смещение электронных оболочек атомов ближе к ядру. Это смещение не совсем регулярно, и наиб. выражено при добавлении электронов к f0 - и f7-оболочкам.

Свойства. РЗЭ-металлы серебристо-белого цвета, нек-рые-с желтоватым оттенком (Рr, Nd). Они пластичны и электропроводны, легко поддаются мех. обработке. Мн. св-ва простых в-в и соед. изменяются симбатно в рядах La-Eu и Gd-Yb. Относит, изменения св-в м.б. совсем небольшими или, наоборот, значительными. Особенно резко отличаются св-ва, отражающие переход из связанного состояния в свободное и обратно. Напр., при переходе из металлич. состояния в парообразное мерой является давление пара металлов. При 25 °С давления паров РЗЭ различаются более чем на 40 порядков, а при 1000 °С-примерно на 10 порядков (миним. давление характерно для La, Gd и Lu, макс.-для Еu и Yb). Это связано с большой разницей в энергии, необходимой для перехода 4/-электрона на 5d-уровень у М °. Об изменении др. св-в см. табл. 2. С др. стороны, есть св-ва, остающиеся примерно постоянными для всех РЗЭ, напр. молярная4045-3.jpg. Вследствие лантаноидного сжатия при переходе от La к Lu ионные радиусы РЗЭ и их атомные радиусы (кроме Еu и Yb) плавно уменьшаются (рис. 1, 2), плотность простых в-в увеличивается.

4045-2.jpg

4045-4.jpg

В хим. соед. РЗЭ проявляют степени окисления 3+ (все РЗЭ), 4+ (Се, Рг, Nd, Tb, Dy) и 2+ (Sm, Eu, Tm и Yb). Се-аналог Zr, Th и U(IV), Eu и Yb-аналоги щел.-зем. металлов. Со мн. электроотрицат. элементами (В, С, N, О, халькогены, галогены) РЗЭ образуют довольно стабильные соед.; высоко стабильны также гидриды РЗЭ. Поэтому РЗЭ-хорошие восстановители оксидов, сульфидов, галоге-нидов др. металлов.

На воздухе легкие лантаноиды окисляются при комнатной т-ре, остальные-при нагр. до 180-200 °С; Се и богатые Се сплавы пирофорны. РЗЭ реагируют с водой (при нагр.-быстро), соляной, серной и азотной к-тами. РЗЭ образуют многочисл. интерметаллич. и комплексные соединения. См. также Редкоземельных элементов галогениды, Редкоземельных элементов оксиды.

Распространенность в природе и природные источники. РЗЭ

с четными ат. н. распространены заметно больше, чем РЗЭ с нечетными номерами (рис. 3). Иттрий и легкие лантаноиды (кроме Pm) содержатся в земной коре в больших кол-вах, чем тяжелые. Наиб. распространены Се (4,61·10-3% по массе), Y (2,81·10-3%), Nd (2,39·10-3%) и La (1,83·10-3%), наименее-Tm (2,0·10-5%), Lu (7,5·10-5%) и Tb (9,1·10-5%). Наиб. распространен в космосе Sc, затем Y, Се, La, Nd, Gd и др. РЗЭ-прир. спутники Ti, Zr, Hf, Nb, Та, Th, U и нек-рых др. металлов. Известно большое кол-во минералов РЗЭ (по одним источникам, более 150, по другим-более 200), важнейшие из к-рых - бастнезит LnCO3F, монацит LnPO4, ксе-нотим LnPO4. Первые два содержат легкие лантаноиды, ксенотим - Y и тяжелые лантаноиды. Пром. значение имеют лопарит (Na,Ca,Ln)(Ti,Ta,Nb)O3, апатит Ca5(PO4)3F, эвксенит Ln(Nb, Та)ТiO6·хН2О, гадолинит (Fe2+,Be)3 x x Ln2Si2O10, перспективны алланит (Са, Fe2+)2 x x (Ln, Al, Fe3+)3 Si3О13Н, перовскит СаТiO3, сфен CaTiSiO4(O, ОН, F), циркон ZrSiO4. РЗЭ содержатся в хвостах обогащения урановых руд (тяжелые лантаноиды и Y), во флюорите CaF2. Мн. минералы РЗЭ радиоактивны из-за наличия в них U, Th и продуктов их распада.

4045-5.jpg

Рис. 3. Распределение РЗЭ в природе: A-содержание в земной коре, % по массе.

РЗЭ бастнезита состоят на 27-32% из La, 49-50% Се, 4-5% Рг, 13-15% Nd, 0,5-1,0% Sm, 0,1-0,2% Eu и 0,3-0,4% Gd; общее содержание Ln2O3 73-76%. Месторождения бастнезита имеются в США, КНР, Бурунди и Швеции. Монацит содержит 42,3-66,9% Ln2O3 цериевой группы и 0,5-4,8% иттриевой группы; относит, кол-ва: 19-23% La, 44-46% Се, 5-6% Рr, 18-20% Nd, 4-5% Sm, 2-3% Y, 2% Gd и 1,5-2,0% др. РЗЭ, 5-10% ThO2. Монацит добывают в Бразилии, Индии, Австралии и Малайзии, он имеется также на Мадагаскаре, в Малави и др. Ксенотим содержит 51,9-62,6% Ln2O3 иттриевой группы, 0,3-4,6% цериевой группы и по ~ 3% U3O8 и ThO2. Добыча сосредоточена в Малайзии.

В СНГ важные источники РЗЭ-лопарит (30,7-34,1% Ln2O3 цериевой группы) и иттропаризит - сложный фторо-карбонат, ассоциированный с монацитом, ксенотимом, флюоцеритом и др. минералами. Общие пром. мировые запасы РЗЭ в виде оксидов, кроме Y, составляют (без СНГ) ок. 33 млн. т (1980).

Переработка руд и концентратов. Руды, содержащие минералы РЗЭ, обычно подвергают гравитац. обогащению для выделения тяжелых минералов-монацита, ксенотима, эвк-сенита и др. Монацит из смеси с др. минералами выделяют сочетанием гравитац. электромагнитного и электростатич. методов. Для индийского монацита применяют также флотацию. Обогащение калифорнийской бастнезитовой руды (7-10% оксидов РЗЭ) осуществляют флотацией, растворением СаСО3 в 10%-ной соляной к-те, обжигом для удаления СО2 и перевода Се3 + в Се4+, доводя концентрацию оксидов РЗЭ до 85%.

Хим. переработка рудных концентратов включает выщелачивание, отделение радиоактивных примесей, выделение хим. концентратов РЗЭ (загрязненные оксиды, оксалаты, фториды, хлориды, сульфаты и др.), разделение самих РЗЭ и получение металлов. Для выщелачивания применяют к-ты или щелочь. Щелочную переработку монацита и ксенотима часто проводят в автоклавах при 140-150 °С с использованием 70%-ного р-ра NaOH. Осажденные гидроксиды Th, U и РЗЭ раств. в соляной или азотной к-те, частичной нейтрализацией р-ра вновь осаждают гидроксиды Th и U, а полной нейтрализацией-гидроксиды РЗЭ. Р-р хлоридов РЗЭ после осаждения Th и U иногда выпаривают с выделением концентрата или направляют на разделение РЗЭ.

Кислотный способ предусматривает сульфатизацию монацита избытком конц. H2SO4 при 200-250 °С, выщелачивание р-римых сульфатов Th и РЗЭ водой, осаждение Th и послед. осаждение РЗЭ в виде комплексных солей действием Na2SO4 (осаждаются РЗЭ цериевой группы) или в виде оксалатов действием щавелевой к-ты. Комплексные сульфаты обрабатывают р-ром NaOH, а затем раств. в соляной к-те.

Бастнезитовые концентраты выщелачивают соляной к-той, из нерастворимого остатка выделяют цериевый концентрат, а р-р используют для получения индивидуальных РЗЭ.

Апатитовые концентраты разлагают конц. HNO3, добавлением в р-р NaNO3 осаждают SiO2 и Na2SiF6, частичной нейтрализацией р-ра аммиаком осаждают фосфаты РЗЭ.

Лопаритовые, бастнезитовые и эвксенитовые концентраты перерабатывают также хлорированием. Их брикетируют с коксом и обрабатывают С12 при 800-1200 °С. Нелетучие хлориды используют для получения мишметалла (сплава РЗЭ) или раств. в воде и направляют на разделение РЗЭ.

Разделение РЗЭ. Для разделения РЗЭ и очистки их от примесей применяют осадит. методы, селективное окисление или восстановление, ионообменную сорбцию и жидкостную экстракцию. Осадит. методы (выделение гидрокси-дов, оксалатов и др.) используют для очистки при получении концентратов РЗЭ, селективное окисление-для отделения Се, реже-Pr и Тb, селективное восстановление-для отделения Ей (обычно в виде нерастворимого EuSO4), реже-Sm и Yb.

Осн. метод получения чистых РЗЭ в нач. 50-х гг.-ионообменная сорбция, с сер. 60-х гг. - экстракция. Сорбцию сначала использовали в периодич. варианте, а впоследствии для получения концентратов стали применять и непрерывные методы сорбционного разделения. Коэф. разделения соседних РЗЭ обычно не превышают 1,5-3,0.

Экстракц. методы более производительны и менее громоздки. Для разделения используют трибутилфосфат (коэф. разделения соседних РЗЭ 1,3-1,6 в HNO3), ди-(2-этилгексил)-фосфорную к-ту (коэф. разделения 1,6-3,2 в НС1), др. алкил-фосфаты. Перспективно применение карбоновых к-т и аминов. Используют экстракц. каскады с десятками ступеней разделения.

Получение металлов. Мишметалл получают электролизом расплава безводных хлоридов РЗЭ в присут. хлоридов щелочных металлов при 800-900 °С в стальных аппаратах, стенки к-рых служат катодом, а графитовые стержни-анодом. Разработан электролиз смеси фторидов РЗЭ, расплавов соед. РЗЭ с жидким металлич. катодом (Zn, Cd), водных р-ров с ртутным катодом. Индивидуальные РЗЭ получают металлотермич. восстановлением их фторидов (кроме Sm, Eu, Tm и Yb, к-рые производят восстановлением оксидов) или хлоридов. Восстановители-Са, реже Li или Mg, а также мишметалл, Na, Се и др. РЗЭ. Металлы рафинируют вакуумной переплавкой.

Определение. При групповом определении осаждают оксалаты или гидроксиды РЗЭ, к-рые прокаливают при 900-1000 °С до оксидов. Оксиды Се, Рr и Тb переводят в гемиоксиды действием Н2 при 500-600 °С. Применяют также комплексонометрич. титрование р-рами этилендиа-минтетрауксусной к-ты с ксиленоловым оранжевым или арсеназо. Индивидуальные РЗЭ определяют методами спектрофотометрия, пламенной и плазменной фотометрии, атомно-абсорбционным, масс-спектрометрическим, рентге-нофлуоресцентным и активац. анализом.

Применение. Ок. 2/3 общего кол-ва производимых РЗЭ и их соед. использует в виде смесей с прир. соотношением элементов или смесей, из к-рых удалены 1-2 элемента. Их применяют для получения катализаторов крекинга, в произ-ве легирующих добавок (мишметалл и силициды РЗЭ) к чугунам, сталям и цветным металлам, полирующих композиций, напр. для стекол. Смесь фторидов РЗЭ-добавки в угольные электроды. Значит. кол-во РЗЭ используют в виде концентратов. Так, добавки концентратов с СеО2 вводят в шихту для обесцвечивания оптич. стекол, концентраты La, Рr и Nd используют для получения бссцериевого мишметалла (для легирования цветных металлов), как добавку к ВаТiO3. Концентрат Рг и Nd (дидим) вводят в состав стекол для защиты глаз при сварке, для получения легирующих добавок к сплавам Mg. Концентрат с преимуществ. содержанием Рr применяют для окрашивания цирконовой керамики, Nd-для окрашивания стекол в фиолетовый цвет, Sm-для произ-ва постоянных магнитов на основе SmCo5. Соед. RNi5 (R-мишметалл или La) перспективны как абсорбенты Н2, катализаторы гидрирования, ср-ва для очистки Н2 и др., RFe2, сплавы R-Fe-B-перспективные магн. материалы.

Общее произ-во РЗЭ в 1980 составляло (без СССР) ок. 26 тыс. т, из них 11 тыс. т применялось в металлургии и произ-ве магнитов, 7 тыс. т-в виде катализаторов и химикатов, 8 тыс. т-в виде стекла и керамики.

Первым из РЗЭ открыт Y в 1794 Ю. Гадолином, открытие всех РЗЭ завершено к нач. 20 в. РЗЭ первоначально были выделены в виде оксидов, поэтому они и получили название "редких земель", т.к. химики прошлого наз. "землями" оксиды.

Лит.: Михайличенко А. И., Клименко М. А., в сб.: Итога науки -и техники. Металлургия цветных и редких металлов, т. 10, М., 1977, с. 5-36; Основы жидкостной экстракции, под ред. Г. А. Ягодина, М., 1981; Редкоземельные элементы, Технология и применение, под ред. Ф. Виллани, пер. с англ., М., 1985; Handbook on the physic and chemistry of rare earths, v. 1-12, ed. by K. A. Gscbeidner, Amst.-[a.o.], 1978-89; The rare earths in modern science and technology. Proceedings of the 15th rare earth research conference. Rolla (Mi), 15-18 June, 1981, N.N.-L., 1982; Forsberg J. H. [a.o.], Gmelin Handbook of Jnorganic Chemistry, 8 ed., pt D6, B.-[a.o.], 1983; Czack G. [a.o.], там же, pt C7. B.-[a.o.], 1983; Kubach I. [a.o.], там же, pt A7, В.-[а.о.], 1984; Birnbaum E., Forsberg J., там же, pt D4, B.-[a.o], 1986. Г.А. Ягодин, Э.Г. Раков.


     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн