Что такое редкоземельные металлы? Почему редкие и зачем нужны людям?
На школьных уроках химии нам рассказывали о том, что наибольшее количество элементов в таблице Д.И.Менделеева — это металлы. Однако, что и эти металлы бывают самыми разными, знают далеко не все. Рассказываем, какие металлы считаются редкоземельными и почему эта группа получила такое название.
Они в свою очередь подразделяются еще на две группы:
легкие — от лантана до самария;
тяжелые — от европия до лютеция.
Вопреки названию, они относительно распространены в земной коре. Но из-за своих геохимических свойств эти элементы, как правило, достаточно рассеяны. Это означает, что они редко встречаются в пригодной для добычи концентрации. Такое низкое содержание металлов в земле — лишь одна из причин названия группы.
Суммарные запасы редкоземельных металлов в коре Земли выше запасов свинца в 10 раз, молибдена в 50 раз, а вольфрама в 165 раз!
Сгорая, редкоземельные металлы образуют весьма тугоплавкие и плохо растворимые в воде оксиды — в конце 18 века их называли «землями» (как, например, глину или почву).
Месторождения этих металлов можно найти по всему миру, но, как уже было сказано, распределены они неравномерно.
Прометий — это единственный искусственно получаемый редкоземельный металл. Он радиоактивен и используется в устройстве атомных батарей.
Образец иттрия
Изучение рудных образцов происходило недалеко от шведской деревни Иттербю, по названию которой позже получили имена редкоземельные элементы — иттрий, тербий, эрбий и иттербий.
Позднее немецкий ученый Мартин Клапрот поделил эти образцы на две группы — иттриевую и цериевую. Некоторое время спустя шведскому химику Карлу Мосандеру удалось извлечь из того же образца еще несколько элементов. Каждый из них был оксидом новых элементов, которые стали называться редкоземельными.
Выделение оксидов оказалось сложной задачей, а потому в то время было множество ложных объявлении об открытиях все новых и новых редкоземельных элементов. Объединив усилия, к 1907 году ученые предоставили итоговое заключение — всего идентифицировано 16 таких элементов.
Лютеций — самый тяжелый представитель семейства лантаноидов.Позже в ходе экспериментов с ураном и исследования продуктов его деления был выделен новый элемент — прометий. Он стал 17-м и последним участником группы редкоземельных элементов.
Редкоземельные элементы, как правило, трехвалентны, но некоторые имеют и другие валентности. Например, самарий, европий и иттербий могут быть двухвалентными, а церий, празеодим и тербий — четырехвалентными.
Валентность — способность атома присоединять к себе определенное количество атомов других элементов.
В некоторых научных книгах редкоземельные элементы рассматриваются как химически настолько похожие друг на друга, что в целом их можно рассматривать как один элемент. В каком-то смысле это верно — около 25% их применения в нашей жизни как раз основано на этом близком сходстве. Однако остальные 75% использования базируются именно на уникальных свойствах каждого элемента. И это еще все! Тщательное изучение этих элементов показывает огромные различия в их поведении и свойствах.
Например, температура плавления лантана («начальника» ряда лантаноидов) — 918 °C. Это намного ниже температуры плавления лютеция, последнего элемента этого семейства, примерно 1663 °C. Эта разница намного больше, чем большинство других, которые встречаются группах периодической таблицы. Например, температуры плавления меди, серебра и золота отличаются всего на 100 °C.
Ртуть — это единственный металл, температура плавления которого отрицательная — -38,83 °C.
Автомобилестроение — крупнейший потребитель редкоземельных продуктов. Десятки электродвигателей в типичном автомобиле, а также динамики звуковой системы используют постоянные магниты из неодима, железа и бора. Электрические датчики используют стабилизированный иттрием цирконий для измерения и контроля содержания кислорода в топливе. Люминофоры в оптических дисплеях содержат оксиды иттрия, европия и тербия. Лобовое стекло, зеркала и линзы полируются с использованием оксидов церия. Даже бензин или дизельное топливо, которые, собственно, приводят в движение авто, были очищены с использованием катализаторов редкоземельных элементов, содержащих лантан, церий или смешанные оксиды редкоземельных элементов. А гибридные автомобили питаются от перезаряжаемой батареи на основе никель-лантанового металлгидрида и электродвигателя тяги с постоянными магнитами, содержащими редкоземельные элементы.
Более того, современные медиа и коммуникационные устройства — мобильные телефоны, телевизоры и компьютеры — все они тоже используют редкоземельные элементы в качестве магнитов для динамиков и жестких дисков и люминофоров для оптических дисплеев. Количество используемых редкоземельных элементов сравнительно небольшое — всего 0,1–5 % от общей массы. Однако они критически важны — любое из этих устройств работало бы гораздо хуже или было намного тяжелее без использования редкоземельных элементов.
Китай — лидер по добыче редкоземельных элементов. Стране принадлежит около 70% от всей разработки этих металлов в мире.
Огромную роль эти элементы играют и в военном деле — системы радаров и наведения, а также лазеры требуют большого количества «редких земель». В медицине они — гаранты корректной работы аппаратов МРТ.
Оглянитесь вокруг. Посчитайте количество технологических устройств. Скорость работы и удобство всех этих штучек — заслуга свойств редкоземельных металлов.
Что такое редкоземельные металлы
Редкоземельными элементами считаются металлы семейства лантаноидов (от церия до лютеция), а также скандий и иттрий. Итого — 17 элементов.Они в свою очередь подразделяются еще на две группы:
легкие — от лантана до самария;
тяжелые — от европия до лютеция.
Вопреки названию, они относительно распространены в земной коре. Но из-за своих геохимических свойств эти элементы, как правило, достаточно рассеяны. Это означает, что они редко встречаются в пригодной для добычи концентрации. Такое низкое содержание металлов в земле — лишь одна из причин названия группы.
Суммарные запасы редкоземельных металлов в коре Земли выше запасов свинца в 10 раз, молибдена в 50 раз, а вольфрама в 165 раз!
Сгорая, редкоземельные металлы образуют весьма тугоплавкие и плохо растворимые в воде оксиды — в конце 18 века их называли «землями» (как, например, глину или почву).
Образец люте
Где добывают редкоземельные элементыМесторождения этих металлов можно найти по всему миру, но, как уже было сказано, распределены они неравномерно.
Прометий — это единственный искусственно получаемый редкоземельный металл. Он радиоактивен и используется в устройстве атомных батарей.
История открытия
Путь к открытию редкоземельных металлов был долгим — около ста лет. Первый элемент, иттрий, открыл шведско-финский химик Юхан Гадолин в 1794 году. Через время после этого минерал, из которого был извлечен иттрий, назвали гадолинитом — в честь исследователя.Образец иттрия
Изучение рудных образцов происходило недалеко от шведской деревни Иттербю, по названию которой позже получили имена редкоземельные элементы — иттрий, тербий, эрбий и иттербий.
Позднее немецкий ученый Мартин Клапрот поделил эти образцы на две группы — иттриевую и цериевую. Некоторое время спустя шведскому химику Карлу Мосандеру удалось извлечь из того же образца еще несколько элементов. Каждый из них был оксидом новых элементов, которые стали называться редкоземельными.
Выделение оксидов оказалось сложной задачей, а потому в то время было множество ложных объявлении об открытиях все новых и новых редкоземельных элементов. Объединив усилия, к 1907 году ученые предоставили итоговое заключение — всего идентифицировано 16 таких элементов.
Лютеций — самый тяжелый представитель семейства лантаноидов.Позже в ходе экспериментов с ураном и исследования продуктов его деления был выделен новый элемент — прометий. Он стал 17-м и последним участником группы редкоземельных элементов.
Образец прометия
Химические свойства редкоземельных элементовРедкоземельные элементы, как правило, трехвалентны, но некоторые имеют и другие валентности. Например, самарий, европий и иттербий могут быть двухвалентными, а церий, празеодим и тербий — четырехвалентными.
Валентность — способность атома присоединять к себе определенное количество атомов других элементов.
В некоторых научных книгах редкоземельные элементы рассматриваются как химически настолько похожие друг на друга, что в целом их можно рассматривать как один элемент. В каком-то смысле это верно — около 25% их применения в нашей жизни как раз основано на этом близком сходстве. Однако остальные 75% использования базируются именно на уникальных свойствах каждого элемента. И это еще все! Тщательное изучение этих элементов показывает огромные различия в их поведении и свойствах.
Например, температура плавления лантана («начальника» ряда лантаноидов) — 918 °C. Это намного ниже температуры плавления лютеция, последнего элемента этого семейства, примерно 1663 °C. Эта разница намного больше, чем большинство других, которые встречаются группах периодической таблицы. Например, температуры плавления меди, серебра и золота отличаются всего на 100 °C.
Ртуть — это единственный металл, температура плавления которого отрицательная — -38,83 °C.
Зачем людям нужны редкоземельные металлы
Возможно, вы никогда об этом не задумывались, но сложно придумать какое-нибудь устройство, которое не содержало бы редкоземельных элементов. Даже такой простой продукт, как кремень для зажигалки — это преимущественно сплав церия, лантана и железа. Что уж говорить о более технически сложных вещах.Автомобилестроение — крупнейший потребитель редкоземельных продуктов. Десятки электродвигателей в типичном автомобиле, а также динамики звуковой системы используют постоянные магниты из неодима, железа и бора. Электрические датчики используют стабилизированный иттрием цирконий для измерения и контроля содержания кислорода в топливе. Люминофоры в оптических дисплеях содержат оксиды иттрия, европия и тербия. Лобовое стекло, зеркала и линзы полируются с использованием оксидов церия. Даже бензин или дизельное топливо, которые, собственно, приводят в движение авто, были очищены с использованием катализаторов редкоземельных элементов, содержащих лантан, церий или смешанные оксиды редкоземельных элементов. А гибридные автомобили питаются от перезаряжаемой батареи на основе никель-лантанового металлгидрида и электродвигателя тяги с постоянными магнитами, содержащими редкоземельные элементы.
Более того, современные медиа и коммуникационные устройства — мобильные телефоны, телевизоры и компьютеры — все они тоже используют редкоземельные элементы в качестве магнитов для динамиков и жестких дисков и люминофоров для оптических дисплеев. Количество используемых редкоземельных элементов сравнительно небольшое — всего 0,1–5 % от общей массы. Однако они критически важны — любое из этих устройств работало бы гораздо хуже или было намного тяжелее без использования редкоземельных элементов.
Китай — лидер по добыче редкоземельных элементов. Стране принадлежит около 70% от всей разработки этих металлов в мире.
Огромную роль эти элементы играют и в военном деле — системы радаров и наведения, а также лазеры требуют большого количества «редких земель». В медицине они — гаранты корректной работы аппаратов МРТ.
Оглянитесь вокруг. Посчитайте количество технологических устройств. Скорость работы и удобство всех этих штучек — заслуга свойств редкоземельных металлов.
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
