главная > справочник > химическая энциклопедия:

Редкоземельные элементы

Редкоземельные элементы, семейство из 17 химических элементов III группы периодической 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 называют легкими, a Cd-Lu-тяжелыми лантаноидами. Сам La иногда рассматривают отдельно от лантаноидов, а скандий от РЗЭ. Устаревшее название 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 других РЗЭ могут участвовать также f-электроны, однако близкие химические свойства РЗЭ определяются главным образом внешними d-и s-электронами. Поэтому эти элементы объединены в одну группу.

В состоянии М³⁺ РЗЭ имеют оболочку с 4f ⁿ-электронами (кроме Sc), в газов.м 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 повышенной 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 другие факторы; например, ионы Sm⁺, Tm⁺ (конфигурации f⁷ и f¹⁴), Рr⁵⁺ (f⁰), Dy⁵⁺ (f⁷) крайне неустойчивы.

У лантаноидов (как и у актиноидов) увеличение атомного номера 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 атомного номера 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 наиболее выражено при добавлении электронов к f⁰ - и f⁷-оболочкам.

Свойства. РЗЭ-металлы серебристо-белого цвета, некоторые - с желтоватым оттенком (Рr, Nd). Они пластичны и электропроводны, легко поддаются механической обработке. Многие свойства простых веществ и соединений изменяются симбатно в рядах La-Eu и Gd-Yb. Относительные изменения свойств могут быть совсем небольшими или, наоборот, значительными. Особенно резко отличаются свойства, отражающие переход из связанного состояния в свободное и обратно. Например, при переходе из металлического 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 (минимальное давление характерно для La, Gd и Lu, максимальное - для Еu и Yb). Это связано с большой разницей в энергии, необходимой для перехода 4f-электрона на 5d-уровень у М(0). Об изменении других свойств см. табл. 2. С другой стороны, есть свойства, остающиеся примерно постоянными для всех РЗЭ, например молярная . 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 веществ увеличивается.

В химических соединений 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 щелочноземельных металлов. Со многими электроотрицательными элементами (В, С, N, О, халькогены. галогены) РЗЭ образуют довольно стабильные соединения; высоко стабильны также гидриды РЗЭ. Поэтому РЗЭ-хорошие восстановители оксидов, сульфидов, галогенидов других металлов.

На воздухе легкие лантаноиды окисляются при комнатной температуре, остальные-при нагр. до 180-200 °С; Се и богатые Се сплавы пирофорны. РЗЭ реагируют с водой (при нагревании - быстро), соляной, серной и азотной кислотами. РЗЭ образуют многочисленные интерметаллические и комплексные соединения. См. также Редкоземельных элементов галогениды. Редкоземельных элементов оксиды.

Распространенность в природе и природные источники. РЗЭ

РЗЭ с четными атомными номерами распространены заметно больше, чем РЗЭ с нечетными номерами (рис. 3). Иттрий и легкие лантаноиды (кроме Pm) содержатся в земной коре в больших количествах, чем тяжелые. Наиболее 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%). Наиболее распространен в космосе Sc, затем Y, Се, La, Nd, Gd и другие РЗЭ-природные спутники Ti, Zr, Hf, Nb, Та, Th, U и некоторых других металлов. Известно большое количество минералов РЗЭ (по одним источникам, более 150, по другим-более 200), важнейшие из которых - бастнезит LnCO₃F, монацит LnPO₄, ксенотим LnPO₄. Первые два содержат легкие лантаноиды, ксенотим - Y и тяжелые лантаноиды. Промышленное 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. Многие минералы РЗЭ радиоактивны из-за наличия в них U, Th и продуктов их распада.

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 фторокарбонат, ассоциированный с монацитом, ксенотимом, флюоцеритом и др. минералами. Общие промышленные 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 гравитационному обогащению для выделения тяжелых минералов-монацита, ксенотима, эвксенита и др. Монацит из смеси с др. минералами выделяют сочетанием гравитационного электромагнитного и электростатического методов. Для индийского монацита применяют также флотацию. Обогащение калифорнийской бастнезитовой руды (7-10% оксидов РЗЭ) осуществляют флотацией, растворением СаСО₃ в 10%-ной соляной кислоте, обжигом для удаления СО₂ и перевода Се^{3 +} в Се⁴⁺, доводя концентрацию оксидов РЗЭ до 85%.

Химическая 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 кислоты или щелочь. Щелочную переработку монацита и ксенотима часто проводят в автоклавах при 140-150°С с использованием 70%-ного раствора NaOH. Осажденные гидроксиды Th, U и РЗЭ растворимы в соляной или азотной кислоте, частичной нейтрализацией раствора 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 концентрированной H₂SO₄ при 200-250 °С, выщелачивание растворимых сульфатов Th и РЗЭ водой, осаждение Th и последующее осаждение РЗЭ в виде комплексных солей действием Na₂SO₄ (осаждаются РЗЭ цериевой группы) или в виде оксалатов действием щавелевой кислоты. Комплексные сульфаты обрабатывают раствором NaOH, а затем растворяют в соляной кислоте.

Бастнезитовые концентраты выщелачивают соляной кислотой, из нерастворимого остатка выделяют цериевый концентрат, а раствор используют для получения индивидуальных РЗЭ.

Апатитовые концентраты разлагают концентрированной HNO₃, добавлением в раствор NaNO₃ осаждают SiO₂ и Na₂SiF₆, частичной нейтрализацией раствора аммиаком осаждают фосфаты РЗЭ.

Лопаритовые, бастнезитовые и эвксенитовые концентраты перерабатывают также хлорированием. Их брикетируют с коксом и обрабатывают Сl₂ при 800-1200 °С. Нелетучие хлориды используют для получения мишметалла (сплава РЗЭ) или растворяют в воде и направляют на разделение РЗЭ.

Разделение РЗЭ. Для разделения РЗЭ и очистки их от примесей применяют осадительные методы, селективное окисление или восстановление, ионообменную сорбцию и жидкостную экстракцию. Осадительные методы (выделение гидроксидов, 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.

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

Экстракционные методы более производительны и менее громоздки. Для разделения используют трибутилфосфат (коэффициент разделения соседних РЗЭ 1,3-1,6 в HNO₃), ди-(2-этилгексил)-фосфорную кислоту (коэффициент разделения 1,6-3,2 в НСl), др. алкил-фосфаты. Перспективно применение карбоновых кислот и аминов. Используют экстракционные каскады с десятками ступеней разделения.

Получение металлов. Мишметалл получают электролизом расплава безводных хлоридов РЗЭ в присутствии хлоридов щелочных металлов при 800-900 °С в стальных аппаратах, стенки которых служат катодом, а графитовые стержни-анодом. Разработан электролиз смеси фторидов РЗЭ, расплавов соединения РЗЭ с жидким металлическим катодом (Zn, Cd), водных растворов с ртутным катодом. Индивидуальные РЗЭ получают металлотермическим восстановлением их фторидов (кроме Sm, Eu, Tm и Yb, которые 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, которые прокаливают при 900-1000°С до оксидов. Оксиды Се, Рr и Тb переводят в гемиоксиды действием Н₂ при 500-600 °С. Применяют также комплексонометрическое титрование растворами этилендиаминтетрауксусной кислоты с ксиленоловым оранжевым или арсеназо. Индивидуальные РЗЭ определяют методами спектрофотометрии, пламенной и плазменной фотометрии, атомно-абсорбционным, масс-спектрометрическим, рентгенофлуоресцентным и активационным анализом.

Применение. Ок. ²/₃ общего количества производимых РЗЭ и их соединений использует в виде смесей с природным соотношением элементов или смесей, из которых удалены 1-2 элемента. Их применяют для получения катализаторов крекинга, в производстве легирующих добавок (мишметалл и силициды РЗЭ) к чугунам, сталям и цветным металлам, полирующих композиций, например для стекол. Смесь фторидов РЗЭ-добавки в угольные электроды. Значительное количество РЗЭ используют в виде концентратов. Так, добавки концентратов с СеО₂ вводят в шихту для обесцвечивания оптических стекол, концентраты La, Рr и Nd используют для получения бесцериевого 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 преимущественным содержанием Рr применяют для окрашивания цирконовой керамики, Nd-для окрашивания стекол в фиолетовый цвет, Sm-для производства постоянных магнитов на основе SmCo₅. Соединения RNi₅ (R-мишметалл или La) перспективны как абсорбенты Н₂, катализаторы гидрирования, средства для очистки Н₂ и др., RFe₂, сплавы R-Fe-B-перспективные магнитные материалы.

Общее производство РЗЭ в 1980 составляло (без СССР) около 26 тыс. т, из них 11 тыс. т применялось в металлургии и производстве 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.: Итоги 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.