神奇的稀土元素
“稀土”(Rare Earth)家族由17个元素组成,包括15个镧系元素(镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu))和与之同族的钪(Sc)、钇(Y)。由于该家族成员往往共生于自然界、且分布“稀散”,其混合物貌似泥土,因而给世人留下了这么一个并不起眼的名字。
从1794年发现第一个稀土元素钇到1972年发现自然界中的稀土元素钷,共经历了178年,才把17种稀土元素全部在自然界中找齐。近年由于工业提纯和冶炼技术的发展,除元素钜以外,都能获得高纯度的稀土氧化物和稀土金属。稀土的应用也随着科技的发展,从19世纪末应用稀土制造汽灯纱罩、打火石和弧光灯碳棒等初级产品,发展到现在把稀土广泛的应用于彩电荧光屏,三基色节能灯,绿色高能充电电池,汽车尾气净化催化剂,电脑驱动器、核磁共振成像仪。固体激光器和磁悬浮列车等高科技领域。
稀土元素的神奇功能主要仰仗于它特殊的4f电子结构、奇特的配位性质、大的原子磁矩和有序变化的原子(离子)尺寸。稀土在传统工业和高技术产业中均扮演了不可替代的重要角色,因而被喻为高新技术材料的“味精”和“维生素”。正因为稀土元素在高科技领域应用的神奇功效,美、日等国均将其悉数列入“战略元素”的行列,予以特殊储备和开发。
稀土元素的神奇首先表现在其特殊的发光特性上。从100多年前风靡全球的掺有少量硝酸铈的汽灯纱罩,到当今人们不可或缺的电视、计算机显像,各种性能各异、能耗小、光色可人的照明,以及X光探测、激光材料等均与稀土的贡献分不开。更重要的是,几乎所有的光信息载体、传输、存储、放大、调制材料和光信息显示材料都离不开稀土元素。稀土元素中钇、铕是红色荧光粉的主要原料,广泛应用于彩色电视机、计算机及各种显示器。目前,我国年产彩电红粉300—400吨,计算机显示器红粉50—100吨,以满足国产3500万支彩显管和近百万支显示器的需求。
稀土元素的神奇还表现在它们的磁性质上。钕、钐、镨、镝等是制造现代超级永磁材料的主要原料,其磁性高出普通永磁材料4—10倍,广泛应用于电视机、电声、医疗设备、磁悬浮列车及军事工业等高新技术领域。从人们熟知的高性能永磁体,到现代电子、信息产业中的磁记录、磁探测器件,包括高密度磁光记录和存储材料等也都建立在稀土的特异磁性能上。
稀土元素的神奇还体现在其化合物独特的电学性质上。人们已经熟悉的高温超导材料,高效、绿色新能源的产生、储存和转换的电解质和电极材料,以及高灵敏度气体、有毒离子的探测器等,无不能看到稀土的身影。
在传统的钢铁、有色金属冶炼、加工和成材过程中,稀土的加入可提高材料的强度和韧性、强化材料的抗腐蚀性、降低使用成本。稀土化合物的催化特性不仅可以提高石油的利用率,还可转化和消除工业、汽车等排放的有毒气体,这对于保护我们的绿色家园无疑具有重要意义。稀土在玻璃、陶瓷材料中的应用也给人类带来了丰富多彩的感官享受和实实在在的防辐射功效。
此外,稀土在生物、医学中的功用初露端倪,已经报道的稀土化合物的抗癌、抗爱滋病及其治疗中的作用引起世人的关注;在农作物和畜产品增产和抗逆性能方面的作用也为全世界所接受。
总之,随着我国稀土资源的开发利用,稀土元素的神奇将日益凸现、并更多地造福于人类。神奇的稀土也会成为寻常百姓的耳熟能详的元素家族,成为我们每个人的朋友。