稀土元素的发现和应用，本文主要内容关键词为：稀土元素论文,发现论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着现代科学技术的飞速发展，稀土元素日益显示出它的重要作用，特别是在新材料的研制和应用中，它已经扮演了重要的角色。
稀土元素是一个多成员的大家族。它由元素周期表中ⅢB 族的钪（Sc）、钇（Y）和镧系元素组成，共17个成员，且都是金属元素。
这些元素之所以能形成一个大家族，主要是因为它们的性质十分相似，且在自然界中，易于共生而难以分离。也正因为如此，17种稀土元素的一一发现，在历史上经历了一个漫长的过程。
首先发现稀土元素的，是芬兰化学家加多林。1794年，他在研究一种黑色矿石时，从实验中分离出一种白色氧化物。这种氧化物的性质跟当时已知的所有氧化物都不一样，是一种新物质，便命名为“钇土”。九年后，又发现了另一种新的氧化物，命名为“铈土”。
“钇土”和“铈土”虽都含有稀土元素，但都不是只含一种稀土元素的物质，而是性质相似的多种稀土氧化物的混合物。由于当时的技术条件所限，还不能把它们一一分离开来。后来，随着分离和鉴别技术的不断提高，经过科学家们的多年努力，到20世纪初，才完全查清楚，原来的“钇土”和“铈土”中，总共含有16种稀土氧化物。到1947年，人们又从铀的裂变产物中，发现了具有放射性的元素钷。至此，历经一个半世纪的岁月，稀土大家族的17个成员才全部找到。
这个大家族被称作“稀土”是历史造成的。过去，人们常把氧化物称作“土”，而这些元素最初又是以氧化物的形态从比较稀少的矿物中发现的，故称作“稀土”。从现在的情况来看，它在自然界的含量相当丰富且在现代科技中也多有用途，可以说稀土元素既不“稀”也不“土”。
探测表明，稀土元素在地壳中的含量约占0.016％。 其总量是常见元素锌的3倍，铅的9倍，银的1600倍，金的30000倍。 按单一稀土元素而论，在地壳中含量最多的是铈，其次有钇、钕、镧、钐等，含量最少的是钷。我国是一个稀土大国，矿藏量占世界的一半以上，居各国之首。在我国的内蒙古及其他十几个省、自治区，都有不同类型的稀土矿藏。这对于我们发展稀土工业、开发利用稀土资源，创造了极为有利的条件。
关于稀土资源的利用，也有一个历史发展过程。早年的利用十分有限，主要是用稀土元素制作打火石和白炽灯的纱罩。直到20世纪中期，其应用领域才逐步扩展开来。
冶金工业是应用稀土的一个大户。在炼钢时加入极少量的稀土金属，具有去氧脱硫、清除杂质的作用，可以净化钢液、细化晶粒，改善钢的性能。在不锈钢、有色金属中加入稀土，可以提高抗腐蚀性和材料的强度，延长使用寿命。利用铈、钕、镨等稀土金属燃点低的性质，可制造引火合金及军事上的点火装置。
在化学工业中，稀土元素主要用作催化剂。例如，在石油化工生产中，使用稀土催化剂，可以显著提高石油裂化后的汽油产率，降低炼油成本。在其他一些有机化工生产中，使用稀土催化剂，也都收到很好的效果。
近些年来的研究表明，将稀土元素用作汽车尾气净化的催化剂，可使大量有害气体进行转化。例如，将氧化铈、氧化镨的混合物用作催化剂，可使汽车尾气中氮氧化物的90％转化为无害的氮气。
在玻璃、陶瓷工业中，稀土元素的用量也很大。二氧化铈具有良好的抛光性能，可用作镜片、相机镜头、显像管的抛光剂。镨、钕等化合物颜色鲜艳，是玻璃、陶瓷的着色剂。氧化镧、氧化钇、氧化钕等，还是一些特殊光学玻璃的添加剂。如光学玻璃中含有氧化镧，具有高折射率和低色散的性能。
对于核工业来说，稀土金属也是重要的材料之一。由于钐、钆、铕、镧具有吸收中子能力强的特点，故可作反应堆的控制材料；而不易吸收中子的钇，可作反应堆的结构材料。
稀土元素不仅在许多工业领域中展现了多方面的用途，在农业上，还可用作微量元素肥料，显著提高作物产量。在医疗上，利用稀土的放射性同位素，还能诊断和治疗一些疾病。
20世纪80年代以来，稀土元素有了更加广阔的用武之地。新材料的不断涌现，是当今高科技发展的一大特色，而在这方面，稀土元素又表现出非凡的功能。先从超导材料来说。物质在一定温度下失去电阻的超导现象，是1911年由荷兰科学家昂尼斯首先发现的。他在实验中见到，当金属汞冷却到很低温度4.173K（相当于－269℃）时，电阻突然消失。这种超导状态，能实现无耗损输电，大量节省能源。但是在这么低的温度下，金属才有超导状态，就没有实用价值。自那以后，直到1986年以前的几十年里，许多科学家都在研制较高温度下具有超导性的材料。从得到的上万种超导材料来看，最高的温度也只有23.2K（相当于－250℃）。
能否找到转变温度更高的超导材料呢？是稀土元素给人们带来了喜讯。1986年，科学家柏诺斯和缪勒利用稀土氧化物研制出在36K（－237℃）具有超导性的材料，其化学成分是镧钡铜氧化物。消息发表，科学界大为震动。这不只因为温度有了大幅度的提高，还因为其改变了过去一直用金属或合金制超导材料的做法，开辟了一个使用金属氧化物的新体系。为此，两位科学家荣获诺贝尔物理学奖。1987年，我国科学家和美国科学家又研制出含稀土元素的钇钡铜氧化物，在90K（－183 ℃）具有超导性。这是第一个可以用液氮作冷却剂，使电阻为零的超导材料。近几年来，超导研究又有不少新的突破性的进展。今后，如能实现稳定的室温超导，那将在能源、动力、交能、输变电、电子技术等许多方面发生重大变化，引起一场新的工业革命。
在贮氢材料的研制和开发上，稀土元素也功不可没。大家知道，无污染、热值高的氢能源是发展新能源的一个方向。但要使这种能源得以推广使用，必须解决好氢的制取和氢的贮存这两个重要问题。在通常情况下，氢是气体。不能设想让飞机带上一个大的氢气包飞上天。解决贮氢的办法，一是加压液化贮氢法，另一个就是更为优越的金属贮氢法。
用什么样的金属来贮存氢气呢？多年来的研究证明，含有稀土金属的合金跟一般金属或合金相比，具有更强的贮氢能力，吸氢量大，吸氢放氢速度快，材料还可反复使用。如体积1L的镧镍合金（LaNi[,5]）材料可吸收88g氢。在室温和200kPa～300kPa（比常压高2～3倍）下， 镧镍合金就大量吸收氢气。使用时只需微热，即可放出氢气。如果跟液化贮氢法相比，7L镧镍合金贮存的氢，就相当于体积为40L、压力为15000kPa的钢瓶的贮氢量。
由于稀土元素在自然界的矿物中易共生，要从中提取单一的金属，过程复杂，成本高。近些年来，一些国家又研制出用混合稀土跟镍形成的合金贮氢材料。日本已成功地将此种贮氢材料用于氢能汽车。
在激光材料中使用稀土，也取得了出色的成绩。激光与普通的光不同，它是亮度很高、强度很大、方向集中、波长单一的光束。它的光源就是激光器。按工作物质可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器等。含有稀土元素的晶体或玻璃是固体激光器的工作物质即发光物质。
早期用的红宝石固体激光器是在激活离子（三价铬离子）的作用下，使红宝石（氧化铝晶体）发出一定波长的红色可见光。但在常温下，这种激光器的效率较低。而掺有三价稀土离子（钕、铒、钬、镱等离子）为激活离子的激光器，则具有效率高、成本低、便于制造等优点。钕玻璃激光器应用较多，它能发出一定波长的红外激光。比钕玻璃激光器更好的是掺钕钇铝的石榴石晶体激光器，它能连续运转，发出红外激光，效率高、寿命长、应用广。
目前已制成的激光器有上千种之多。它们不仅在军事上有多种应用，而且在远程测距、外科手术、同位素分离、核聚变及许多科研工作上，也都有重要用途。
此外，稀土元素在永磁材料、光纤材料、荧光材料、特殊陶瓷材料等多方面，也都有它们的贡献，在此不一一介绍了。完全可以预料，在今后材料科学的蓬勃发展中，稀土元素必将发挥出更大的作用。