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稀土元素及其应用

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稀土元素及其应用 铈 镧 镨 钕 钐 铕 钆 钇 铽 镝 钬

稀土元素镨及其应用

  镨在化学元素周期表中位居镧系元素的第三位,在地壳中的丰度为9.5ppm,仅低于铈、钇、镧、钪,是稀土中第五大富存元素.但正如他的名字一样,镨是个朴素无华,个性似乎不太突出的稀土家族成员。

  在稀土元素的发现史上,镨和钕是同时被发现的。1841年,那位曾经发现了镧的瑞典化学家莫桑德尔(C.G. Mosander)从“镧土”中发现了新“元素”,性质与镧非常相似,将其定名“迪迪姆”(Didymium,希腊语为“双胞胎”的意思),但它不是单一元素,而是镨钕化合物。又过了40多年,那位曾经发明了钍铈汽灯纱罩的奥地利人韦尔斯巴赫(C.F.Auer Von Welsbach),也正是在发明汽灯纱罩的1885年,成功地将“镨钕”这对“连体双胞胎”实施了分离手术,从中分离出绿色的镨盐和玫瑰色的钕盐,确定它们是两种新元素。一个取名为“镨” (Praseodymium),来自希腊字prason,意思是绿色化合物,因为镨盐水溶液会呈现出鲜艳的葱绿色;另一个元素则取名为“钕” (Neodymium)。这对“连体双胞胎”的成功分离,使他们从此可以各自施展才华。

  镨作为用量较大的稀土元素,很大一部分是以混合稀土的形式被利用,比如用作金属材料的净化变质剂、化工催化剂、农用稀土等等。镨钕是稀土中性质最为相似又最难分离的一对元素,用化学法很难将其分离,工业生产通常采用萃取法和离子交换法。如果把他们成双入对地以镨钕富集物形式使用,可以充分发挥其共性作用,价格也比单一元素产品便宜。镨钕合金(镨钕金属)已成为独立产品,既可用于永磁材料,也可作为有色金属合金改性添加剂。以镨钕富集物的形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂,可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。作为塑料改性添加剂,在聚四氟乙烯(PTFE)中加入镨钕富集物,可明显提高PTFE的耐磨性能。

  稀土永磁材料是当今最热门的稀土应用领域。镨单独用作永磁材料性能并不突出,但他却是一个能改善磁性能的优秀协同元素。无论是第一代稀土永磁材料钐钴永磁合金(SmCo5),还是第三代稀土永磁材料钕铁硼(Nd2Fe17B),加入适量的镨都能有效地提高和改善永磁材料性能。如在SmCo5中加入部分Pr取代Sm可以提高永磁材料的磁能积,两者的比例一般为80%Sm—20%Pr,若镨加入过多反而会降低材料的矫顽力和稳定性。在第三代稀土永磁材料钕铁硼中,添加镨可以提高材料的矫顽力,德国、日本等国在生产高矫顽力钕铁硼磁体时,均加入部分镨。镨的加入量为5%~8%,最高达10%,可取代1/3的钕。磁性材料对镨质量要求较高,至少应达到钕的同等质量。加入镨还能提高磁体抗氧化性能(耐空气腐蚀)和机械性能,已被广泛应用于各类电子器件和马达上。另外,在钐铁氮新型稀土粘结永磁材料(Sm)2Fe17N9中加Pr也能改善性能,这将进一步扩大镨的应用。因此,随着镨在永磁材料的应用发展,镨的用量和价格不断攀升,已成为稀土产品中的“新宠”。

镨还可用于研磨和抛光材料。众所周知,纯铈基抛光粉通常为淡黄色,是光学玻璃的优质抛光材料,已取代抛光效率低又污染生产环境的氧化铁红粉。但人们发现,氧化钕对抛光作用不大,但镨却有良好的抛光性能。含镨的稀土抛光粉会呈红褐色,也被称作“红粉”,但这种红不是氧化铁红,而是由于含有氧化镨使稀土抛光粉颜色变深。镨还被用新型磨削材料,制成含镨刚玉砂轮。与白刚玉相比,在磨削碳素结构钢、不锈钢、高温合金时,效率和耐用性可提高30%以上。为了降低成本,过去多用镨钕富集物为原料,故称镨钕刚玉砂轮。

  镨在光纤领域的用途也越来越广,已开发出在1300~1360nm谱区起放大作用的掺镨光纤放大器(PDFA),技术日趋成熟。PDFA以其优异的性能价格比,对我国当前大量铺设的1550nm的CATV系统光纤有线电视的兴建改造与系统升级有着重大的实际意义。PDFA将从根本上改变现有的1550nmCATV的网络格局,使1310nmCATV系统在HFC系统改造中成为替代1550nm系统的理想选择。

  镨盐(草酸或碳酸盐)经高温灼烧,可形成棕黑色的氧化物Pr6O11,其构成就如同4个PrO2和1个Pr2O3的组合,表明镨有很强的呈正4价倾向。将氧化镨加入硅酸锆中会呈亮黄色,可用作陶瓷颜料——镨黄。镨黄(Zr02—Pr6Oll—Si02)被认为是最好的黄色陶瓷色料,在高达1000℃仍保持稳定,可用于一次性或重烧工艺。镨进入硅酸锆晶格,占材料成份约5%。镨黄被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷着色,可单独作釉下颜料,也可与陶瓷釉混合制成色釉,其着色鲜艳亮丽,色泽纯正,随含镨量的多少,可深至琥珀黄,浅至乳白黄,用其代替传统的钒锡黄和钒锆黄,可克服原先的褐色调,用来制作卫生和建筑陶瓷,色调高洁淡雅。用其可制作独特的仿象牙工艺美术和日用陶瓷,色彩亮丽精美,深受陶瓷业的青睐。我国、意大利和西班牙,作为建筑瓷砖的主要生产国,都拥有很大的镨黄消费市场。通过氧化镨与其他元素配伍,还能调配出锆镨钒绿、锆镨钒橙等陶瓷色料。调整氧化镨与五氧化二钒的比例,还可制作出黄色与天蓝之间色调的陶瓷色料。在镨黄中加入CeO2,能形成略带红色的娇黄色。全球用作镨黄为主的陶瓷着色剂消费的氧化镨估计上千吨。

  镨还被用作玻璃着色剂,色彩丰富,也有很大的潜在市场。可制得具有鲜亮韭绿和葱绿色彩的“镨绿”玻璃制品,既可制作绿色滤光片,又可用于工艺美术玻璃。在世界闻名的意大利威尼斯和捷克的水晶玻璃中都会看到镨的亮绿色彩。在玻璃中加入氧化镨和氧化铈,可用作电焊用的护目镜玻璃。硫化镨还有望成为实用的绿色塑料着色剂。


镨 元素符号Pr 英文名称Praseodymium 原子序数59
相对原子质量(12C = 12.0000)140.90765
发现年代 1885年 发现人 Baron Auer von Welsbach (奥地利,维也纳)



构 原子半径(?): 2.67 离子半径(?): 1.013
共价半径(?): 1.65 氧化态: 3,4
原子体积cm3/mol: 20.8
电子构型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f3 5s2p6 6s2
物理性质 状态:软的银白色金属 熔点(℃):931 沸 点(℃): 3512
比 热(J/gK):0.19 密度 (g/cc,300K):6.77
熔化热(KJ/mol):6.89 蒸发热 (KJ/mol):296.8
导电率(106/cm Ω): 0.0148 导热系数 (W/cm K ): 0.125
地质
数据 丰度 海水中(ppm).:
地壳 (ppm.):9.5 大西洋表面:4 × 10-7 大西洋深处:7 × 10-7
大气(p.p.m.)/体积: 太平洋表面:4.4 × 10-7 太平洋深处:10 × 10-7



据 人体中含量(ppm):
器官中:非常低
人(70Kg)均体内总量(mg):非常低。
日摄入量/mg: 未知



源 工业矿物: 主要产地
混合性(氟碳铈+独居石) 中国内蒙古自治区包头白云鄂博矿山
氟碳铈矿(Bastnaesite)
CeLaFCO3(轻稀土) 美国芒廷帕斯矿山(加利福尼亚)
中国四川冕宁、山东微山
独居石(Monazite )
(CeLaTh)PO4(轻稀土) 澳大利亚韦尔德山、东西海岸海滨沙矿
印度西南海滨沙、中国广东和台湾海滨沙
稀土磷灰石 俄罗斯科拉半岛
铈铌钙钛矿 俄罗斯托姆托尔碳酸岩风化壳稀土矿床
离子型矿(中钇富铕) 中国江西寻乌、广东平远
配分
Pr % 包头混合型矿 四川氟碳铈矿 中钇富铕离子型矿 广东南山海独居石
5—6 4—5 6—8 5—6
应用领域 金属、合金 钢铁与有色金属改性剂、永磁材料
混合氧化物 石油裂化催化剂、农用稀土、助染助鞣
单一氧化物 陶瓷和玻璃着色剂、光纤、抛光粉、塑料颜料、
有机化合物 化工催化剂、稳定剂和改性剂;饲料添加剂

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