Τι είναισπάνιες γαίες?
Η ανθρωπότητα έχει μια ιστορία άνω των 200 ετών από την ανακάλυψη των σπάνιων γαιών το 1794. Δεδομένου ότι εκείνη την εποχή υπήρχαν λίγα ορυκτά σπάνιων γαιών, μόνο μια μικρή ποσότητα αδιάλυτων στο νερό οξειδίων μπορούσε να ληφθεί με χημική μέθοδο. Ιστορικά, τέτοια οξείδια ονομάζονταν συνήθως «γη», εξ ου και το όνομα σπάνιες γαίες.
Στην πραγματικότητα, τα ορυκτά σπάνιων γαιών δεν είναι σπάνια στη φύση. Οι σπάνιες γαίες δεν είναι γη, αλλά ένα τυπικό μεταλλικό στοιχείο. Ο ενεργός τύπος τους είναι δεύτερος μόνο μετά τα αλκαλικά μέταλλα και τα μέταλλα αλκαλικών γαιών. Έχουν μεγαλύτερη περιεκτικότητα στον φλοιό από τον κοινό χαλκό, τον ψευδάργυρο, τον κασσίτερο, το κοβάλτιο και το νικέλιο.
Προς το παρόν, οι σπάνιες γαίες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορους τομείς όπως η ηλεκτρονική, τα πετροχημικά, η μεταλλουργία κ.λπ. Σχεδόν κάθε 3-5 χρόνια, οι επιστήμονες είναι σε θέση να ανακαλύψουν νέες χρήσεις για τις σπάνιες γαίες και από κάθε έξι εφευρέσεις, δεν μπορεί κανείς να κάνει χωρίς τις σπάνιες γαίες.
Η Κίνα είναι πλούσια σε σπάνιες γαίες, κατατάσσοντας την πρώτη σε τρεις παγκόσμιες κατατάξεις: αποθέματα, κλίμακα παραγωγής και όγκος εξαγωγών. Ταυτόχρονα, η Κίνα είναι επίσης η μόνη χώρα που μπορεί να προμηθεύσει και τα 17 σπάνιες γαίες, ειδικά τις μεσαίες και βαριές σπάνιες γαίες με εξαιρετικά σημαντικές στρατιωτικές εφαρμογές.
Σύνθεση σπάνιων γαιών
Τα στοιχεία σπάνιων γαιών αποτελούνται από στοιχεία λανθανίδης στον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων:λανθάνιο(Λα),δημήτριο(Ce),πρασεοδύμιο(Πρ),νεοδύμιο(Nd), προμήθιο (Pm),σαμάριο(Sm),ευρώπιο(Ευ),γαδολίνιο(Θεός),τέρβιο(Τβ),δυσπρόσιο(Δυ),όλμιο(Χο),έρβιο(Ερ),θούλιο(Τμ),υττερβίο(Υβ),λουτέτιο(Lu), και δύο στοιχεία που σχετίζονται στενά με τις λανθανίδες:σκάνδιο(Sc) καιύττριο(Υ).
ΟνομάζεταιΣπάνια Γη, συντομογραφία Σπάνια Γη.
Ταξινόμηση στοιχείων σπάνιων γαιών
Ταξινομούνται με βάση τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των στοιχείων:
Ελαφριά στοιχεία σπάνιων γαιών:σκάνδιο, ύττριο, λανθάνιο, δημήτριο, πρασεοδύμιο, νεοδύμιο, προμέθιο, σαμάριο, ευρώπιο
Βαριά στοιχεία σπάνιων γαιών:γαδολίνιο, τέρβιο, δυσπρόσιο, χόλμιο, έρβιο, θούλιο, υττέρβιο, λουτέτιο
Ταξινόμηση κατά ορυκτά χαρακτηριστικά:
Ομάδα δημητρίου:λανθάνιο, δημήτριο, πρασεοδύμιο, νεοδύμιο, προμήθιο, σαμάριο, ευρώπιο
Ομάδα υττρίου:γαδολίνιο, τέρβιο, δυσπρόσιο, χόλμιο, έρβιο, θούλιο, υττέρβιο, λουτέτιο, σκάνδιο, ύττριο
Ταξινόμηση με διαχωρισμό εκχύλισης:
Ελαφριά σπάνιες γαίες (εκχύλιση P204 με χαμηλή οξύτητα): λανθάνιο, δημήτριο, πρασεοδύμιο, νεοδύμιο
Μέτρια σπάνιες γαίες (εκχύλιση P204 χαμηλής οξύτητας):σαμάριο, ευρώπιο, γαδολίνιο, τέρβιο, δυσπρόσιο
Βαριά σπάνιες γαίες (εκχύλιση οξύτητας σε P204):χόλμιο, έρβιο, θούλιο, υττέρβιο, λουτέτιο, ύττριο
Ιδιότητες των σπάνιων γαιών
Περισσότερες από 50 λειτουργίες των σπάνιων γαιών σχετίζονται με τη μοναδική ηλεκτρονική δομή 4f, καθιστώντας τα ευρέως χρησιμοποιούμενα τόσο σε παραδοσιακά υλικά όσο και σε τομείς νέων υλικών υψηλής τεχνολογίας.
4f τροχιά ηλεκτρονίων
1. Φυσικές και χημικές ιδιότητες
★ Έχει εμφανείς μεταλλικές ιδιότητες. Είναι ασημί γκρι, εκτός από το πρασεοδύμιο και το νεοδύμιο, που φαίνεται ανοιχτό κίτρινο
★ Πλούσια χρώματα οξειδίου
★ Σχηματίζουν σταθερές ενώσεις με μη μέταλλα
★ Μέταλ ζωηρό
★ Εύκολο στην οξείδωση στον αέρα
2 Οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες
★ Μη συμπληρωμένη υποστιβάδα 4f, όπου τα ηλεκτρόνια 4f προστατεύονται από εξωτερικά ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα διάφορους φασματικούς όρους και ενεργειακά επίπεδα
Όταν τα ηλεκτρόνια 4f μεταβαίνουν, μπορούν να απορροφήσουν ή να εκπέμψουν ακτινοβολία διαφόρων μηκών κύματος από την υπεριώδη, την ορατή έως την υπέρυθρη περιοχή, καθιστώντας τα κατάλληλα ως φωταυγή υλικά.
★ Καλή αγωγιμότητα, ικανή να παρασκευάσει μέταλλα σπανίων γαιών με μέθοδο ηλεκτρόλυσης
Ο Ρόλος των 4f Ηλεκτρονίων των Σπάνιων Γαιών σε Νέα Υλικά
1. Υλικά που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά 4f
★ Διάταξη σπιν ηλεκτρονίων 4f:εκδηλώνεται ως ισχυρός μαγνητισμός – κατάλληλο για χρήση ως υλικά μόνιμου μαγνήτη, υλικά απεικόνισης μαγνητικής τομογραφίας, μαγνητικοί αισθητήρες, υπεραγωγοί κ.λπ.
★ 4f τροχιακή μετάβαση ηλεκτρονίων: εκδηλώνονται ως ιδιότητες φωταύγειας – κατάλληλα για χρήση ως φωταύγεια υλικά όπως φώσφοροι, υπέρυθρα λέιζερ, ενισχυτές οπτικών ινών κ.λπ.
Ηλεκτρονικές μεταβάσεις στην οδηγό ζώνης ενεργειακής στάθμης 4f: εκδηλώνονται ως χρωστικές ιδιότητες - κατάλληλες για χρωματισμό και αποχρωματισμό συστατικών θερμών σημείων, χρωστικών, κεραμικών ελαίων, γυαλιού κ.λπ.
Το 2 σχετίζεται έμμεσα με το ηλεκτρόνιο 4f, χρησιμοποιώντας ιοντική ακτίνα, φορτίο και χημικές ιδιότητες.
★ Πυρηνικά χαρακτηριστικά:
Μικρή διατομή απορρόφησης θερμικών νετρονίων – κατάλληλη για χρήση ως δομικά υλικά πυρηνικών αντιδραστήρων κ.λπ.
Μεγάλη διατομή απορρόφησης νετρονίων – κατάλληλη για την θωράκιση υλικών πυρηνικών αντιδραστήρων κ.λπ.
★ Ιοντική ακτίνα, φορτίο, φυσικές και χημικές ιδιότητες σπάνιων γαιών:
Ελαττώματα πλέγματος, παρόμοια ιοντική ακτίνα, χημικές ιδιότητες, διαφορετικά φορτία – κατάλληλα για θέρμανση, καταλύτη, στοιχείο ανίχνευσης, κ.λπ.
Δομική εξειδίκευση – κατάλληλο για χρήση ως υλικά καθόδου κράματος αποθήκευσης υδρογόνου, υλικά απορρόφησης μικροκυμάτων κ.λπ.
Ηλεκτροοπτικές και διηλεκτρικές ιδιότητες – κατάλληλα για χρήση ως υλικά διαμόρφωσης φωτός, διαφανή κεραμικά κ.λπ.
Ώρα δημοσίευσης: 06 Ιουλίου 2023