Τι είναισπάνια γη?
Τα ανθρώπινα όντα έχουν ιστορία πάνω από 200 χρόνια από την ανακάλυψη των σπάνιων γαιών το 1794. Δεδομένου ότι υπήρχαν λίγα ορυκτά σπάνιων γαιών που βρέθηκαν εκείνη την εποχή, 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 της σπάνιας γης.
Στην πραγματικότητα, τα ορυκτά σπάνιων γαιών δεν είναι σπάνια στη φύση. Η σπάνια γη δεν είναι γη, αλλά ένα τυπικό μεταλλικό στοιχείο. Ο ενεργός τύπος του είναι μόνο δεύτερος μετά τα αλκαλιμέταλλα και τα μέταλλα των αλκαλικών γαιών. Έχουν περισσότερη περιεκτικότητα στον φλοιό από τον κοινό χαλκό, ψευδάργυρο, κασσίτερο, κοβάλτιο και νικέλιο.
Επί του παρόντος, οι σπάνιες γαίες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορους τομείς όπως η ηλεκτρονική, η πετροχημική, η μεταλλουργία κ.λπ. Σχεδόν κάθε 3-5 χρόνια, οι επιστήμονες είναι σε θέση να ανακαλύπτουν νέες χρήσεις για τις σπάνιες γαίες, και από κάθε έξι εφευρέσεις, μία δεν μπορεί να κάνει χωρίς σπάνιες γαίες.
Η Κίνα είναι πλούσια σε ορυκτά σπάνιων γαιών, καταλαμβάνοντας την πρώτη θέση σε τρεις παγκόσμιες κατατάξεις: αποθέματα, κλίμακα παραγωγής και όγκο εξαγωγών. Ταυτόχρονα, η Κίνα είναι επίσης η μόνη χώρα που μπορεί να παρέχει και τα 17 μέταλλα σπάνιων γαιών, ειδικά τις μεσαίες και βαριές σπάνιες γαίες με εξαιρετικά εξέχουσες στρατιωτικές εφαρμογές.
Σύνθεση στοιχείων σπανίων γαιών
Τα στοιχεία σπανίων γαιών αποτελούνται από στοιχεία λανθανίδης στον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων:λανθάνιο(Λα),δημήτριο(Ce),πρασεοδύμιο(Pr),νεοδύμιο(Nd), προμέθιο (Pm),σαμάριο(Sm),ευρώπιο(ΕΕ),γαδολίνιο(Θεός),τέρβιο(Tb),δυσπρόσιο(Dy),χόλμιο(Χο),έρβιο(Εεε),θούλιο(Tm),υττερβίο(Yb),λουτέτιο(Lu), και δύο στοιχεία που σχετίζονται στενά με τη λανθανίδη:σκάνδιο(Sc) καιύττριο(Υ).
λέγεταιΣπάνια Γη, συντομογραφία Rare Earth.
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
Ταξινομούνται κατά ορυκτά χαρακτηριστικά:
Ομάδα δημητρίου:λανθάνιο, δημήτριο, πρασεοδύμιο, νεοδύμιο, προμέθιο, σαμάριο, ευρώπιο
Ομάδα υττρίου:γαδολίνιο, τέρβιο, δυσπρόσιο, χόλμιο, έρβιο, θούλιο, υττέρβιο, λουτέτιο, σκάνδιο, ύττριο
Ταξινόμηση με διαχωρισμό εκχύλισης:
Ελαφριά σπάνια γη (εξαγωγή ασθενούς οξύτητας P204): λανθάνιο, δημήτριο, πρασεοδύμιο, νεοδύμιο
Μέτρια σπάνια γη (P204 χαμηλής οξύτητας εκχύλιση):σαμάριο, ευρώπιο, γαδολίνιο, τέρβιο, δυσπρόσιο
Βαριά σπάνια γη (εξαγωγή οξύτητας στο P204):χόλμιο, έρβιο, θούλιο, υττέρβιο, λουτέτιο, ύττριο
Ιδιότητες στοιχείων σπάνιων γαιών
Περισσότερες από 50 λειτουργίες στοιχείων σπάνιων γαιών σχετίζονται με τη μοναδική ηλεκτρονική δομή τους 4f, καθιστώντας τα να χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο σε παραδοσιακά υλικά όσο και σε τομείς νέων υλικών υψηλής τεχνολογίας.
Τροχιά ηλεκτρονίων 4f
1. Φυσικές και χημικές ιδιότητες
★ Έχει εμφανείς μεταλλικές ιδιότητες. Είναι ασημί γκρι, εκτός από το πρασεοδύμιο και το νεοδύμιο, εμφανίζεται ανοιχτό κίτρινο
★ Πλούσια χρώματα οξειδίου
★ Σχηματίστε σταθερές ενώσεις με αμέταλλα
★ Μεταλλικό ζωηρό
★ Εύκολο να οξειδωθεί στον αέρα
2 Οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες
★ Μη γεμάτη υποστιβάδα 4f, όπου 4f ηλεκτρόνια προστατεύονται από εξωτερικά ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα διάφορους φασματικούς όρους και ενεργειακά επίπεδα
Κατά τη μετάβαση ηλεκτρονίων 4f, μπορούν να απορροφήσουν ή να εκπέμψουν ακτινοβολία διαφόρων μηκών κύματος από υπεριώδεις, ορατές σε υπέρυθρες περιοχές, καθιστώντας τα κατάλληλα ως υλικά φωταύγειας
★ Καλή αγωγιμότητα, ικανή να παρασκευάζει μέταλλα σπάνιων γαιών με μέθοδο ηλεκτρόλυσης
Ο ρόλος των 4f ηλεκτρονίων των σπάνιων γαιών στοιχείων σε νέα υλικά
1. Υλικά που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά 4f
★ Διάταξη σπιν ηλεκτρονίων 4f:εκδηλώνεται ως ισχυρός μαγνητισμός – κατάλληλος για χρήση ως υλικά μόνιμου μαγνήτη, υλικά απεικόνισης μαγνητικής τομογραφίας, μαγνητικοί αισθητήρες, υπεραγωγοί κ.λπ.
★ 4f τροχιακή μετάπτωση ηλεκτρονίων: εκδηλώνεται ως ιδιότητες φωταύγειας – κατάλληλο για χρήση ως υλικά φωταύγειας όπως φώσφοροι, υπέρυθρα λέιζερ, ενισχυτές ινών κ.λπ.
Ηλεκτρονικές μεταβάσεις στη ζώνη καθοδήγησης στάθμης ενέργειας 4f: εκδηλώνονται ως χρωστικές ιδιότητες – κατάλληλες για χρωματισμό και αποχρωματισμό εξαρτημάτων hot spot, χρωστικές, κεραμικά έλαια, γυαλί κ.λπ.
Το 2 σχετίζεται έμμεσα με το ηλεκτρόνιο 4f, χρησιμοποιώντας ιοντικές ακτίνες, 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 θωράκιση υλικών πυρηνικών αντιδραστήρων κ.λπ.
★ Σπάνια γη Ιονική ακτίνα, φορτίο, φυσικές και χημικές ιδιότητες:
Ελαττώματα πλέγματος, παρόμοια ιοντική ακτίνα, χημικές ιδιότητες, διαφορετικά φορτία – κατάλληλα για θέρμανση, καταλύτη, αισθητήριο στοιχείο κ.λπ.
Δομική ιδιαιτερότητα - κατάλληλο για χρήση ως υλικά καθόδου από κράμα αποθήκευσης υδρογόνου, υλικά απορρόφησης μικροκυμάτων κ.λπ.
Ηλεκτροοπτικές και διηλεκτρικές ιδιότητες – κατάλληλο για χρήση ως υλικά διαμόρφωσης φωτός, διαφανή κεραμικά κ.λπ.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουλ-06-2023