Редкоземельные металлы (РЗМ)

Указанные элементы впервые обнаружены в богатых редкоземельными элементами породах, залегающих вблизи местечка Иттербию (Швеция), из имени которого и образованы названия элементов.

Диспрозий (Dy) открыт в 1886 г. Название элемента происходит от греческого слова «диспрозитос» (труднодоступный). За сложности отделения от других редкоземельных элементов.

Гольмий (Но) открыт в 1879 г. шведским химиком П. Клеве и назван им в честь столицы Швеции — Стокгольма, латинское название которой — Гольмия.

Тулий (Тm) открыт в 1879 г. шведским химиком П. Клеве и назван им в честь занимаемой Швецией северной области Скандинавии, носившей в древние времена название Туле.

Лютеций (Lu) открыт в 1907 г. французским химиком Ж. Урбеном и назван им в честь столицы Франции — Парижа, латинское название которой — Лютеция.

Редкоземельные металлы делят на две группы: группу цериевых металлов и группу иттриевых металлов. В группу цериевых металлов входят лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, а в группу иттриевых металлов — все остальные редкоземельные металлы и иттрий. В иттриевой группе выделяют три подгруппы: тербиевую, включающую гадолиний, тербий, диспрозий; эрбиевую, состоящую из эрбия, гольмия и туллия, и иттербиевую, куда относят иттербий и лютеций

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Все редкоземельные металлы и их соединения отличаются большим сходством химических свойств, особенно их водные растворы и кристаллогидраты. Они легко образуют друг с другом твердые растворы. Редкоземельные металлы являются энергичными восстановителями, хотя в сухом воздухе они обладают лишь умеренной устойчивостью. При их атмосферном окислении образуются гидратированные окислы с большим объемным приростом, что приводит к разрушению защитной окисной пленки и обнажению металлической поверхности.

Редкоземельные элементы легко растворяются в разбавленных кислотах, но стойки по отношению к концентрированной серной кислоте. Они восстанавливают окись углерода, двуокись углерода, четыреххлористый углерод, окислы железа, кобальта, никеля, марганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, тантала, кремния, бора, олова, ниобия, свинца и циркония.

Редкоземельные металлы легко загораются на воздухе при 150—180°С (лантан при 440—460°С). При температурах >200°С они энергично сгорают в атмосфере галогенов. При комнатной температуре водород поглощается редкоземельными металлами с выделением тепла. Гидриды большинства редкоземельных металлов имеют плотность, меньшую плотности соответствующих металлов. Однако насыщение водородом европия и иттербия сопровождается значительным сжатием и соответствующим увеличением плотности.

Окислы редкоземельных металлов являются тугоплавкими соединениями: температура их плавления колеблется от 2000 до 2600°С. Они, как правило, обладают очень высокой стойкостью в окислительной атмосфере. Сульфиды редкоземельных металлов являются тугоплавкими прочными соединениями, устойчивыми по отношению ко многим жидким металлам до 1800°С. На них не действуют водород, азот, газообразный аммиак и многие расплавленные хлориды.

При внесении растворимой соли лантаноида в раствор щелочи или гидрата окиси аммония образуются гидроокиси редкоземельных металлов. Они представляют собой студнеобразные аморфные плохо фильтрующиеся осадки. Гидрооокиси имеют ничтожную растворимость в воде, но легко растворяются в разведенных кислотах, а также в растворах многих солей. Их используют на некоторых этапах технологии разделения редкоземельных металлов.

Щавелевая кислота и ее соли образуют с ионами редкоземельных элементов оксалаты— труднорастворимые соединения, выпадающие из разведенных нейтральных или слабокислых горячих растворов в виде кристаллического осадка. Оксалатное осаждение является одним из эффективных способов отделения редкоземельных элементов от примесей.

При нейтрализации окиси, гидроокиси или карбоната фтористоводородной кислотой или действием ее растворимых солей на растворы нитратов или хлоридов лантаноидов образуются фториды редкоземельных металлов, представляющие собой студенистые осадки. После высушивания они имеют вид зернистой массы. Фториды употребляют в качестве материала при получении редкоземельных металлов металлотермическим способом, а также для сердечников углей вольтовой дуги в прожекторах.

Раскислением окиси (гидроокиси) редкоземельного металла в серной кислоте или обработкой растворов хлорида или нитрата их сульфатом щелочного металла получают сульфаты лантаноидов, имеющие различную растворимость в воде. Сульфаты редкоземельных элементов с избытком сульфата щелочного металла образуют двойные сульфаты, различающиеся по растворимости в насыщенном растворе последнего. Осадок двойных сульфатов, полученный из растворов с концентрацией редкоземельных элементов не более 15%, представляет собой кристаллическое вещество, легко фильтрующееся и промывающееся. Образование сульфатов и двойных сульфатов используют в технологии разделения редкоземельных элементов.

Комплексоны (группы а-аминополикарбоновых кислот) образуют с лантаноидами комплексные соединения — хелаты. Соединения хелатов с отдельными ионами редкоземельных элементов проявляют различную прочность, зависящую от концентрации водородных ионов. Прочность хелатных соединений ионов редкоземельных элементов при одной и той же концентрации водородных ионов увеличивается в ряду от лантана к лютецию. Комплексоны применяют в аналитической практике и в промышленных процессах разделения редкоземельных металлов.

Из числа редкоземельных металлов лантан, европий и лютеций диамагнитны, а остальные парамагнитны; у гадолиния при температуре ниже +16°С проявляется ферромагнетизм.

Редкоземельные металлы, как правило, мягки и ковки. Пластичность и твердость их в значительной степени зависят от содержания примесей. Повышенное содержание кислорода, серы, азота и углерода сильно изменяет механические свойства редкоземельных металлов, повышая твердость и снижая пластичность. Твердость их повышается с увеличением порядкового номера элемента. Исключением из этого правила является европий.

Физические и механические свойства редкоземельных металлов приведены в табл, 427.

Редкоземельные металлы чаще всего применяют в виде соединений и сплавов. Наиболее распространенным сплавом из редкоземельных металлов является мишметалл. Основными компонентами этого сплава являются церий, неодим и лантан. В зависимости от состава исходного сырья, из которого извлекают резкоземельные металлы и назначения сплава, состав мишметалла может существенно изменяться. В качестве обычного мишметалла в литературе приведены следующие составы сплава: 40—45% Се, 18% Nd, 5% Рг, 1 % Sm, 20—25% La и небольшое количество прочих редкоземельных металлов: 45% Се, 30% La, 20% Nd, 5% Y. Наряду с мишметаллом широко применяют техническую смесь окисей редкоземельных металлов, называемую церием.

В металлургии церий используют в виде сплава — ферроцера. При добавке церия к чугуну в количестве до 0,15% улучшаются физико-механические свойства чугуна и значительно увеличивается удаление из него серы и азота. Металлический церий добавляют в сплавы на основе алюминия или магния для уменьшения их хрупкости, увеличения коррозионной стойкости и повышения временного сопротивления. Добавка в состав нихрома до 1,2% Се увеличивает срок службы сплава, а добавка мишметалла повышает его жаропрочность. Введением небольших количеств мишметалла повышают обрабатываемость в горячем состоянии аустенитных нержавеющих сталей.

В стекольной промышленности лантан, церий, неодим, празеодим используют в виде окислов и различных соединений, повышающих прозрачность стекла или сообщающих ему специальные свойства: способность пропускать инфракрасные лучи и поглощать ультрафиолетовые лучи, кислото- и жаростойкость, особые оптические свойства, особый оттенок и т. д. Окись церия и некоторые специальные смеси редкоземельных металлов применяют для полирования линз оптических приборов и зеркального стекла.

Редкоземельные металлы употребляют для окраски фарфора, изготовления светящихся составов и драгоценных камней, для

утяжеления искусственного шелка, придания техническим тканям непромокаемости, прочности и стойкости против действия кислых растворов и паров. Их широко используют в качестве компонентов фитилей, угольных электродов, люминофоров в светотехнике — в мощных зенитных прожекторах, киносъемочных и кинопроекционных аппаратах, в телевидении, в цветной кинематографии.

В химической промышленности редкоземельные элементы применяют в производстве пигментов, лаков и красок, а в нефтяной

промышленности в каталитических процессах, в процессах окисления органических веществ.

В атомной технике редкоземельные металлы используют в качестве поглотителей нейтронов для органов регулирования ядерных реакторов. Для этих целей используют главным образом элементы с большим поперечным сечением захвата тепловых нейтронов (самарий, европий, гадолиний, диспрозий).

Радиоактивные изотопы редкоземельных металлов применяют для радиографии, гаммаграфии, в медицине, приборостроении — для миниатюрных атомных батарей, для просвечивания листовых материалов, изготовления портативных рентгеновских установок для технических целей и полевой хирургии. Сульфиды, фосфиды, селениды и теллуриды редкоземельных элементов используют в полупроводниковой технике.

Редкоземельные элементы применяют как газопоглотители (геттеры) в вакуумных лампах, а также в качестве покрытий катодов (эмиттеров), проволоки ламп накаливания. Способность некоторых соединений редкоземельных металлов (Gd₂(SO4)₃*8H2O) нагреваться в магнитном поле используют для получения сверхнизких температур, лишь на тысячные доли градуса отличающихся от температуры абсолютного нуля.