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“稀土”一词源于芬兰化学家加多林(John Gado-lin)。1787年瑞典军人阿伦尼乌斯(C.A.Arrhenius)从斯德哥尔摩附近伊脱比(Ytterby)的一位矿工工头手里得到了一块形似沥青的重质矿石,这块稀有的矿石后来辗转落到加多林手里。加氏1794年从这块后被称作硅铍钇矿的矿石中分离出一种白色物质,经分析证明含有一种新的“元素” (后人称作钇土的Y2O3)。当时由于受古希腊哲学思想:世间万物皆由空气、水、火和土构成的影响很深,把元素的氧化物都称作“土”,如Al2O3为矾土、MgO为苦土,认为这些“土”都是不能继续分离的元素。加氏沿袭旧例,把这种从稀世矿石中分离出来的“土”叫做“稀土”。1808年H.戴维(H.Daw)爵士证实“土”实际上是氧和金属元素构成的金属氧化物,不是元素,但约定俗成,“稀土”一词作为历史遗留下来的名称,代表着一类元素,一直沿用至今。
稀土或稀土元素是元素周期表中最大的一族,在天然产出的83个元素中,稀土占有大约1/5的席位,它包括钪、钇和15个镧系元素(其中的钷为人工放射性元素)。这十七朵姐妹花除钪外,其他16个元素化学性质极相似,在矿物中总是共生在一起,如胶似漆,很难
将它们分离开来获得纯净的单一元素化合物,并且它们的化学性质十分活泼,不容易还原为金属,这些都为逐一辨明它们的真面目设置了重重障碍。
为了解开这个疑团,加多林、克拉普罗兹(M.H.Klaproth)、柏采利乌斯(J.J.Berzelius)、莫桑德尔 (G.C.Mosander)、马里纳克(J.C.Marignac)、德布瓦博德朗(P.B.Leeog de Boisbaudran)等数十位学者呕心沥血,在这条难辛曲折的漫漫长路上忘掉了痛苦与疲劳,却留下一座座闪光的丰碑。一部稀土元素发现史,从1787年发现硅铍钇矿开始到1947年从铀的裂变产物中找到钷止,跨越了3个世纪,历时160年,写下了无比壮丽的科学史诗。
在这160年中,18世纪末至1843年虽说是发现稀土的辉煌时期,但一些发现带有偶然性和经验主义色彩,55年间发现了钇、铈、镧、didymium(镨钕混合物)、铽、铒六个成员,此后三十几年再也没有发现新的元素。幸好在此期间,出现了准确测定物质纯度的光谱分析法(1860)和发表了著名的门捷列夫元素期表(1871),加之当时电化学分离工艺的发展,从理论和实践上都为系统地研究稀土及寻找新的稀土元素准备了外在的条件。
果然到1878年寻找稀土元素的工作出现了新的转机和高潮。在瑞士人马里纳克发现镱后,瑞典的尼尔森按图索骥,从黑稀金矿中发现了门捷列夫预言的“类硼”,也就是钪。此后一些科学家利用当时最先进的分析仪器——分光镜所产生的未知元素的特征谱线,先后发现了钬、铥、钐、钕和镨。1886-1905年在跨越世纪转折点前后,几位法国学者利用分步沉淀和分部结晶法又相继分离和发现了镝、铕和镥。然而由于门捷列夫周期表没有给稀土元素留出合适的位置,直到1913年还不清楚稀土元素的数目究竟有多少,因此在争夺元素发现桂冠的竞争中,竟闹出发现70余种“稀土元素”的笑谈。这些所谓“元素”虽然颜色、分子量、光谱线不相同,但充其量不过都是些已知稀土的混合氧化物。幸亏莫瑟莱(H.C.J Moseley)当时发现各元素特定X射线频率的均方根与其原子序数呈直线关系的规律,这条规律表明除未知的61号元素外,所有稀土元素均已发现完毕,这样才避免许多人在繁琐的分步分离中劳而无功。
61号元素钷是在同位素分离技术日臻完善的1947年从核裂变产物中分离出来的人工元素。因为不存在于自然界,所以发现得最迟。但1972年有人在高品位富铀矿物中找到了钷的踪迹,这样钷又作为天然核裂变产物取得了自然界出生的认证,终于走完了稀土发现史中
最坎坷的里程。
科学家利用门捷列夫周期律,将这些从“潘多拉”盒子中飞逸出来的元素依照其性质进行了归纳、分类,发现镧(1d)、铈(Ce)、镨(n)、钕(Nd)、钷(Rn)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Cd)、铽(9b)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tu或Tm)、镱(Tb)、镥(Lu)共15个元素只能挤在周期表这座科学大厦的第57号房间,实际上57号房间只是门面,门面的纵深方向还开有供原子序数从58到71的14个元素居住的单间住房。为识别方便,把这15个类似同位素而原子序数不同的元素系列,按原子序数递增的顺序,单独排列在周期表的下面,并称之为镧系元素。镧系元素位于第六周期,它们与第四和第五周期的钪和钇,同属ⅢB族,由于它们在化学性质上的相似,化学家把这17个元素统称为稀土元素。
由钪、钇和镧系元素组成的稀土元素,在天然产出的83个元素中约占1/5,在地壳存在的53个金属元素中,稀土金属三分天下有其一,在数目上领先其他元素系。稀土元素在地壳中的丰度也相当高,在78个常见元素的排行榜中铈居第25位。铈的丰度在铜之上,镧、
钇的丰度也与铜大体相当,稀土元素的总丰度约占地壳中金属元素的1/5。可见,稀土元素无论在品种上和数量上单从地球化学方面考虑,已经是举足轻重了。
稀土是有重要战略价值的高技术元素,为了更有效地研究和利用它们,根据它们在物理、化学性质与地球化学性质上的差异和分离工艺的要求,一般把它们分为轻稀土和重稀土两个元素组,也有把它们分成轻稀土、中稀土和重稀土三个元素组的。
按常见两组分类法,镧、铈、镨、钕、钐、铕称为轻稀土,钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥以及性质与之相近的钇和钪叫做重稀土。前6个元素又叫铈组稀土,后9个元素称为钇组元素,均以组内丰度高且性质颇为典型的元素冠以元素组的称谓。
为了分组分离的方便,也有把镧、铈、镨、钕、钐叫做轻稀土,铕、钆、铽、镝叫做中稀土,钇、钬、铒、铥、镱、镥叫做重稀土的。
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