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稀土元素(rare earth element)

稀土元素(rare earth element)

图一$$~~$$稀土矿物

稀土元素(rare earth element),为IUPAC定义週期表内的17种元素,包含钪和钇及镧系的15个元素,皆为金属元素,因此又称为稀土金属(rare earth metal)。依原子序大小又分为轻稀土元素(LREE light rare earth element)、重稀土元素(HREE heavy rare earth element)两类1。

最早的稀土矿物,硅铍钇矿(gadolinite) ,开採于瑞典伊特比村(Ytterby Sweden),许多稀土元素的名称源于此地。稀土元素在地壳中的总蕴藏量并不稀少,但却以极稀比例分散于地壳表层土壤中,生产稀土元素通常需要处理放射性物质,因此开採加工的成本非常高昂,要获得高纯度的稀土元素也极其困难。

稀土元素的电子组态由不含f轨域电子的钪(3d14s2)、钇(4d15s2)、镧(5d16s2),以及由铈(4f15d16s2)开始,电子逐一填入内壳层的4f轨域,到鑥(4f145d16s2)共17个元素,稀土元素的外壳层s轨域及d轨域的电子容易游离,因此氧化态通常为3+或2+。

稀土元素(rare earth element)

图二$$~~$$独居石

稀土元素为典型的金属元素,因为其原子半径大,使得外层的s轨域与d轨域电子容易失去,故其化学活性仅次于硷金族及硷土族金属,为强还原剂。

一般而言,稀土元素的活性会随着原子序增加而减弱,由于原子核正电荷增加,使电子较不易游离,而趋于稳定,值得注意的是,稀土元素可和个别金属形成多种氧化物、卤化物、硫化物、氮化物、碳化物、硼化物及硅化物,因稀土元素可以溶解在除了氢氟酸和磷酸的大部分无机酸,稀土大多以磷酸盐类的独居石与氟化物的氟碳铈矿的型态存在于地壳中2。

稀土元素(rare earth element)

图三$$~~$$稀土资源分布

稀土矿脉主要分布在美国、中国、独立国协联盟等少数国家,高科技产业举凡光电、催化、超导、陶瓷等,稀土元素为不可或缺的原料,就连手机内的部分零件、记忆体也掺有稀土元素,因此常被称为「工业的维他命」及「产业的调味料」,无疑是被公认的重要战略资源。3

表一$$~~$$稀土元素列表

原子序(Z)化学符号名称英文名称应用範围21Sc钪Scandium铝钪合金、航空零件、卤素灯及水银灯的添加剂、放射追蹤剂39Y钇

 Yttrium钇铝石榴石、高温超导体、微波滤波器、电视的萤光粉(红色) 、钢铁添加剂57La镧Lanthanum高折射耐硷玻璃、燧石、氢气储藏装置、电池电极、相机镜片、石油裂解催化剂58Ce铈Cerium氧化剂、抛光粉、玻璃瓷器染料(黄色)、石油裂解催化剂59Pr鐠

 Praseodymium稀土类磁铁、雷射、玻璃珐琅染料、焊接护目镜60Nd钕

 Neodymium稀土类磁铁、雷射、玻璃瓷器染料(紫色)、陶瓷电容器、鐠钕玻璃61Pm鉕Promethium核电池62Sm钐Samarium稀土类磁铁、雷射、中子捕获装置、微波发射器63Eu铕Europium红色蓝色荧光粉、雷射、水银灯、萤光灯、核磁共振鬆弛剂64Gd釓

 Gadolinium稀土类磁铁、高折射玻璃、雷射、X射线管、电脑记忆体、中子捕获装置、MRI对比剂、核磁共振鬆弛剂65Tb鋱Terbium绿色荧光粉、雷射、萤光灯、磁致伸缩合金66Dy镝

 Dysprosium稀土类磁铁、雷射、磁致伸缩合金67Ho鈥

 Holmium雷射、磁铁、波长校準计、分光光度计68Er铒Erbium红外线雷射、钒钢、光纤69Tm銩Thulium携带型X射线机、金属卤素灯、雷射70Yb镱Ytterbium红外线雷射、还原剂、不鏽钢、应力计、核医学71Lu鑥Lutetium高折射玻璃、正电子发射断层扫描-PET探测器

参考资料:



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