稀土化学和稀土材料省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

稀土材料化学稀土材料化学第1页绪论关于本课程：关于本课程：1）学习本课程意义。）学习本课程意义。2）本课程与其它专业基础课相同和不一样点）本课程与其它专业基础课相同和不一样点a）理论知识不多，应用部分较多。）理论知识不多，应用部分较多。b）对应教学模式不一样。）对应教学模式不一样。c）对学生要求不一样。）对学生要求不一样。d）考评方式有区分。）考评方式有区分。第2页考查国内一流大学化学及应用化学专业课程设置；考虑我校应化专业具体要求；根据我校具体现实状况，总结几轮教学经验和教训，建构一个有利于人才培养过程教学框架。具体形式为：教师课堂讲授（14课时）全班学生查资料准备好ppt学生分别讲授（18课时）教师总结试卷考评加平时成绩完成教学。第3页关于本课学习方式关于本课学习方式1）教师课堂讲授稀土基本知识。（老师讲）教师课堂讲授稀土基本知识。（老师讲）2）学生查阅资料，课堂讨论。（学生参加）学生查阅资料，课堂讨论。（学生参加）3）学生课堂讲相关知识。（学生讲）学生课堂讲相关知识。（学生讲）3）习题、复习思索题。）习题、复习思索题。4）课堂考试（结束时）课堂考试（结束时）5）交文字资料和讲课）交文字资料和讲课ppt。作为平时成绩。作为平时成绩。本课程为考试课，成绩按本课程为考试课，成绩按100分计。其中期末考分计。其中期末考试占试占60，上课考查，上课考查20，平时成绩占，平时成绩占20。第4页课程教学目标稀土化学稀土化学是应用化学及材料类专业专业基础课。是应用化学及材料类专业专业基础课。它是该专业学生知识结构中主要一课，学生经过本它是该专业学生知识结构中主要一课，学生经过本课程学习，将了解我国稀土资源分布，熟悉和掌握课程学习，将了解我国稀土资源分布，熟悉和掌握各种稀土元素化学和物理性质，了解稀土普通提取各种稀土元素化学和物理性质，了解稀土普通提取方法。更主要是要了解稀土在材料各学科中应用，方法。更主要是要了解稀土在材料各学科中应用，使其开阔思绪，为以后工作打下专业基础。同时经使其开阔思绪，为以后工作打下专业基础。同时经过学习，也能够使学生得到普通科学方法训练和逻过学习，也能够使学生得到普通科学方法训练和逻辑思维能力培养。辑思维能力培养。第5页第一章第一章稀土元素及稀土矿物稀土元素及稀土矿物1）稀土元素主要性：）稀土元素主要性：能源能源,信息和材料信息和材料三大主要支柱三大主要支柱.稀土元素因为其结构特殊性而具备了其稀土元素因为其结构特殊性而具备了其它元素所不具备光、电、磁等特征，从而它元素所不具备光、电、磁等特征，从而能够制备出许多应用于高新技术新材料。能够制备出许多应用于高新技术新材料。故被人们称为新材料宝库。是当今世界科故被人们称为新材料宝库。是当今世界科学主要研究方向之一。学主要研究方向之一。第6页第一节第一节稀土元素及命名稀土元素及命名普通来说，我们把位于元素周期表第三副族，普通来说，我们把位于元素周期表第三副族，包含钪（包含钪（Sc，）、钇（，）、钇（Y，）和镧系元素，）和镧系元素包含镧（包含镧（La，）、铈（，）、铈（Ce，）、镨，）、镨(Pr，)、钕钕(Nd)、钷、钷(Pm)、钐、钐(Sm)、铕、铕(Eu)、钆、钆(Gd)、铽铽(Tb)、镝、镝(Dy)、钬钬(Ho)、铒、铒(Er)、铥、铥(Tm)、镱镱(Yb)、镥、镥(Lu)十七种元素总称为十七种元素总称为稀土元素稀土元素。第7页特特别别提提示示1）因为钪性质与其它元素有很大差异，所以）因为钪性质与其它元素有很大差异，所以普通来说我们所常指稀土元素都是指除钪普通来说我们所常指稀土元素都是指除钪以外以外16个元素。个元素。2）稀土元素最初是从瑞典产比较稀少矿物中）稀土元素最初是从瑞典产比较稀少矿物中发觉，发觉，“土土”是按当初习惯，称不溶于水是按当初习惯，称不溶于水物质，故称稀土。物质，故称稀土。第8页稀土元素命名稀土元素命名稀土元素最早由芬兰著名化学家稀土元素最早由芬兰著名化学家加多林加多林（J，Gadolin）于）于1794年年发觉。他在硅铍发觉。他在硅铍钇矿中发觉了钇矿中发觉了“钇土钇土”即氧化钇。因为分即氧化钇。因为分离困难，直到离困难，直到1947年年才全部完成了才全部完成了15个稀个稀土元素分离。前后研究工作由多位科学家土元素分离。前后研究工作由多位科学家连续了连续了近一个半世纪近一个半世纪才完成。才完成。第9页第10页第11页第二节第二节结构和分类结构和分类第12页一个电子运动状态要从一个电子运动状态要从4个方面来进行描个方面来进行描述，述，即它所处即它所处电子层电子层(K、L、M，主量子数），主量子数）、电子亚层电子亚层（s、p、d、f，角量子数），角量子数）、电子云伸展方向电子云伸展方向（s电子云是球形对称，在电子云是球形对称，在空间各个空间各个方向方向上伸展程度相同。上伸展程度相同。P电子云在空间电子云在空间有三个伸展有三个伸展方向。方向。d电子云能够有五种伸展方向，电子云能够有五种伸展方向，f电子云能够有七种伸展方向，磁量子数）电子云能够有七种伸展方向，磁量子数）电子自旋方向电子自旋方向（，自旋量子数），自旋量子数）第13页原子核外电子排布原理原子核外电子排布原理处于稳定状态原子，核外电子将尽可能地按处于稳定状态原子，核外电子将尽可能地按能量最低原理能量最低原理排布。另外，因为电子不可能都排布。另外，因为电子不可能都挤在一起，它们还要恪守挤在一起，它们还要恪守保里不相容原理和洪保里不相容原理和洪特规则特规则。普通而言，在这三条规则指导下，能。普通而言，在这三条规则指导下，能够推导出元素原子核外电子排布情况够推导出元素原子核外电子排布情况。不过对。不过对于多电子元素，还要考虑于多电子元素，还要考虑钻穿效应和屏蔽效应钻穿效应和屏蔽效应。第14页最低能量原理最低能量原理电子在原子核外排布时，要尽可能使电子能量最低电子在原子核外排布时，要尽可能使电子能量最低。电子本身就是一个物质，它在普通情况下总想处于一个较为电子本身就是一个物质，它在普通情况下总想处于一个较为安全（或稳定）一个状态（基态），也就是能量最低时状态。安全（或稳定）一个状态（基态），也就是能量最低时状态。当有外加作用时，电子也是能够吸收能量到能量较高状态当有外加作用时，电子也是能够吸收能量到能量较高状态（激发态），不过它总有时时刻刻想回到基态趋势。（激发态），不过它总有时时刻刻想回到基态趋势。普通来说，离核较近电子含有较低能量，伴随电子层数增加，普通来说，离核较近电子含有较低能量，伴随电子层数增加，电子能量越来越大；同一层中，各亚层能量是按电子能量越来越大；同一层中，各亚层能量是按s、p、d、f（我（我们称为轨道）次序增高。这两种作用总结果能够得出电子在原子们称为轨道）次序增高。这两种作用总结果能够得出电子在原子核外排布时恪守以下次序：核外排布时恪守以下次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p第15页保里不相容原理在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同两个电子存在，即两个电子存在，即每一个轨道中只能容纳两个自旋方向每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反电子相反电子。这就是保里不相容原理。这就是保里不相容原理。依据保里不相容原理：依据保里不相容原理：s亚层只有亚层只有1个轨道，能够容个轨道，能够容纳两个自旋相反电子；纳两个自旋相反电子；p亚层有亚层有3个轨道，总共能够容纳个轨道，总共能够容纳6个电子；个电子；f亚层有亚层有5个轨道，总共能够容纳个轨道，总共能够容纳10个电子。个电子。我们还得知：第一电子层（我们还得知：第一电子层（K层）中只有层）中只有1s亚层，最多亚层，最多容纳两个电子；第二电子层（容纳两个电子；第二电子层（L层）中包含层）中包含2s和和2p两个两个亚层，总共能够容纳亚层，总共能够容纳8个电子；第个电子；第3电子层（电子层（M层）中包层）中包含含3s、3p、3d三个亚层，总共能够容纳三个亚层，总共能够容纳18个电子个电子第第n层总共能够容纳层总共能够容纳2n2个电子。个电子。第16页洪特规则洪特规则有两方面含义：洪特规则有两方面含义：一、电子在原子核外排布时，将尽可能分占不一、电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同轨道，且自旋平行；同轨道，且自旋平行；二、对于同一个电子亚层，当电子排布处于二、对于同一个电子亚层，当电子排布处于全满（全满（s2、p6、d10、f14）半满（半满（s1、p3、d5、f7）全空（全空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定。）时比较稳定。第17页屏蔽效应屏蔽效应因为其它因为其它电子电子对某一电子排斥作用而抵消对某一电子排斥作用而抵消了一部分核电荷，从而引发有效核电荷降了一部分核电荷，从而引发有效核电荷降低，减弱了核电荷对该电子吸引，这种作低，减弱了核电荷对该电子吸引，这种作用称为用称为屏蔽作用或屏蔽效应屏蔽作用或屏蔽效应普通来说，内层电子对外层电子屏蔽作用普通来说，内层电子对外层电子屏蔽作用大。大。第18页钻穿效应在原子核附近出现概率较大电子，可更多地防止其在原子核附近出现概率较大电子，可更多地防止其余电子屏蔽，受到核较强吸引而更靠近核，这种进入原余电子屏蔽，受到核较强吸引而更靠近核，这种进入原子内部空间作用叫做钻穿效应。子内部空间作用叫做钻穿效应。钻穿能力：钻穿能力：nsnpndnf与与屏蔽效应屏蔽效应相反，外层电子有钻穿效应。外层角量相反，外层电子有钻穿效应。外层角量子数小能级上电子，如子数小能级上电子，如4s电子能钻到近核内层空间运动，电子能钻到近核内层空间运动，这么它受到其它电子屏蔽作用就小，受核引力就强，因这么它受到其它电子屏蔽作用就小，受核引力就强，因而电子能量降低，造成而电子能量降低，造成E（4s）E(3d)。钻穿效应能。钻穿效应能够解释原子轨道够解释原子轨道能级交织能级交织现象。现象。第19页稀土原子电子结构钪钪原子序数是原子序数是21，原子结构应该是：，原子结构应该是：1s22s22p63s23p63d14s2（这里也是先填充（这里也是先填充4s轨轨道，后填充道，后填充3d轨道，轨道，钻穿效应钻穿效应）。）。钇钇原子序数为原子序数为39，应有，应有5层电子。第一、二、三层电子。第一、二、三层填满后，填充层填满后，填充4s、4p轨道，然后先在轨道，然后先在5s轨道轨道上填入上填入2个电子，最终将剩下个电子，最终将剩下1个电子填入个电子填入4d轨轨道中得道中得1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2。第20页第21页图中有两个元素是特列：图中有两个元素是特列：58号铈元素，试验测定出它结构是号铈元素，试验测定出它结构是Xe6s24f15d1；64号元素钆是号元素钆是Xe6s24f75d1，而不是，而不是6s24f8；第22页稀土电子结构含有三个显著特点第一，全部稀土原子最外层都是第一，全部稀土原子最外层都是s2结构，这就结构，这就决定全部稀土金属都是活泼金属；决定全部稀土金属都是活泼金属；第二，次外层含有第二，次外层含有nd01ns2np6结构，对于结构，对于Sc、Y、La、Ce、Gd和和Lu含有含有nd1ns2np6结构，对结构，对于其余稀土原子含有于其余稀土原子含有5d05s25p6结构，这就决定结构，这就决定了了3价稀土离子均含有价稀土离子均含有ns2np6稳定结构；稳定结构；第23页第三、从铈到镥，电子开始填充在倒数第第三、从铈到镥，电子开始填充在倒数第三层三层4f轨道上。这种填充方式，使得从轨道上。这种填充方式，使得从镧到镥，最外层和次外层电子结构基本相镧到镥，最外层和次外层电子结构基本相同，只是倒数第三层上同，只是倒数第三层上4f电子数不一样。电子数不一样。因为元素原子性质主要决定于最外层电子因为元素原子性质主要决定于最外层电子结构，但也受次外层和微弱地受倒数第三结构，但也受次外层和微弱地受倒数第三层电子结构影响，所以镧系元素尤其是镧层电子结构影响，所以镧系元素尤其是镧系元系元素化合物素化合物物理性质和化学性质表现出物理性质和化学性质表现出极大相同性和一定程度有规律改变趋势。极大相同性和一定程度有规律改变趋势。第24页镧系收缩镧系收缩镧系收缩镧系收缩是指从镧到镥伴随原子序数增加，它是指从镧到镥伴随原子序数增加，它们原子半径、离子半径均逐步减小现象。们原子半径、离子半径均逐步减小现象。镧系收缩是由镧系原子和离子特殊电子结构引镧系收缩是由镧系原子和离子特殊电子结构引发。从钪到镧，原子序数增加很多，即核电荷发。从钪到镧，原子序数增加很多，即核电荷增加很多，核外电子也增加很多，而且电子层增加很多，核外电子也增加很多，而且电子层数也逐一增加。数也逐一增加。第25页Sc有有4层电子，最外层为层电子，最外层为4s2。Y有有5层电子，层电子，最外层为最外层为5s2。而镧有。而镧有6层电子，最外层为层电子，最外层为6s2。所以，它们原子半径、离子半径必定。所以，它们原子半径、离子半径必定依次增大。依次增大。对于镧系元素，从镧到镥伴随原子序数逐对于镧系元素，从镧到镥伴随原子序数逐步增大，原子半径、离子半径却逐步减小步增大，原子半径、离子半径却逐步减小（见表（见表2-3）。）。第26页收缩更加明显第27页镧系收缩特点1、依据电子组态特点，随原子序数增大，新增、依据电子组态特点，随原子序数增大，新增加原子不是填充到最外层而是填入倒数第三层加原子不是填充到最外层而是填入倒数第三层4f轨道，它比轨道，它比6S和和5S、5P轨道对核电荷有较轨道对核电荷有较大屏蔽效应，故最外层电子受核引力只是迟缓大屏蔽效应，故最外层电子受核引力只是迟缓增加，从而造成原子半径呈迟缓缩小趋势；增加，从而造成原子半径呈迟缓缩小趋势；2、离子比原子少一电子层，失去最外层、离子比原子少一电子层，失去最外层6S电子电子后，处于倒数第二层后，处于倒数第二层4f轨道对核屏蔽作用减小，轨道对核屏蔽作用减小，所以离子半径收缩比原子半径显著得多。所以离子半径收缩比原子半径显著得多。第28页镧系收缩结果1）处于第三周期钪离子处于第三周期钪离子Sc3+半径靠近镥离半径靠近镥离子子Lu3+，钇离子，钇离子Y3+半径落在半径落在Er3+之下，在之下，在铕离子铕离子Eu3+附近，所以自然界中附近，所以自然界中钪、钇常同钪、钇常同镧系元素铒共生镧系元素铒共生，成为稀土元素组员。，成为稀土元素组员。第29页2）镧系收缩使它后面各族过渡元素原子半径）镧系收缩使它后面各族过渡元素原子半径和离子半径分别与同族上面一个元素极为和离子半径分别与同族上面一个元素极为靠近，靠近，比如比如、因为镧系收缩，使得、因为镧系收缩，使得B族中族中锆（锆（Zr，镧系之前）和铪，镧系之前）和铪（Hf，镧系之后），镧系之后），B族中族中铌（铌（Nb，镧系之前）和钽，镧系之前）和钽（Ta，铪之，铪之后），后），B族中族中钼（钼（Mo，镧系之前）和钨，镧系之前）和钨（W，钽之后）以及，钽之后）以及B族中族中锝锝Tc（镧系之（镧系之前）和铼前）和铼（Re，钨之后）原子半径和离子，钨之后）原子半径和离子半径很相近，化学性质相同，造成份离上半径很相近，化学性质相同，造成份离上困难。困难。Zr和和Hf，Nb和和Ta在自然界矿物中共在自然界矿物中共生，且彼此难于分离。生，且彼此难于分离。第30页复习题复习题什么叫稀土？写出全部稀土元素名称及符什么叫稀土？写出全部稀土元素名称及符号。号。从哪几个方面能够描述一个电子运动状态从哪几个方面能够描述一个电子运动状态？原子核外电子排布需要遵照哪几个原理？原子核外电子排布需要遵照哪几个原理？详细内容为？详细内容为？什么叫屏蔽效应、钻穿效应？什么叫屏蔽效应、钻穿效应？写出稀土元素镧、钪、钆核外电子排布方写出稀土元素镧、钪、钆核外电子排布方式。式。稀土电子结构含有哪几个显著特点？稀土电子结构含有哪几个显著特点？什么叫镧系收缩？其特点和结果怎样？什么叫镧系收缩？其特点和结果怎样？第31页苏苏锵锵生于生于1931年年7月月15日，广东广州人。日，广东广州人。1995年当选年当选中国科学院院士。中国科学院院士。1952年毕业于北京大学工学院化工系（年毕业于北京大学工学院化工系（19481950年，中山大学化工系；年，中山大学化工系；19501952年，北京大学化年，北京大学化工系；工系；1952年院系调整至清华大学化工系），年院系调整至清华大学化工系），毕业后到中国科学院长春应用化学研究所从事稀土毕业后到中国科学院长春应用化学研究所从事稀土研究工作至今已研究工作至今已40余年。历任稀土研究室课题组组余年。历任稀土研究室课题组组长和室主任，所学术委员会主任，中国稀土学会发长和室主任，所学术委员会主任，中国稀土学会发光专业委员会主任，发光学会副理事长，光专业委员会主任，发光学会副理事长，稀土稀土、化学学报化学学报、中国化学中国化学、无机化学报无机化学报、应用化学应用化学副主编和副主编和1989年第二届国际稀土光谱年第二届国际稀土光谱讨论会主席，讨论会主席，1997年第三届国际年第三届国际F元素会议国际科元素会议国际科学委员会会员。学委员会会员。第八、九届全国政协委员。第八、九届全国政协委员。第32页19521954年参加了从独居石提取钍和混合稀士研究年参加了从独居石提取钍和混合稀士研究和建厂工作，所得钍满足了锦州石油六厂合成石油所用和建厂工作，所得钍满足了锦州石油六厂合成石油所用催化剂需要。催化剂需要。19541955年建立了从含钒炉渣中提取五氧化二钒中年建立了从含钒炉渣中提取五氧化二钒中间工厂，全套设备移交工厂。间工厂，全套设备移交工厂。1958年组织和参加了从独居石混合稀土和包头稀土尾矿年组织和参加了从独居石混合稀土和包头稀土尾矿中提取分离稀土中间工厂建立，研究和综合了分级沉淀，中提取分离稀土中间工厂建立，研究和综合了分级沉淀，分级结晶，氧化还原，离子交换和溶剂萃取等分离方法，分级结晶，氧化还原，离子交换和溶剂萃取等分离方法，取得了除钷（取得了除钷（Pm）以外全部单一纯稀土。）以外全部单一纯稀土。19521962期间，提出了工业用铈湿法空气氧化法和利用钇位期间，提出了工业用铈湿法空气氧化法和利用钇位置改变来分离钇原理和萃取法，提出了分离稀土流程，同时并开置改变来分离钇原理和萃取法，提出了分离稀土流程，同时并开展了稀土配位化学、萃取化学等溶液化学研究。提出了不用珍贵展了稀土配位化学、萃取化学等溶液化学研究。提出了不用珍贵仪器分析镧、铈、钕、铽、镱（仪器分析镧、铈、钕、铽、镱（La、Ce、Nd、Eu、Tb、Yb）等稀土方法。等稀土方法。第33页19721977年组织和参加研制掺钕铝酸钇激光晶体，年组织和参加研制掺钕铝酸钇激光晶体，用于炮兵测距；组织和参加了无机液体激光物质及稀土用于炮兵测距；组织和参加了无机液体激光物质及稀土发光材料研制与推广。上述稀土提取、分离、分析与应发光材料研制与推广。上述稀土提取、分离、分析与应用工作取得用工作取得1978年全国科学大会奖。年全国科学大会奖。80年代后开展稀土固体化学和非三价稀土化学基础研究，年代后开展稀土固体化学和非三价稀土化学基础研究，合成了一系稀土无机和有机化合物，研究其光谱和发光合成了一系稀土无机和有机化合物，研究其光谱和发光性质与磁化学。首次实现铽（性质与磁化学。首次实现铽（Tb）和镨（）和镨（Pr）光氧化）光氧化和四价铽（和四价铽（Tb）萃取分离；并提出在空气下钐、铕、镱、）萃取分离；并提出在空气下钐、铕、镱、铥（铥（Sm、Eu、Yb、Tm）在一些硼酸盐发光材料中还）在一些硼酸盐发光材料中还原成二价简便与安全新方法。原成二价简便与安全新方法。为开发我国南方特有稀土离子吸附型矿中量丰富镝为开发我国南方特有稀土离子吸附型矿中量丰富镝（DY）和钆（）和钆（Gd）在发光材料中应用，与韩国合作研）在发光材料中应用，与韩国合作研制镝（制镝（Dy）在高压汞灯中应用，并经过吉林省科委判）在高压汞灯中应用，并经过吉林省科委判定。近年，研制出新型掺镝（定。近年，研制出新型掺镝（Dy）长余辉夜光材料，）长余辉夜光材料，提出了可隆低全盛温度湿化学法，取得高亮度和余辉材提出了可隆低全盛温度湿化学法，取得高亮度和余辉材料，提出了可合成温度湿化学法，取得高亮度和余辉时料，提出了可合成温度湿化学法，取得高亮度和余辉时间长稀土夜光材料。间长稀土夜光材料。第34页培养硕士博士生多名。培养硕士博士生多名。1990年由新加坡世界科学年由新加坡世界科学出版社（出版社（WorldScientific）出版）出版（稀土光谱）英文论文集一本，（稀土光谱）英文论文集一本，1993年由河南科学出版社年由河南科学出版社稀土化学稀土化学专著一本，专著一本，1994年主编年主编变价稀土元素化学与物理变价稀土元素化学与物理会议论会议论文集一本。在国内外发表学术论文文集一本。在国内外发表学术论文230余篇，获钇余篇，获钇钡钡铜铜银银氧高温超导体创造专利一项。氧高温超导体创造专利一项。曾应邀赴法国进行合作研究和赴德国作访问曾应邀赴法国进行合作研究和赴德国作访问学者，赴韩国讲学，赴泰国、韩国、巴西、俄罗学者，赴韩国讲学，赴泰国、韩国、巴西、俄罗斯邀请汇报，赴美、法、日、澳、波、芬参加国斯邀请汇报，赴美、法、日、澳、波、芬参加国际会议并顺访荷兰与瑞典。曾与香港城市理工大际会议并顺访荷兰与瑞典。曾与香港城市理工大学生物和化学系及美国新奥尔良大学物理系进行学生物和化学系及美国新奥尔良大学物理系进行合作。合作。现正执行国家自然科学基金和国家重大基础现正执行国家自然科学基金和国家重大基础研究（研究（973）项目中）项目中“稀土功效材料基础研究稀土功效材料基础研究”资资助稀土基础研究项目。助稀土基础研究项目。第35页第三节第三节稀土元素价态稀土元素价态和分组和分组稀土元素是活泼金属元素（稀土原子最外层都稀土元素是活泼金属元素（稀土原子最外层都是是s2结构，这就决定全部稀土金属都是活泼金结构，这就决定全部稀土金属都是活泼金属），其活泼性仅次于碱金属和碱土金属。属），其活泼性仅次于碱金属和碱土金属。对于稀土原子，通常是首先给出对于稀土原子，通常是首先给出2个个s2电子，接电子，接着给出次外层着给出次外层1个个d电子（假如有话）或者给出电子（假如有话）或者给出倒数第三层倒数第三层1个个4f电子，形成电子，形成+3价离子价离子RE3+。镧系离子化合价也可表现为非正常价态，即非镧系离子化合价也可表现为非正常价态，即非三价状态。这些非正常价态是因为一些镧系元三价状态。这些非正常价态是因为一些镧系元素在该系列中所处特殊地位所致素在该系列中所处特殊地位所致第36页324TbYbLuTmErHoDyHfBaLaCePr NdPmSmEuGdCe4+Sm2+Yb2+第37页第38页稀土元素分类稀土元素分类依据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，依据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不一样离子半径以及它们在矿物中共生情况和不一样离子半径可产生不一样性质特征，十七种稀土元素通常可产生不一样性质特征，十七种稀土元素通常分为二组。分为二组。轻稀土（又称铈组）轻稀土（又称铈组）包含：包含：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕。镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕。重稀土（又称钇组）重稀土（又称钇组）包含：包含：钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇。钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇。第39页稀土元素在自然界存在形式稀土元素在自然界存在形式稀土元素在地幔中含量极微，但在地壳中分布却十分广泛，稀土元素在地幔中含量极微，但在地壳中分布却十分广泛，数量也不少，其中铈组元素为数量也不少，其中铈组元素为0.01592%,钇组元素为钇组元素为0.0077%；比常见元素铜（；比常见元素铜（0.01%),锌锌(0.005%),锡锡(0.004%),铅铅(0.0016%),镍镍(0.008%),钴钴(0.003%)等都多。等都多。17种稀土元素总量在地壳中占种稀土元素总量在地壳中占0.0153%第40页稀土元素在地壳中分布特点稀土元素在地壳中总分布为稀土元素在地壳中总分布为0.0153%，其丰度比一些，其丰度比一些常见元素还要多。常见元素还要多。在地壳中铈组元素丰度比钇组元素要大。前者在地壳在地壳中铈组元素丰度比钇组元素要大。前者在地壳中丰度为中丰度为101g/t，后者约为，后者约为47g/t。稀土元素分布式不均匀普通服从稀土元素分布式不均匀普通服从Oddo-Harkins规则，规则，即原子序数为偶数元素其含量较相邻积水元素含量大。即原子序数为偶数元素其含量较相邻积水元素含量大。但有矿物也有例外，如我国一些离子吸附型矿物中镧含但有矿物也有例外，如我国一些离子吸附型矿物中镧含量却比原子序数为偶数铈高。量却比原子序数为偶数铈高。在地壳中稀土元素集中于岩石圈中，主要集中于花岗在地壳中稀土元素集中于岩石圈中，主要集中于花岗岩、伟晶岩、正长岩岩石中，尤其是在碱性岩浆岩中愈岩、伟晶岩、正长岩岩石中，尤其是在碱性岩浆岩中愈加富集。加富集。稀土元素不但存在于地壳中，而且在海水、月球表面稀土元素不但存在于地壳中，而且在海水、月球表面也有发觉，但含量极少。也有发觉，但含量极少。第41页稀土元素在矿物中赋存状态稀土元素在矿物中赋存状态稀土元素在地壳中主要以矿物形式存在，其赋存状态主稀土元素在地壳中主要以矿物形式存在，其赋存状态主要有三种：要有三种：作为矿物基本组成元素，稀土以离子化合物形式赋作为矿物基本组成元素，稀土以离子化合物形式赋存于矿物晶格中，组成矿物必不可少成份存于矿物晶格中，组成矿物必不可少成份。这类矿物通。这类矿物通常称为稀土矿物，如独居石、氟碳铈矿等。常称为稀土矿物，如独居石、氟碳铈矿等。作为矿物杂质元素，以类质同象置换形式，分散于作为矿物杂质元素，以类质同象置换形式，分散于造岩矿物和稀有金属矿物中，造岩矿物和稀有金属矿物中，这类矿物可称为含有稀土这类矿物可称为含有稀土元素矿物，如磷灰石、萤石等。元素矿物，如磷灰石、萤石等。呈离子状态被吸附于一些矿物表面或颗粒间呈离子状态被吸附于一些矿物表面或颗粒间。这类。这类矿物主要是各种粘土矿物、云母类矿物。这类状态稀土矿物主要是各种粘土矿物、云母类矿物。这类状态稀土元素很轻易提取。元素很轻易提取。第42页4、稀土主要工业矿物、稀土主要工业矿物已经发觉稀土矿物约有已经发觉稀土矿物约有250种，但含有工业种，但含有工业价值稀土矿物只有价值稀土矿物只有5060种，当前含有开种，当前含有开采价值只有采价值只有10种种左右，现在用于工业提取左右，现在用于工业提取稀土元素矿物主要有稀土元素矿物主要有四种四种氟碳铈矿、独氟碳铈矿、独居石矿、磷钇矿和风化壳淋积型矿居石矿、磷钇矿和风化壳淋积型矿，前三，前三种矿占西方稀土产量种矿占西方稀土产量95%以上。独居石和以上。独居石和氟碳铈矿中，轻稀土含量较高。磷钇矿中，氟碳铈矿中，轻稀土含量较高。磷钇矿中，重稀土和钇含量较高，但矿源比独居石少。重稀土和钇含量较高，但矿源比独居石少。第43页1、独居石（、独居石（Monazite）独居石又名独居石又名磷铈镧矿磷铈镧矿。化学成份及性质化学成份及性质：(Ce,La,Y,Th)PO4。独居石溶于。独居石溶于H3PO4、HClO4、H2SO4中。中。晶体结构及形态：晶体结构及形态：单斜晶系，斜方柱晶类。晶体成板状，晶面常单斜晶系，斜方柱晶类。晶体成板状，晶面常有条纹，有时为柱、锥、粒状。有条纹，有时为柱、锥、粒状。物理性质物理性质：呈黄褐色、棕色、红色，间或有绿色。半透明至透明。：呈黄褐色、棕色、红色，间或有绿色。半透明至透明。条痕白色或浅红黄色。含有强玻璃光泽。硬度条痕白色或浅红黄色。含有强玻璃光泽。硬度5.05.5。性脆。性脆。比重比重4.95.5。电磁性中弱。在。电磁性中弱。在X射线下发绿光。在阴极射线下射线下发绿光。在阴极射线下不发光。不发光。用途：用途：主要用来提取稀土元素。主要用来提取稀土元素。产地：产地：含有经济开采价值独居石主要资源是冲积型或海滨砂矿床。含有经济开采价值独居石主要资源是冲积型或海滨砂矿床。最主要海滨砂矿床是在澳大利亚沿海、巴西以及印度等沿海。另最主要海滨砂矿床是在澳大利亚沿海、巴西以及印度等沿海。另外，斯里兰卡、马达加斯加、南非、马来西亚、中国、泰国、韩外，斯里兰卡、马达加斯加、南非、马来西亚、中国、泰国、韩国、朝鲜等地都含有独居石重砂矿床。国、朝鲜等地都含有独居石重砂矿床。第44页2、氟碳铈矿、氟碳铈矿（Bastnaesite）化学成份性质化学成份性质：(Ce，La)CO3F。氟碳铈矿易溶于稀。氟碳铈矿易溶于稀HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4。晶体结构及形态晶体结构及形态：六方晶系。复三方双锥晶类。晶体呈六方柱状：六方晶系。复三方双锥晶类。晶体呈六方柱状或板状。细粒状集合体。或板状。细粒状集合体。物理性质物理性质：黄色、红褐色、浅绿或褐色。硬度：黄色、红褐色、浅绿或褐色。硬度44.5，性脆，比，性脆，比重重4.725.12，用途：用途：它是提取铈族稀土元素主要矿物原料。铈族元素可用于制它是提取铈族稀土元素主要矿物原料。铈族元素可用于制作合金，提升金属弹性、韧性和强度，是制作喷气式飞机、导弹、作合金，提升金属弹性、韧性和强度，是制作喷气式飞机、导弹、发动机及耐热机械主要零件。亦可用作防辐射线防护外壳等。另发动机及耐热机械主要零件。亦可用作防辐射线防护外壳等。另外，铈族元素还用于制作各种有色玻璃。外，铈族元素还用于制作各种有色玻璃。当前，已知最大氟碳铈矿位于中国内蒙古白云鄂博矿，其稀当前，已知最大氟碳铈矿位于中国内蒙古白云鄂博矿，其稀土氧化物平均含量为土氧化物平均含量为56%。品位最高工业氟碳铈矿矿床是美国。品位最高工业氟碳铈矿矿床是美国加利福尼亚州芒廷帕斯矿，这是世界上唯一以开采稀土为主氟碳加利福尼亚州芒廷帕斯矿，这是世界上唯一以开采稀土为主氟碳铈矿。铈矿。第45页3、磷钇矿（、磷钇矿（Xenotime）化学成份及性质化学成份及性质：YPO4。成份中。成份中Y2O361.4，P2O538.6。有钇族稀土元素混入，其中以镱、铒、镝、钆为主。还有锆、有钇族稀土元素混入，其中以镱、铒、镝、钆为主。还有锆、铀、钍等元素代替钇，同时伴随有硅代替磷。普通来说，磷钇铀、钍等元素代替钇，同时伴随有硅代替磷。普通来说，磷钇矿中铀含量大于钍。磷钇矿化学性质稳定。矿中铀含量大于钍。磷钇矿化学性质稳定。晶体结构及形态晶体结构及形态：四方晶系、复四方双锥晶类、呈粒状及块状。：四方晶系、复四方双锥晶类、呈粒状及块状。物理性质物理性质：黄色、红褐色，有时呈黄绿色，亦呈棕色或淡褐色。：黄色、红褐色，有时呈黄绿色，亦呈棕色或淡褐色。条痕淡褐色。玻璃光泽，油脂光泽。硬度条痕淡褐色。玻璃光泽，油脂光泽。硬度45，比重，比重4.45.1，含有弱多色性和放射性。，含有弱多色性和放射性。生成状态生成状态：主要产于花岗岩、花岗伟晶岩中。亦产于碱性花岗：主要产于花岗岩、花岗伟晶岩中。亦产于碱性花岗岩以及相关矿床中。在砂矿中亦有产出。岩以及相关矿床中。在砂矿中亦有产出。用途用途：大量富集时，用作提炼稀土元素矿物原料：大量富集时，用作提炼稀土元素矿物原料。第46页4、风化壳淋积型稀土矿、风化壳淋积型稀土矿（Ionabsorptdeposit）淋积型稀土矿即离子吸附型稀土矿是我国特有新型淋积型稀土矿即离子吸附型稀土矿是我国特有新型稀土矿物。所谓稀土矿物。所谓“离子吸附离子吸附”系稀土元素不以化合系稀土元素不以化合物形式存在，而是呈离子状态吸附于粘土矿物中。物形式存在，而是呈离子状态吸附于粘土矿物中。这些稀土易为强电解质交换而转入溶液，不需要破这些稀土易为强电解质交换而转入溶液，不需要破碎、选矿等工艺过程，而是直接浸取即可取得混合碎、选矿等工艺过程，而是直接浸取即可取得混合稀土氧化物。稀土氧化物。这类矿特点是这类矿特点是：重稀土元素含量高，经济含量大，：重稀土元素含量高，经济含量大，品位低，覆盖面大，多在丘陵地带，适于手工和半品位低，覆盖面大，多在丘陵地带，适于手工和半机械化开采，开采和浸取工艺简单。机械化开采，开采和浸取工艺简单。风化壳淋积型稀土矿，主要分布在我国江西、广东、风化壳淋积型稀土矿，主要分布在我国江西、广东、湖南、广西、福建等地。湖南、广西、福建等地。第47页中中国国中国是世界上稀土资源最丰富国家，全国已经有中国是世界上稀土资源最丰富国家，全国已经有22个省（区）先后发觉一批稀土矿床，主要分布在内个省（区）先后发觉一批稀土矿床，主要分布在内蒙、江西、广东、广西、四川、山东等地。蒙、江西、广东、广西、四川、山东等地。1）1927年丁道衡教授发觉白云鄂博铁矿年丁道衡教授发觉白云鄂博铁矿2）60年代中期发觉江西、广东等地风化淋积型（离年代中期发觉江西、广东等地风化淋积型（离子吸附型）稀土矿床子吸附型）稀土矿床3）70年代早期发觉山东微山稀土矿床年代早期发觉山东微山稀土矿床4）80年代中期发觉四川凉山年代中期发觉四川凉山“牦牛坪式牦牛坪式”大型大型稀土矿床稀土矿床第48页中国稀土矿床在地域分布上含有面广而又中国稀土矿床在地域分布上含有面广而又相对集中特点相对集中特点全国稀土资源总量全国稀土资源总量98%分布在内蒙、江西、分布在内蒙、江西、广东、四川、山东等地域，形成北、南、广东、四川、山东等地域，形成北、南、东、西分布格局，并含有北轻南重分布特东、西分布格局，并含有北轻南重分布特点。点。于中国地质结构特殊性和稀土、稀有金属于中国地质结构特殊性和稀土、稀有金属成矿复杂性和多样性，因而形成了各种成成矿复杂性和多样性，因而形成了各种成因类型稀土矿床因类型稀土矿床我国不但稀土资源丰富，而且还含有资源我国不但稀土资源丰富，而且还含有资源质量方面许多优势，不一样稀土矿床含有质量方面许多优势，不一样稀土矿床含有不一样优势不一样优势第49页第50页第51页第52页白云鄂博铁、铌、稀土共生矿白云鄂博铁、铌、稀土共生矿蒙古语称蒙古语称“白云博格都白云博格都”，意为，意为“丰饶圣山丰饶圣山”。位。位于包头市正北约于包头市正北约150公里处。稀土资源储量占全国公里处。稀土资源储量占全国97，为除中国以外世界总储量，为除中国以外世界总储量5倍多。倍多。白云鄂博矿是一座世界罕见多金属共生矿床，分布白云鄂博矿是一座世界罕见多金属共生矿床，分布在东西长公里，南北宽约公里，总面积在东西长公里，南北宽约公里，总面积平方公里范围内。现已探明矿体内蕴藏着各平方公里范围内。现已探明矿体内蕴藏着各种矿物，各种元素。矿物种类主要有铁、铌和种矿物，各种元素。矿物种类主要有铁、铌和稀土矿物。其中铁矿储量亿吨，铌矿储量稀土矿物。其中铁矿储量亿吨，铌矿储量万吨，稀土矿工业储量万吨，占全世万吨，稀土矿工业储量万吨，占全世界，占全国以上，因而被誉为界，占全国以上，因而被誉为“稀土稀土之乡之乡”。另外，还蕴藏着铜、石英石、莹石、磷灰。另外，还蕴藏着铜、石英石、莹石、磷灰石、软锰矿等各种矿物石、软锰矿等各种矿物第53页四川凉山四川凉山“牦牛坪式牦牛坪式”单一氟碳铈矿单一氟碳铈矿矿物粒矿物粒度粗，有害杂质含量低，易选冶，可直接入度粗，有害杂质含量低，易选冶，可直接入炉冶炼中间合金，工艺简单易行，成本低，炉冶炼中间合金，工艺简单易行，成本低，拥有资源质量优势。拥有资源质量优势。山东微山稀土矿山东微山稀土矿，为一经典氟碳铈镧矿床，为一经典氟碳铈镧矿床，稀土元素稀土元素La、Ce、Pr、Nd之和占稀土总量之和占稀土总量98%，稀土矿物粒度粗，有害杂质含量低，稀土矿物粒度粗，有害杂质含量低，稀土精矿易于深加工分离成单一稀土元素，稀土精矿易于深加工分离成单一稀土元素，亦含有显著资源质量优势。亦含有显著资源质量优势。第54页第四节第四节稀土矿提纯和精制稀土矿提纯和精制一、稀土选矿一、稀土选矿选矿是利用组成矿石各种矿物之间物理化选矿是利用组成矿石各种矿物之间物理化学性质差异，采取不一样选矿方法，借助学性质差异，采取不一样选矿方法，借助不一样选矿工艺，不一样选矿设备，把矿不一样选矿工艺，不一样选矿设备，把矿石中有用矿物富集起来，除去有害杂质，石中有用矿物富集起来，除去有害杂质，并使之与脉石矿物分离