重稀土

根據稀土元素間物理化學性質和地球化學性質的某些差異和分離工藝的要求，學者們往往把稀土類元素分為輕、重兩組或者輕、中、重三組。兩組的分法以釓為界，釓以前的鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪7個元素為輕稀土元素，亦稱鈰組稀土元素；釓及釓以後的鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥和釔等9個元素稱為重稀土元素，亦稱釔組稀土元素。儘管釔的原子量僅為89，但由於其離子半徑在其它重稀土元素的離子半徑鏈環之中，其化學性質更接近重稀土元素。在自然界也與其它重稀土元素共生。故它被歸為重稀土組。輕中重三組稀土的分類法沒有一定之規，如按稀土硫酸復鹽溶解度大小可分為：難溶性鈰組即輕稀土組，包括鑭、鈰、鐠、釹、釤；微溶性鋱組即中稀土組，包括銪、釓、鋱、鏑；較易溶性的釔組即重稀土組，包括釔、鈥、鉺、銩、鐿、鑥。然而各組之間相鄰元素間的溶解度差別很小，用這種方法是分不凈的。多用萃取法分組，例如用二（2）乙基已基（磷酸）即P204可在釹/釤間分組，然後再在釓/鋱間分組等。這們，鑭、鈰、鐠、釹稱為輕稀土，釤、銪、釓稱為中稀土，鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥再加上釔稱為重稀土。

英文名：heavyrare-earth elements

原子序數從64～71，加上39號元素，釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)、釔(Y)稱為重稀土元素，又稱釔組(yttriumgroup)。

稀土在地殼中的含量並不稀少，這組元素的克拉克值達0.0236%,其中鈰組元素為0.01592%,釔組元素為0.0077%；比常見元素銅（0.01%）,鋅(0.005%),錫(0.004%),鉛(0.0016%),鎳(0.008%),鈷(0.003%)等都多。

下面我們就具體談談各種稀土元素的實際應用，以便更好的區別輕稀土和重稀土：

鑭的應用非常廣泛，如應用於壓電材料、電熱材料、熱電材料、磁阻材料、發光材料（蘭粉）、貯氫材料、光學玻璃、激光材料、各種合金材料等。她也應用到製備許多有機化工產品的催化劑中，光轉換農用薄膜也用到鑭，在國外，科學家把鑭對作物的作用賦與"超級鈣"的美稱。

1、鈰作為玻璃添加劑，能吸收紫外線與紅外線，現已被大量應用於汽車玻璃。不僅能防紫外線，還可降低車內溫度，從而節約空調用電。從1997年起，日本汽車玻璃全加入氧化鈰，1996年用於汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸，美國約1000多噸。

2、正將鈰應用到汽車尾氣凈化催化劑中，可有效防止大量汽車廢氣排到空氣中美國在這方面的消費量占稀土總消費量的三分之一以上。

3、硫化鈰可以取代鉛、鎘等對環境和人類有害的金屬應用到顏料中，可對塑料著色，也可用於塗料、油墨和紙張等行業。領先的是法國羅納普朗克公司。

4、Ce：LiSAF激光系統是美國研製出來的固體激光器，通過監測色氨酸濃度可用於探查生物武器，還可用於醫學。鈰應用領域非常廣泛，幾乎所有的稀土應用領域中都含有鈰。如拋光粉、儲氫材料、熱電材料、鈰鎢電極、陶瓷電容器、壓電陶瓷、鈰碳化硅磨料、燃料電池原料、汽油催化劑、某些永磁材料、各種合金鋼及有色金屬等。

1、鐠被廣泛應用於建築陶瓷和日用陶瓷中，其與陶瓷釉混合製成色釉，也可單獨作釉下顏料，製成的顏料呈淡黃色，色調純正、淡雅。

2、用於製造永磁體。選用廉價的鐠釹金屬代替純釹金屬製造永磁材料，其抗氧性能和機械性能明顯提高，可加工成各種形狀的磁體。廣泛應用於各類電子器件和馬達上。

3、用於石油催化裂化。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中製備石油裂化催化劑，可提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。我國70年代開始投入工業使用，用量不斷增大。

4、鐠還可用於磨料拋光。另外，鐠在光纖領域的用途也越來越廣。

釹元素的到來活躍了稀土領域，在稀土領域中扮演著重要角色，並且左右著稀土市場。金屬釹的最大用戶是釹鐵硼永磁材料。釹鐵硼永磁體的問世，為稀土高科技領域注入了新的生機與活力。釹鐵硼磁體磁能積高，被稱作當代"永磁之王"，以其優異的性能廣泛用於電子、機械等行業。阿爾法磁譜儀的研製成功，標誌著我國釹鐵硼磁體的各項磁性能已跨入世界水平。釹還應用於有色金屬材料。在鎂或鋁合金中添加1.5～2.5%釹，可提高合金的高性能、氣密性和耐腐蝕性，廣泛用作航空航天材料。另外，摻釹的釔鋁石榴石產生短波激光束，在工業上廣泛用於厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在醫療上，摻釹釔鋁石榴石激光器代替手術刀用於摘除手術或消毒創傷口。釹也用於玻璃和陶瓷材料的著色以及橡膠製品的添加劑。隨著科學技術的發展，稀土科技領域的拓展和延伸，釹元素將會有更廣闊的利用空間。

鉕為核反應堆生產的人造放射性元素，主要用途如下：

1、可作熱源。為真空探測和人造衛星提供輔助能量。

2、Pm147放出能量低的β射線，用於製造鉕電池。作為導彈制導儀器及鐘錶的電源。此種電池體積小，能連續使用數年之久。此外，鉕還用於攜帶型X-射線儀、製備熒光粉、度量厚度以及航標燈中。

釤鈷磁體是最早得到工業應用的稀土磁體。這種永磁體有SmCo5系和Sm2Co17系兩類。70年代前期發明了SmCo5系，後期發明了Sm2Co17系。以後者的需求為主。釤鈷磁體所用的氧化釤的純度不需太高，從成本方面考慮，主要使用95%左右的產品。此外，氧化釤還用於陶瓷電容器和催化劑方面。另外，釤還具有核性質，可用作原子能反應堆的結構材料，屏敝材料和控制材料，使核裂變產生巨大的能量得以安全利用。

氧化銪大部分用於熒光粉。Eu用於紅色熒光粉的激活劑，Eu用於藍色熒光粉。Y2O2S：Eu是發光效率、塗敷穩定性、回收成本等最好的熒光粉。再加上對提高發光效率和對比度等技術的改進，故正在被廣泛應用。氧化銪還用於新型X射線醫療診斷系統的受激發射熒光粉。氧化銪還可用於製造有色鏡片和光學濾光片，用於磁泡貯存器件，在原子反應堆的控制材料、屏敝材料和結構材料中也能一展身手。

1、其水溶性順磁絡合物在醫療上可提高人體的核磁共振（NMR）成像信號。

2、其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射線熒光屏的基質柵網。

3、在釓鎵石榴石中的釓對於磁泡記憶存儲器是理想的單基片。

4、無Camot循環限制時，可用作固態磁致冷介質。

5、用作控制核電站的連鎖反應級別的抑製劑，以保證核反應的安全。

6、用作釤鈷磁體的添加劑，以保證性能不隨度而變化。另外，氧化釓與鑭一起使用，有助於玻璃化區域的變化和提高玻璃的熱穩定性。氧化釓還可用於製造電容器、x射線增感屏。在世界上正在努力開發釓及其合金在磁致冷方面的應用，現已取得突破性進展，室下採用超導磁體、金屬釓或其合金為致冷介質的磁冰箱已經問世。

1、熒光粉用於三基色熒光粉中的綠粉的激活劑，如鋱激活的磷酸鹽基質、鋱激活的硅酸鹽基質、鋱激活的鈰鎂鋁酸鹽基質，在激髮狀態下均發出綠色光。

2、磁光貯存材料，鋱系磁光材料已達到大量生產的規模，用Tb-Fe非晶態薄膜研製的磁光光碟，作計算機存儲元件，存儲能力提高10～15倍。

3、磁光玻璃，含鋱的法拉第旋光玻璃是製造在激光技術中廣泛應用的旋轉器、隔離器和環形器的關鍵材料。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金（TerFenol）的開發研製，更是開闢了鋱的新用途，當Terfenol置於一個磁場中時，其尺寸的變化比一般磁性材料變化大這種變化可以使一些精密機械運動得以實現。鋱鏑鐵開始主要用於聲納，已廣泛應用於多種領域，從燃料噴射系統、液體閥門控制、微定位到機械致動器、機構和飛機太空望遠鏡的調節機翼調節器等領域。

1、作為釹鐵硼系永磁體的添加劑使用，在這種磁體中添加2~3%左右的鏑，可提高其矯頑力，過去鏑的需求量不大，但隨著釹鐵硼磁體需求的增加，它成為必要的添加元素，品位必須在95～99.9%左右，需求也在迅速增加。

2、鏑用作熒光粉激活劑，三價鏑是一種有前途的單發光中心三基色發光材料的激活離子，它主要由兩個發射帶組成，一為黃光發射，另一為藍光發射，摻鏑的發光材料可作為三基色熒光粉。

3、鏑是製備大磁致伸縮合金鋱鏑鐵（Terfenol）合金的必要的金屬原料，能使一些機械運動的精密活動得以實現。

4、鏑金屬可用做磁光存貯材料，具有較高的記錄速度和讀數敏感度。

5、用於鏑燈的製備，在鏑燈中採用的工作物質是碘化鏑，這種燈具有亮度大、顏色好、色高、體積小、電弧穩定等優點，已用於電影、印刷等照明光源。

6、由於鏑元素具有中子俘獲截面積大的特性，在原子能工業中用來測定中子能譜或做中子吸收劑。

7、Dy3Al5O12還可用作磁致冷用磁性工作物質。隨著科學技術的發展，鏑的應用領域將會不斷的拓展和延伸。

1、用作金屬鹵素燈添加劑，金屬鹵素燈是一種氣體放電燈，它是在高壓汞燈基礎上發展起來的，其特點是在燈泡里充有各種不同的稀土鹵化物。主要使用的是稀土碘化物，在氣體放電時發出不同的譜線光色。在鈥燈中採用的工作物質是碘化鈥，在電弧區可以獲得較高的金屬原子濃度，從而大大提高了輻射效能。

2、鈥可以用作釔鐵或釔鋁石榴石的添加劑。

3、摻鈥的釔鋁石榴石（Ho：YAG）可發射2μm激光，人體組織對2μm激光吸收率高，幾乎比Hd：YAG高3個數量級。所以用Ho：YAG激光器進行醫療手術時，不但可以提高手術效率和精度，而且可使熱損傷區域減至更小。鈥晶體產生的自由光束可消除脂肪而不會產生過大的熱量，從而減少對健康組織產生的熱損傷，據報道美國用鈥激光治療青光眼，可以減少患者手術的痛苦。我國2μm激光晶體的水平已達到國際水平，應大力開發生產這種激光晶體。

4、在磁致伸縮合金Terfenol-D中，也可以加入少量的鈥，從而降低合金飽和磁化所需的外場。

5、另外用摻鈥的光纖可以製作光纖激光器、光纖放大器、光纖感測器等等光通訊器件在光纖通信將發揮更重要的作用。

1、Er在1550nm處的光發射具有特殊意義，因為該波長正好位於光纖通訊的光學纖維的最低損失，鉺離子（Er）受到波長980nm、1480nm的光激發后，從基態4I15/2躍遷至高能態4I13/2，當處於高能態的Er再躍遷回至基態時發射出1550nm波長的光，石英光纖可傳送各種不同波長的光，但不同的光光衰率不同，1550nm頻帶的光在石英光纖中傳輸時光衰減率最低（0.15分貝/公里），幾乎為下限極限衰減率。因此，光纖通信在1550nm處作信號光時，光損失最小。這樣，如果把適當濃度的鉺摻入合適的基質中，可依據激光原理作用，放大器能夠補償通訊系統中的損耗，因此在需要放大波長1550nm光信號的電訊網路中，摻鉺光纖放大器是必不可少的光學器件，摻鉺的二氧化硅纖維放大器已實現商業化。據報道，為避免無用的吸收，光纖中鉺的摻雜量幾十至幾百ppm。光纖通信的迅猛發展，將開闢鉺的應用新領域。

2、另外摻鉺的激光晶體及其輸出的1730nm激光和1550nm激光對人的眼睛安全，大氣傳輸性能較好，對戰場的硝煙穿透能力較強，保密性好，不易被敵人探測，照射軍事目標的對比度較大，已製成軍事上用的對人眼安全的攜帶型激光測距儀。

3、Er加入到玻璃中可製成稀土玻璃激光材料，是輸出脈衝能量最大，輸出功率最高的固體激光材料。 4、Er還可做稀土上轉換激光材料的激活離子。

5、另外鉺也可應用於眼鏡片玻璃、結晶玻璃的脫色和著色等。

1、銩用作醫用輕便X光機射線源，銩在核反應堆內輻照后產生一種能發射X射線的同位素，可用來製造攜帶型血液輻照儀上，這種輻射儀能使銩-169受到高中子束的作用轉變為銩-170，放射出X射線照射血液並使白血細胞下降，而正是這些白細胞引起器移植排異反應的，從而減少器的早期排異反應。

2、銩元素還可以應用於臨床診斷和治療腫瘤，因為它對腫瘤組織具有較高親合性，重稀土比輕稀土親合性更大，尤其以銩元素的親合力最大。

3、銩在X射線增感屏用熒光粉中做激活劑LaOBr:Br（藍色），達到增強光學靈敏度，因而降低了X射線對人的照射和危害，與以前鎢酸鈣增感屏相比可降低X射線劑量50%，這在醫學應用具有重要現實的意義。

4、銩還可在新型照明光源金屬鹵素燈做添加劑。

5、Tm加入到玻璃中可製成稀土玻璃激光材料，這是輸出脈衝量最大，輸出功率最高的固體激光材料。Tm也可做稀土上轉換激光材料的激活離子。

1、作熱屏蔽塗層材料。鐿能明顯地改善電沉積鋅層的耐蝕性，而且含鐿鍍層比不含鐿鍍層晶粒細小，均勻緻密。

2、作磁致伸縮材料。這種材料具有超磁致伸縮性即在磁場中膨脹的特性。該合金主要由鐿/鐵氧體合金及鏑/鐵氧體合金構成，並加入一定比例的錳，以便產生超磁致伸縮性。

3、用於測定壓力的鐿元件，試驗證明，鐿元件在標定的壓力範圍內靈敏度高，同時為鐿在壓力測定應用方面開闢了一個新途徑。

4、磨牙空洞的樹脂基填料，以替換過去普遍使用銀汞合金。

5、日本學者成功地完成了摻鐿釓鎵石榴石埋置線路波導激光器的製備工作，這一工作的完成對激光技術的進一步發展很有意義。另外，鐿還用於熒光粉激活劑、無線電陶瓷、電子計算機記憶元件（磁泡）添加劑、和玻璃纖維助熔劑以及光學玻璃添加劑等。

1、製造某些特殊合金。例如鑥鋁合金可用於中子活化分析。

2、穩定的鑥核素在石油裂化、烷基化、氫化和聚合反應中起催化作用。

3、釔鐵或釔鋁石榴石的添加元素，改善某些性能。

4、磁泡貯存器的原料。

5、一種複合功能晶體摻鑥四硼酸鋁釔釹，屬於鹽溶液冷卻生長晶體的技術領域，實驗證明，摻鑥NYAB晶體在光學均勻性和激光性能方面均優於NYAB晶體。

6、經國外有關部門研究發現，鑥在電致變色顯示和低維分子半導體中具有潛在的用途。此外，鑥還用於能源電池技術以及熒光粉的激活劑等。

1、鋼鐵及有色合金的添加劑。FeCr合金通常含0.5-4%釔，釔能夠增強這些不鏽鋼的抗氧化性和延展性；MB26合金中添加適量的富釔混合稀土后，合金的綜合性能得到明顯的改善，可以替代部分中強鋁合金用於飛機的受力構件上；在Al-Zr合金中加入少量富釔稀土，可提高合金導電率；該合金已為國內大多數電線廠採用；在銅合金中加入釔，提高了導電性和機械強度。

2、含釔6%和鋁2%的氮化硅陶瓷材料，可用來研製發動機部件。

3、用功率400瓦的釹釔鋁石榴石激光束來對大型構件進行鑽孔、切削和焊接等機械加工。

4、由Y-Al石榴石單晶片構成的電子顯微鏡熒光屏，熒光亮度高，對散射光的吸收低，抗高和抗機械磨損性能好。

5、含釔達90%的高釔結構合金，可以應用於航空和其它要求低密度和高熔點的場合。

6、倍受人們關注的摻釔SrZrO3高質子傳導材料，對燃料電池、電解池和要求氫溶解度高的氣敏元件的生產具有重要的意義。此外，釔還用於耐高噴塗材料、原子能反應堆燃料的稀釋劑、永磁材料添加劑以及電子工業中作吸氣劑等。

1、在冶金工業中，鈧常用於製造合金（合金的添加劑），以改善合金的強度、硬度和耐熱和性能。如，在鐵水中加入少量的鈧，可顯著改善鑄鐵的性能，少量的鈧加入鋁中，可改善其強度和耐熱性。

2、在電子工業中，鈧可用作各種半導體器件，如鈧的亞硫酸鹽在半導體中的應用已引起了國內外的注意，含鈧的鐵氧體在計算機磁芯中也頗有前途。

3、在化學工業上，用鈧化合物作酒精脫氫及脫水劑，生產乙烯和用廢鹽酸生產氯時的高效催化劑。

4、在玻璃工業中，可以製造含鈧的特種玻璃。

5、在電光源工業中，含鈧和鈉製成的鈧鈉燈，具有效率高和光色正的優點。

6、自然界中鈧均以45Sc形式存在，另外，鈧還有9种放射性同位素，即40～44Sc和46～49Sc。其中，46Sc作為示蹤劑，已在化工、冶金及海洋學等方面使用。

7、在醫學上，國外還有人研究用46Sc來醫治癌症。

信息、生物、新材料、新能源、空間和海洋被當代科學家推為六大新科技群，人們之所以重視稀土、研究稀土、開發稀土、就是為稀土元素在這六大科技群中都有其施展本領的天地。然而稀土元素畢竟還是一組尚不被人們完全認識的元素，這就需要下大力氣去研究、認識它們，從而去撐握它們，使它們對人類有更大的貢獻，稀土元素必將在高科技的發展中煥發出勃勃生機。

稀土被人們稱為新材料的“寶庫”，是各國科學家，尤其是材料專家最關注的一組元素，被美國、日本等國家有關部門列為發展高技術產業的關鍵元素。有人認為，隨著稀土元素的開發，將會引發一場新的技術革命。

稀土元素最初是從瑞典產的比較稀少的礦物中發現的，“土”是按當時的習慣，稱不溶於水的物質，故稱稀土。稀土的英文是RareEarth,意即“稀少的土”。人類第一次從天然礦物中發現稀土是1794年。稀土元素之間的性質相近，在自然界中往往共生在一起，1794年首次發現的是混合稀土。由於當時科學技術水平的限制，人們只能製得一些不純凈的、像土一樣的氧化物，故人們便給這組元素留下了這麼一個別緻有趣的名字。隨著科技的進步，以後才逐漸將它們彼此分離出來。從發現稀土到將17個稀土元素找齊（最後一個稀土元素是1947年發現的），共經歷了150多年。

根據國際純粹與應用化學聯合會對稀土元素的定義，稀土類元素是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數從57至71的15個鑭系元素，即鑭（57）、鈰（58）、鐠（59）、釹（60）、鉕（61）、釤（62）、銪（63）、釓（64）、鋱（65）、鏑（66）、鈥（67）、鉺（68）、銩（69）、鐿（70）、鑥（71），再加上與其電子結構和化學性質相近的鈧（21）和釔（39），共計17個元素。除鈧與鉕外，其餘15個元素往往共生。

稀土元素在元素周期表中的位置十分特殊,17個元素同處在第ⅢB族，鈧、釔、鑭、分別為第四、五、六、長周期中過渡元素系列的第一個元素。鑭與其後的14個元素性質十分相似，化學家們只能把它們放入一個格子內，難怪有人把它們當成“同位素”對待，然而由於其原子序數不同，還不能算作真正的同位素。就是說，它們性質十分相似，又不完全一樣，這就造成了這組元素分離的困難，但也表明只要利用其微小的差別，分離又是可能的。

稀土元素是典型的金屬元素。它們的金屬活潑性僅次於鹼金屬和鹼土金屬元素，而比其他金屬元素活潑。在17個稀土元素當中，按金屬的活潑次序排列，由鈧，釔、鑭遞增，由鑭到鑥遞減，即鑭元素最活潑。稀土元素能形成化學穩定的氧化物、鹵化物、硫化物。稀土元素可以和氮、氫、碳、磷發生反應，易溶於鹽酸、硫酸和硝酸中。

稀土易和氧、硫、鉛等元素化合生成熔點高的化合物，因此在鋼水中加入稀土，可以起到凈化鋼的效果。由於稀土元素的金屬原子半徑比鐵的原子半徑大，很容易填補在其晶粒及缺陷中，並生成能阻礙晶粒繼續生長的膜，從而使晶粒細化而提高鋼的性能。

稀土元素具有未充滿的4f電子層結構，並由此而產生多種多樣的電子能級。因此，稀土可以作為優良的熒光，激光和電光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。稀土離子與羥基、偶氮基或磺酸基等形成結合物，使稀土廣泛用於印染行業。而某些稀土元素具有中子俘獲截面積大的特性，如釤、銪、釓、鏑和鉺，可用作原子能反應堆的控制材料和減速劑。而鈰、釔的中子俘獲截面積小，則可作為反應堆燃料的稀釋劑。

稀土具有類似微量元素的性質，可以促進農作物的種子萌發，促進根系生長，促進植物的光合作用。