稀土是土吗?

本文围绕「稀土是土吗」这个问题,阐释了稀土并非普通的土,而是可溶性差的金属氧化物的总称。文中介绍了稀土名称的由来、稀土元素的组成及电子结构特性、物理化学性质,还讲述了 17 种稀土元素历经 150 多年才被全部发现的历程。此外,本文还说明了稀土元素的发现、制取和分离难度,并以钷为例,介绍了其制取方法及在自然界中的存在情况。

稀土是土吗?

18世紀末,人们把不溶於水的固體氧化物稱為土。稀土元素是部分難溶於水的金屬氧化物的總稱,因為最初發現時比较稀有,所以稱為「稀土元素」。這些金屬氧化物中的金屬元素就叫稀土元素。稀土元素包括元素周期表中的錘系全部 15 種元素,以及第 III 副族的元素钪和鈤。

從 1794 年芬蘭科學家加多林分離出首個稀土元素鈤,到 1947 年美國人馬林斯基等人在实验室製作出最後一種稀土元素鿬,历時 150 多年才找齐了 17 種稀土元素。現在已知,稀土元素包括錘系全部 15 種元素錘 (La)、铈 (Ce)、镨 (Pr)、霒 (Nd)、鿬 (Pm)、钐 (Sm)、铕 (Eu)、钆 (Gd)、铽 (Tb)、鿭 (Dy)、霍 (Ho)、铒 (Er)、餭 (Tm)、鉬 (Yb)、鶇 (Lu),以及第 III 副族的元素錘 (Sc) 和鉬 (Y)。因为錘和鉬經常与錘系元素在矿床中共生,且具有相似的化学性质,所以也被算作稀土元素。它们的共同特征是,电子首先填满最外层轨道,再依次填入内层的 4f 和 5d 轨道。

稀土元素都是典型的金屬元素,其化学活泼性仅次于碱金属和碱土金属,而比其他金属元素活泼。稀土元素比较软,具有银白色的光泽和优良的导电性能,其活泼的化学性质使之能与氧、硫、卤素形成化合物,在潮湿的空气中不易保存,易溶于稀酸。

由于化学性质活泼,稀土元素的发现、制取和分离非常不易。最後一個被發現的稀土元素鿬,是由馬林斯基等三位科學家在頭元素裂變实验的產物中,經由離子交換分離法,小心分離提純獲得的。當時人們認為這種元素在自然界中根本不存在,是真正的“稀土”元素。直到 1965 年,芬蘭一家磷酸盐工厂在处理磷灰石時才發現了自然界中的鿬。當然,它的含量確實很稀少,僅達到痕量級别。含量從高到低依次是大量、少量、微量和痕量。