神奇的“土”家族

神奇的“土”家族——稀土材料

“稀土”一词是18世纪沿用下来的。稀土最早是芬兰化学家加多林在瑞典的一种矿石中发现的。因为当时用于提取这类元素的矿物比较稀少，而且获得的氧化物难以熔化，难溶于水，也很难分离，其外观酷似“土壤”，而称之为稀土。

稀土元素包括化学元素周期表中镧系元素——镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪（Sc）和钇（Y），共17种。稀土元素的性质很活跃，因此自然界中多以复杂氧化物、含水或无水硅酸盐、含水或无水磷酸盐、磷硅酸盐、氟碳酸盐以及氟化物等形式存在。

关于稀土，在我国还曾发生过一个耐人寻味的故事。

陶瓷一直是我国最常出口的一种产品，而一件最平常的中国陶瓷出口交易，却震动了一代极具历史责任感的中国化学专家。

这是什么原因呢？原来：西方某国一直是我国陶瓷产品的一个小消费国，一般每年只从我国进口一定数量的各种陶器瓷器。然而它突然决定大量进口中国的陶瓷马桶，并愿以稍高的价格作为代价。一些有识之士敏锐地察觉到，这件事似乎并不寻常：为什么突然间需要如此大量的陶瓷马桶呢？且这种进口量显然大于该国市场的最大需求量；该国感兴趣的为什么偏偏是一家并不起眼的陶瓷厂的产品，而不是“陶都”、“瓷都”或其他著名厂家的名牌产品呢？而且不惜高价“抢购”等等太多的疑问。

谜底很快揭开了，很简单，但更耐人寻味：这个地方生产陶瓷马桶的原料中含有微量稀土金属，那是我国当时工艺水平难以提取因而“忽略不计”的极低含量；然而，进口国却把这批本应如厕的马桶“请”进了工厂，提取了稀土，转而销售稀土材料成品，包括高价出口给我国。专家们不仅震惊：我国稀土资源占世界稀土资源的80%。作为稀土蕴藏量如此大的国家，我们为何还不得不高价进口本属于我们自己的稀土金属材料？

如今稀土工业已在我国大力发展，并形成了南北两大生产体系：

北方以包钢稀土高科公司和甘肃稀土公司为轴心，构成了以包头稀土资源为主，四川资源为辅的轻稀土产品生产体系。骨干企业有核工业202厂、包头鹿西罗纳稀土有限公司、包头市和发稀土厂、包头市稀土冶炼厂、哈尔滨稀土材料厂、四川稀土材料厂、四川什邡吉大化工厂、安宁河稀土冶炼厂等。主要产品有稀土精矿、稀土硅铁合金、混合稀土化合物、富集物、混合金属等。稀土精矿的生产能力和处理、加工能力达50000吨。

南方以上海跃龙有色金属有限公司为龙头，构成了以江西、广东两省离子型稀土资源为主的中重稀土生产体系。骨干企业有广州珠江冶炼厂、广东阳江稀土厂、江苏新威集团、江苏溧阳方正稀土总厂、江阴加华稀土冶炼厂、江苏江飞稀土冶炼厂、江西龙南稀土公司、江西寻乌稀土公司、江西省稀土公司、江西核工业713矿等。主要产品为各种高纯单一稀土化合物和金属、富集物、混合金属和合金。分离总规模已超过10000吨，并开始大规模加工分离北方轻稀土原料。

而稀土元素因其具有未充满的4f电子层结构，电价高、半径大、极化力强、化学性质活泼及能水解等性质，也已被广泛应用到科学技术的各个方面，尤其是现代一些新型功能性材料的研制和应用。

维生素在人类体内的含量很少，而它却是维持人类生命必不可少的营养成分。而稀土元素也有“工农业的维生素”的美称。稀土作为植物的生长、生理调节剂，对农作物具有增产、改善品质和抗逆性三大特征；同时稀土属低毒物质，对人畜无害，对环境无污染；合理使用稀土，可使农作物增强抗旱、抗涝和抗倒伏能力。例如，施加了添加有稀土的肥料后，小麦可以平均增产7%以上；西瓜吸收了稀土的营养后，不仅又大又圆，而且甘甜可口；还有，牛食用了添加有稀土成分的饲料，可以多长出9．4%的鲜牛肉……目前，稀土肥料、稀土饲料已在农业生产中得到了广泛的推广应用，给人类带来了更多的收益。

在荧光灯的关键物质——荧光粉中加入少量稀土元素，可以起到节能的作用，并且光效、光色好，寿命长。稀土还可以作为显示器的发光材料——稀土元素中的钇和铕是红色荧光粉的主要原料，广泛应用于彩色电视机、计算机及各种显示器。目前，我国年产彩电红粉300～400吨，计算机显示器红粉50～100吨，以满足国产3500万支彩显管和近百万支显示器的需求。

为了治理因汽车尾气引起的城市空气污染问题，需要将汽车尾气中的CH、CO氧化，对NOX进行还原处理。稀土元素正是汽车尾气净化剂的主要原料。

稀土同样为陶瓷工业注入了更多的色彩。选用稀土原料烧制的瓷器，色泽艳丽、柔润、均匀，是一般着色剂难以做到的。且独特的变色效果，更是精彩绝伦。随着照射光强度的不同，变化各种颜色，异彩纷呈、瑰丽多姿。

除此之外，稀土材料还有多方面的重要用途。稀土光学玻璃使照相机的镜头更透明、均匀，从而得到的照片也就更清晰、生动和逼真了；稀土是钢铁工业中必需的添加剂；材料工业中，磁光材料、储氢材料、磁制冷材料要以稀土为“主角”，激光材料、超导材料、光导纤维、燃料电池等也同样离不开稀土。可见稀土元素对人类的重要性。但稀土的发现路途并不平坦。

1794年加多林发现的“钇”土，只是为人类人生稀土元素揭开了一个序幕。

大家都知道一般的金属矿石，经过冶炼之后，往往都可以得到纯净的金属。然而稀土元素却由于性质相近，往往共同存在于同一种矿石中。其数目之众，令人咋舌，更令化学家们伤透了脑筋。在加多林发现“钇”土40多年后，也就是1842年，瑞典化学家莫桑德尔分析出，加多林发现的“钇”土中还有“铒”土和“铽”土两种稀土。转眼又过了35年，1878年瑞士化学家马利纳克竟又从“钇”土中找到它的又一个兄弟：镱土。然而两年后，瑞典化学家尼尔逊经过详细分析，发现土“镱”土竟是“镱”和“钪”的合体。又经过了千百次的重结晶，分离，以及离子交换、光谱法等分离手段，化学家们又从中分离出了“钬”和“铥”。

然而，化学家们并没有停止努力。法国化学家布瓦博法朗对氧化钬经过上千次重结晶，除去了杂质，得到一种新的稀土元素镝，它的法语意义即为“难以取得”。1905年，又是法国化学家乌尔宾又从氧化镱中分离得到“镥”。至此，人类共经过了110年的辛勤劳动，从原以为是“单胞胎”的钇土中竟分离得到了钇、铽、铒、镱、钬、铥、镝、镥、钪9种元素。

稀土家族的其他8个兄弟的降生，也有着同样艰辛的过程。1803年，法国化学家克拉普罗特（Klaproth）等发现了铈土。36年后，莫桑德尔于1839年竟又从铈的硝酸盐加热分解过程中分离得到新的一个成员：镧，希腊文是“隐藏”的意思。1878年，化学家德拉方坦从铌钇矿中提取出新的元素化合物，他认为其中含有一种意为“使人迷惑”的元素，第二年，布瓦博法朗揭开秘密，从铌钇矿中分离出新的稀土氧化物，他命名为“钐”；然而“钐”的稀土成员身份却被更多的化学家们因认为这是不纯净的元素而拒绝认可，直到它的兄弟铕从中诞生后两个兄弟才一块儿被世人接受。以后人们又分得了钕、钆、镨等元素，其中镨、钕性质如此相似，直到1885年才由化学家威尔斯巴赫（Welsbach）给它们鉴定了身份：镨，“绿色双生子之意”；钕，“新的双生子”之意。终于，稀“土”家族的17个元素全部诞生了。人类用了200年时间来发现稀土元素，这其间就渗透着几代科学家的艰苦卓绝的努力。然而这并没有结束，稀土元素要被人们应用，仍然需要化学家的智慧和努力。

从稀土元素的发现过程中，我们不难发现，它们在为人类所鉴别时，最大的困难就是如何把它们分离开来。现在到了稀土材料的应用阶段，尤其是特种稀土材料的应用，为了充分发挥每个稀土元素的特色性能，稀土矿的分离提纯仍然是一个重大难题。

稀土元素的分离方法，历史上曾有过分级结晶法，即把粗制产品再溶解、浓缩、结晶、溶解、浓缩……一次次重复操作，直到达到一定的纯度。这种方法工作量大，且不连续，产品在操作过程中损失也较多。后来又有过离子交换法。更值得重点关注的是溶剂萃取法，因为它不仅已代替了前两个方法成为当今主流，分离纯度达到了99．99%以上，分离效率高，可以连续操作而适于工业化生产的需要；更重要的是，我国北京大学化学与分子工程学院徐光宪院士等专家在几十年的辛勤耕耘中创立了串级萃取理论，不仅使我国稀土元素实现了工业化生产，取得了极佳的经济效益和社会效益，还成为国际上领先潮流的稀土金属分离方法，值得我们为之骄傲！

萃取体系是由水相和与水不相溶的有机相组成，有待于分离纯化的稀土金属一般以可溶盐的形式存在，按一定的比例分别处在水相与有机相中。为了达到分离某一（几）种目标元素的目的，往往采用特定结构的萃取剂，它既几乎完全分布于有机相中，又对目标元素离子有很强的亲和力，从而把大量原本属于水相的目标元素离子“拉拢”进有机相，再通过分离水相与有机相，目标元素离子便大量地“富集”到有机相中，而水相中目标元素溶度大大降低了，为了达到必要的纯度，把几个萃取体系串联起来。有机相中的目标元素离子便一次比一次纯净，从而得到了预期的分离目的。液态的水相有机相可在生产器具中流动，从而工厂里便可以连续操作了。从中也可看出，新颖高效的萃取剂的选取，是提高萃取分离效果的关键。

当然，稀土的分离工艺实际上是极为复杂的，每一个环节都蕴含着深刻的道理，而现在世界上对这些基础理论的研究并不是那么深入和完善。我国和国外的提纯工艺上尚存在一定差距，因此还有待于化学家的进一步深入研究。相信在人们的执著追求中，将来稀土必将更好的被人类所利用。