鐠在化學(xué)元素周期表中位居鑭系元素的第三位,在地殼中的豐度為9.5ppm,僅低于鈰、釔、鑭、鈧,是稀土中第五大富存元素.但正如他的名字一樣,鐠是個(gè)樸素?zé)o華,個(gè)性似乎不太突出的稀土家族成員。
在稀土元素的發(fā)現(xiàn)史上,鐠和釹是同時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。1841年,那位曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鑭的瑞典化學(xué)家莫桑德爾(C.G. Mosander)從“鑭土”中發(fā)現(xiàn)了新“元素”,性質(zhì)與鑭非常相似,將其定名“迪迪姆”(Didymium,希臘語為“雙胞胎”的意思),但它不是單一元素,而是鐠釹化合物。又過了40多年,那位曾經(jīng)發(fā)明了釷鈰汽燈紗罩的奧地利人韋爾斯巴赫(C.F.Auer Von Welsbach),也正是在發(fā)明汽燈紗罩的1885年,成功地將“鐠釹”這對(duì)“連體雙胞胎”實(shí)施了分離手術(shù),從中分離出綠色的鐠鹽和玫瑰色的釹鹽,確定它們是兩種新元素。一個(gè)取名為“鐠” (Praseodymium),來自希臘字prason,意思是綠色化合物,因?yàn)殓掻}水溶液會(huì)呈現(xiàn)出鮮艷的蔥綠色;另一個(gè)元素則取名為“釹” (Neodymium)。這對(duì)“連體雙胞胎”的成功分離,使他們從此可以各自施展才華。
鐠作為用量較大的稀土元素,很大一部分是以混合稀土的形式被利用,比如用作金屬材料的凈化變質(zhì)劑、化工催化劑、農(nóng)用稀土等等。鐠釹是稀土中性質(zhì)最為相似又最難分離的一對(duì)元素,用化學(xué)法很難將其分離,工業(yè)生產(chǎn)通常采用萃取法和離子交換法。如果把他們成雙入對(duì)地以鐠釹富集物形式使用,可以充分發(fā)揮其共性作用,價(jià)格也比單一元素產(chǎn)品便宜。鐠釹合金(鐠釹金屬)已成為獨(dú)立產(chǎn)品,既可用于永磁材料,也可作為有色金屬合金改性添加劑。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中制備石油裂化催化劑,可提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。作為塑料改性添加劑,在聚四氟乙烯(PTFE)中加入鐠釹富集物,可明顯提高PTFE的耐磨性能。
稀土永磁材料是當(dāng)今最熱門的稀土應(yīng)用領(lǐng)域。鐠單獨(dú)用作永磁材料性能并不突出,但他卻是一個(gè)能改善磁性能的優(yōu)秀協(xié)同元素。無論是第一代稀土永磁材料釤鈷永磁合金(SmCo5),還是第三代稀土永磁材料釹鐵硼(Nd2Fe17B),加入適量的鐠都能有效地提高和改善永磁材料性能。如在SmCo5中加入部分Pr取代Sm可以提高永磁材料的磁能積,兩者的比例一般為80%Sm—20%Pr,若鐠加入過多反而會(huì)降低材料的矯頑力和穩(wěn)定性。在第三代稀土永磁材料釹鐵硼中,添加鐠可以提高材料的矯頑力,德國(guó)、日本等國(guó)在生產(chǎn)高矯頑力釹鐵硼磁體時(shí),均加入部分鐠。鐠的加入量為5%~8%,最高達(dá)10%,可取代1/3的釹。磁性材料對(duì)鐠質(zhì)量要求較高,至少應(yīng)達(dá)到釹的同等質(zhì)量。加入鐠還能提高磁體抗氧化性能(耐空氣腐蝕)和機(jī)械性能,已被廣泛應(yīng)用于各類電子器件和馬達(dá)上。另外,在釤鐵氮新型稀土粘結(jié)永磁材料(Sm)2Fe17N9中加Pr也能改善性能,這將進(jìn)一步擴(kuò)大鐠的應(yīng)用。因此,隨著鐠在永磁材料的應(yīng)用發(fā)展,鐠的用量和價(jià)格不斷攀升,已成為稀土產(chǎn)品中的“新寵”。
鐠還可用于研磨和拋光材料。眾所周知,純鈰基拋光粉通常為淡黃色,是光學(xué)玻璃的優(yōu)質(zhì)拋光材料,已取代拋光效率低又污染生產(chǎn)環(huán)境的氧化鐵紅粉。但人們發(fā)現(xiàn),氧化釹對(duì)拋光作用不大,但鐠卻有良好的拋光性能。含鐠的稀土拋光粉會(huì)呈紅褐色,也被稱作“紅粉”,但這種紅不是氧化鐵紅,而是由于含有氧化鐠使稀土拋光粉顏色變深。鐠還被用新型磨削材料,制成含鐠剛玉砂輪。與白剛玉相比,在磨削碳素結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高溫合金時(shí),效率和耐用性可提高30%以上。為了降低成本,過去多用鐠釹富集物為原料,故稱鐠釹剛玉砂輪。
鐠在光纖領(lǐng)域的用途也越來越廣,已開發(fā)出在1300~1360nm譜區(qū)起放大作用的摻鐠光纖放大器(PDFA),技術(shù)日趨成熟。PDFA以其優(yōu)異的性能價(jià)格比,對(duì)我國(guó)當(dāng)前大量鋪設(shè)的1550nm的CATV系統(tǒng)光纖有線電視的興建改造與系統(tǒng)升級(jí)有著重大的實(shí)際意義。PDFA將從根本上改變現(xiàn)有的1550nmCATV的網(wǎng)絡(luò)格局,使1310nmCATV系統(tǒng)在HFC系統(tǒng)改造中成為替代1550nm系統(tǒng)的理想選擇。
鐠鹽(草酸或碳酸鹽)經(jīng)高溫灼燒,可形成棕黑色的氧化物Pr6O11,其構(gòu)成就如同4個(gè)PrO2和1個(gè)Pr2O3的組合,表明鐠有很強(qiáng)的呈正4價(jià)傾向。將氧化鐠加入硅酸鋯中會(huì)呈亮黃色,可用作陶瓷顏料——鐠黃。鐠黃(Zr02—Pr6Oll—Si02)被認(rèn)為是最好的黃色陶瓷色料,在高達(dá)1000℃仍保持穩(wěn)定,可用于一次性或重?zé)に?。鐠進(jìn)入硅酸鋯晶格,占材料成份約5%。鐠黃被廣泛應(yīng)用于建筑陶瓷和日用陶瓷著色,可單獨(dú)作釉下顏料,也可與陶瓷釉混合制成色釉,其著色鮮艷亮麗,色澤純正,隨含鐠量的多少,可深至琥珀黃,淺至乳白黃,用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的釩錫黃和釩鋯黃,可克服原先的褐色調(diào),用來制作衛(wèi)生和建筑陶瓷,色調(diào)高潔淡雅。用其可制作獨(dú)特的仿象牙工藝美術(shù)和日用陶瓷,色彩亮麗精美,深受陶瓷業(yè)的青睞。我國(guó)、意大利和西班牙,作為建筑瓷磚的主要生產(chǎn)國(guó),都擁有很大的鐠黃消費(fèi)市場(chǎng)。通過氧化鐠與其他元素配伍,還能調(diào)配出鋯鐠釩綠、鋯鐠釩橙等陶瓷色料。調(diào)整氧化鐠與五氧化二釩的比例,還可制作出黃色與天藍(lán)之間色調(diào)的陶瓷色料。在鐠黃中加入CeO2,能形成略帶紅色的嬌黃色。全球用作鐠黃為主的陶瓷著色劑消費(fèi)的氧化鐠估計(jì)上千噸。
鐠還被用作玻璃著色劑,色彩豐富,也有很大的潛在市場(chǎng)??芍频镁哂絮r亮韭綠和蔥綠色彩的“鐠綠”玻璃制品,既可制作綠色濾光片,又可用于工藝美術(shù)玻璃。在世界聞名的意大利威尼斯和捷克的水晶玻璃中都會(huì)看到鐠的亮綠色彩。在玻璃中加入氧化鐠和氧化鈰,可用作電焊用的護(hù)目鏡玻璃。硫化鐠還有望成為實(shí)用的綠色塑料著色劑。
鐠 |
元素符號(hào)Pr |
英文名稱Praseodymium |
原子序數(shù)59 |
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相對(duì)原子質(zhì)量(12C = 12.0000)140.90765 |
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發(fā)現(xiàn)年代 |
1885年 |
發(fā)現(xiàn)人 |
Baron Auer von Welsbach (奧地利,維也納) |
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原 子 結(jié) 構(gòu) |
原子半徑(?): 2.67 |
離子半徑(?): 1.013 |
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共價(jià)半徑(?): 1.65 |
氧化態(tài): 3,4 |
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原子體積cm3/mol: 20.8 |
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電子構(gòu)型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f3 5s2p6 6s2 |
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物理性質(zhì) |
狀態(tài):軟的銀白色金屬 |
熔點(diǎn)(℃):931 |
沸 點(diǎn)(℃): 3512 |
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比 熱(J/gK):0.19 |
密度 (g/cc,300K):6.77 |
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熔化熱(KJ/mol):6.89 |
蒸發(fā)熱 (KJ/mol):296.8 |
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導(dǎo)電率(106/cm Ω): 0.0148 |
導(dǎo)熱系數(shù) (W/cm K ): 0.125 |
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地質(zhì) 數(shù)據(jù) |
豐度 |
海水中(ppm).: |
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地殼 (ppm.):9.5 |
大西洋表面:4 × 10-7 |
大西洋深處:7 × 10-7 |
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大氣(p.p.m.)/體積: |
太平洋表面:4.4 × 10-7 |
太平洋深處:10 × 10-7 |
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生 物 數(shù) 據(jù) |
人體中含量(ppm): |
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器官中:非常低 |
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人(70Kg)均體內(nèi)總量(mg):非常低。 |
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日攝入量/mg: 未知 |
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礦 產(chǎn) 資 源 |
工業(yè)礦物: |
主要產(chǎn)地 |
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混合性(氟碳鈰+獨(dú)居石) |
中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭白云鄂博礦山 |
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氟碳鈰礦(Bastnaesite) CeLaFCO3(輕稀土) |
美國(guó)芒廷帕斯礦山(加利福尼亞) |
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中國(guó)四川冕寧、山東微山 |
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獨(dú)居石(Monazite ) (CeLaTh)PO4(輕稀土) |
澳大利亞韋爾德山、東西海岸海濱沙礦 |
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印度西南海濱沙、中國(guó)廣東和臺(tái)灣海濱沙 |
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稀土磷灰石 |
俄羅斯科拉半島 |
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鈰鈮鈣鈦礦 |
俄羅斯托姆托爾碳酸巖風(fēng)化殼稀土礦床 |
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離子型礦(中釔富銪) |
中國(guó)江西尋烏、廣東平遠(yuǎn) |
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配分 Pr % |
包頭混合型礦 |
四川氟碳鈰礦 |
中釔富銪離子型礦 |
廣東南山海獨(dú)居石 |
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5—6 |
4—5 |
6—8 |
5—6 |
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應(yīng)用領(lǐng)域 |
金屬、合金 |
鋼鐵與有色金屬改性劑、永磁材料 |
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混合氧化物 |
石油裂化催化劑、農(nóng)用稀土、助染助鞣 |
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單一氧化物 |
陶瓷和玻璃著色劑、光纖、拋光粉、塑料顏料、 |
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有機(jī)化合物 |
化工催化劑、穩(wěn)定劑和改性劑;飼料添加劑 |