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1.什么是稀土元素?
严格地说 , 它们和周期表上的其他元素一样——比如碳、氢和氧——原子序数在57到71之间 。另外还有两种性质相似的稀土元素 , 有时也会与它们组合在一起 , 但主要的稀土元素就是这15种 。要制作第一个 , 镧 , 从钡原子开始 , 加上一个质子和一个电子 。每一个连续的稀土元素都会增加一个质子和一个电子 。
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有15种稀土元素是很重要的:化学专业的学生可能还记得 , 当电子被加到一个原子上时 , 它们会以团或层的形式聚集在一起 , 被称为轨道 , 这些轨道就像靶心周围目标的同心圆 。
任何原子的最内层靶圆可以包含两个电子;增加第三个电子意味着在第二个靶圆中增加一个 。接下来的7个电子也在那里——之后电子必须进入第三个能容纳18个电子的靶圆 。接下来的18个电子进入第四个靶圆 。
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然后事情开始变得有点奇怪 。虽然在第四个靶圆中还有电子的空间 , 但接下来的八个电子进入了第五个靶圆 。尽管第五圈空间更大 , 接下来的两个电子进入了第六圈 。
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这时原子就变成了钡原子 , 原子序数为56 , 而早期目标圆中的空位就开始被填满 。再加上一个电子——制造镧——稀土元素系列的第一个电子——就把这个电子放到了第五圈 。再加上一个 , 使铈原子序数为58 , 在第四个圆上增加了一个电子 。制造下一个元素praseodymium , 实际上就是把第五圈的最新电子移到第四圈 , 再加一个 。从那里 , 额外的电子填满了第四个圆 。
在所有元素中 , 最外层的电子在很大程度上影响元素的化学性质 。由于稀土具有相同的最外层电子构型 , 它们的性质非常相似 。
2.稀土元素真的很稀有吗?
【什么是稀土?稀土有什么作用和用途?】不,它们在地壳中比许多其他有价值的元素丰富得多 。即使是最稀有的稀土元素铥原子的原子序数为69 , 是金的125倍 。最稀有的稀土铈原子序数为58 , 是黄金的1.5万倍 。
最稀有的稀土元素 , 铥 。
从某种意义上说 , 它们又很罕见——矿物学家们会称它们为“分散的” , 也就是说它们大多以相对较低的浓度散布在地球上 。稀土通常存在于被称为碳酸盐岩的稀有火成岩中 。
有几个地区稀土储量丰富 , 而且主要集中在中国 。中国每年生产的稀土量占全球13万吨稀土总量的80%以上 。澳大利亚也有一些地区 , 其他一些国家也是如此 。美国有一小块稀土资源丰富的地区 , 但美国最后一个稀土资源来源——加州山口采石场(Mountain Pass鲗)在2015年关闭 。
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3.如果它们并不罕见 , 价格贵吗?
是的,相当贵 。2018年 , 一氧化二钕(原子序数为60)的成本是每公吨10.7万美元 。预计到2025年 , 价格将攀升至15万美元 。
铕的成本甚至更高——每公吨约71.2万美元 。
部分原因是稀土元素在化学上很难相互分离以获得纯物质 。
4.稀土元素具有什么用途?
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在20世纪后半叶 , 原子序数为63的铕被广泛应用于视频屏幕(包括电脑显示器和等离子体)中 , 作为产生颜色的荧光粉 , 它对于吸收核反应堆控制棒中的中子也很有用 。
如今 , 其他稀土元素也普遍用于电子设备 。例如 , 原子序数为60的钕是一种强大的磁铁 , 在智能手机、电视、激光、可充电电池和硬盘驱动器上都很有用 。即将推出的特斯拉电动汽车发动机也将使用钕 。
自20世纪中期以来 , 对稀土的需求一直在稳步上升 , 而且没有真正的替代材料来替代它们 。可以说 , 稀土对于现代科技社会至关重要 。
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