Редкоземельные элементы (РЗЭ) : иттрий, гадолиний
Иттрий был открыт в 1794 году финским химиком Юханом Гадолином. Он обнаружил новый минерал в образце, полученном из шахты возле шведского города Иттербю. Гадолин назвал минерал в честь этого города – иттербитом.
Впоследствии, из иттербита было выделено несколько новых элементов, одним из которых и оказался иттрий. Однако, стоит отметить, что Гадолин не выделил чистый иттрий, а лишь его оксид (иттрию). Металлический иттрий был получен гораздо позже, в 1828 году Фридрихом Вёлером.
Вот основные физические свойства иттрия:
Атомный номер: 39
• Атомная масса: 88.90585 г/моль
• Плотность: 4.47 г/см³
• Температура плавления: 1526 °C (1799 K)
• Температура кипения: 3341 °C (3614 K)
• Агрегатное состояние: Твёрдое
• Кристаллическая структура: Гексагональная плотноупакованная (ГПУ)
• Цвет: Серебристо-белый
• Блеск: Металлический
• Электропроводность: Относительно хорошая, но не такая высокая, как у меди или серебра.
• Теплопроводность: Умеренная
• Магнитные свойства: Парамагнетик
• Удельная теплоёмкость: 0.298 Дж/(г·K)
• Теплота плавления: 11.42 кДж/моль
• Теплота испарения: 363 кДж/моль
• Электроотрицательность: 1.22 по шкале Полинга
Важные особенности:
• Мягкий и ковкий: Иттрий довольно мягок и легко поддается обработке, такой как ковка и прокатка.
• Реакционноспособный: Иттрий легко реагирует с кислородом воздуха, образуя оксид иттрия (Y₂O₃), поэтому на воздухе он покрывается тонкой оксидной пленкой.
• Стабилен при высоких температурах: Хотя он реагирует с воздухом, иттрий остается относительно стабильным при высоких температурах по сравнению с некоторыми другими редкоземельными металлами.
• Нейтронно-прозрачный: Иттрий обладает относительно низким сечением захвата нейтронов, что делает его полезным в ядерных технологиях.
• Твёрдый раствор: Иттрий хорошо образует твердые растворы с другими металлами.
Иттрий применяется в различных областях, благодаря своим уникальным свойствам. Вот несколько основных направлений его использования:
• Люминофоры: Это, пожалуй, самое известное применение иттрия. Оксид иттрия (Y₂O₃), легированный редкоземельными элементами, используется в люминофорах, излучающих свет при облучении электронами. Такие люминофоры применяются в экранах цветных телевизоров, компьютерных мониторах и энергосберегающих лампах. Они обеспечивают яркие и насыщенные цвета.
• Лазеры: Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ, YAG) и иттрий-ванадиевый гранат (ИВГ, YVO₄), легированные различными элементами, такими как неодим, эрбий или тулий, являются важными материалами для твердотельных лазеров. Эти лазеры используются в медицине (хирургия, косметология), промышленности (резка, сварка), науке (спектроскопия) и военных технологиях.
• Сверхпроводники: Иттрий входит в состав некоторых высокотемпературных сверхпроводников, таких как иттрий-бариевый-медный оксид (YBa₂Cu₃O₇, YBCO). Хотя эти сверхпроводники все еще находятся на стадии исследований и разработок, они обладают огромным потенциалом для применения в электроэнергетике, транспорте и медицине.
• Керамика: Оксид иттрия используется для стабилизации диоксида циркония (ZrO₂), который является важным материалом для производства высокопрочной керамики. Такая керамика используется в стоматологии (коронки, мосты), машиностроении (износостойкие покрытия), огнеупорах и других областях.
• Металлургия: Иттрий используется в качестве легирующего элемента в сплавах, улучшая их прочность, ковкость и коррозионную стойкость. Он также может использоваться для раскисления стали.
• Медицина: Радиоактивный изотоп иттрия-90 используется в радиотерапии для лечения некоторых видов рака, например, рака печени и лимфом.
• Другое: Иттрий также используется в качестве катализатора, в микроэлектронике (тонкие пленки), и в качестве компонента некоторых оптических материалов.
В целом, иттрий - это многофункциональный металл с широким спектром применения в различных отраслях промышленности, науки и медицины. Его уникальные свойства делают его важным компонентом многих современных технологий
Гадолиний (Gd) — редкоземельный металл серебристо-белого цвета, обладающий интересными свойствами. Вот его основные характеристики и сведения о том, где он встречается:
Свойства гадолиния:
• Атомный номер: 64
• Атомная масса: 157.25(3) г/моль
• Плотность: 7.90 г/см³
• Температура плавления: 1313 °C (1586 K)
• Температура кипения: 3273 °C (3546 K)
• Кристаллическая структура: Гексагональная плотноупакованная (ГПУ)
• Цвет: Серебристо-белый
• Парамагнетик: Обладает сильными парамагнитными свойствами при комнатной температуре. Он становится ферромагнетиком при температуре ниже своей точки Кюри (около 20 °C). Эта особенность делает его уникальным среди редкоземельных металлов.
• Поглотитель нейтронов: Имеет одно из самых высоких сечений захвата тепловых нейтронов среди всех элементов.
• Реакционная способность: Легко реагирует с кислородом, влагой и кислотами. На воздухе тускнеет, образуя оксидную пленку.
• Твёрдость: Относительно мягкий, легко поддается обработке.
• Применение: Используется в ядерной энергетике, магнитно-резонансной томографии (МРТ), магнитооптических дисках, магнитных холодильниках и люминофорах.
В каких породах встречается гадолиний:
Гадолиний не встречается в природе в чистом виде. Он всегда присутствует в составе минералов, содержащих другие редкоземельные элементы. Вот основные типы пород и минералов, в которых можно найти гадолиний:
• Монацит ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO₄): Один из наиболее важных минералов для добычи редкоземельных элементов, включая гадолиний. Монацит обычно встречается в россыпных месторождениях, таких как пляжные пески. Он содержит фосфаты редкоземельных элементов.
• Бастнезит ((Ce, La, Y)CO₃F): Другой важный минерал, содержащий карбонаты и фториды редкоземельных элементов. Встречается в карбонатитовых месторождениях.
• Ксенотим (YPO₄): Фосфат иттрия и других редкоземельных элементов. В ксенотиме содержание гадолиния может быть значительным.
• Гадолинит (Y₂FeBe₂Si₂O₁₀): Редкий силикат, содержащий иттрий, железо, бериллий и гадолиний. Назван в честь финского химика Юхана Гадолина, открывшего иттрий. Встречается в пегматитах.
• Эвксенит ((Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆): Сложный оксид, содержащий различные редкоземельные элементы, а также ниобий, тантал, титан, уран и торий.
• Самарскит ((Y,Fe,U,Th,Ca)(Nb,Ta,Ti,Sn)₂O₆): Другой сложный оксид, содержащий различные редкоземельные элементы.
Месторождения:
Наиболее значимые месторождения минералов, содержащих гадолиний и другие РЗЭ, находятся в Китае, США, Австралии, Бразилии, Индии, России и других странах. Разработка этих месторождений требует сложных процессов обогащения и разделения, чтобы извлечь отдельные элементы, такие как гадолиний.
В заключение, гадолиний - это уникальный редкоземельный металл с интересными магнитными и нейтронными свойствами, которые делают его полезным в различных технологических областях. Он встречается в различных минералах вместе с другими РЗЭ, и его извлечение требует специализированных процессов.
Производство редкоземельных металлов, включая гадолиний, является стратегически важной отраслью, и Россия обладает значительными ресурсами и производственными мощностями.
Где производят:
Ключевым предприятием в России, занимающимся производством редкоземельных металлов, включая гадолиний, является Соликамский магниевый завод (СМЗ). Однако, стоит отметить, что с 2022 года СМЗ переживает период реструктуризации и изменения собственности, что может влиять на объемы и стабильность производства.
Также, стоит упомянуть о перспективных проектах по разработке новых месторождений и строительству новых производственных мощностей, например:
• Проект "Кольская ГМК" (входит в группу "Норникель"): Разрабатывает планы по освоению редкоземельных месторождений в Мурманской области.
Технологии производства:
Производство гадолиния включает несколько этапов:
1. Добыча и обогащение руды: Извлечение минералов, содержащих РЗЭ (монацит, бастнезит, ксенотим и др.) и их обогащение.
2. Разделение РЗЭ: Сложный химический процесс, направленный на разделение смеси РЗЭ на отдельные элементы. Используются различные методы, такие как жидкостная экстракция, ионный обмен и др.
3. Получение металла: Получение чистого гадолиния металлическим методом, обычно путем восстановления его галогенидов (например, GdCl3) металлическим кальцием или литием.
Важно отметить:
Несмотря на наличие ресурсов и производственных мощностей, российская редкоземельная промышленность все еще находится в стадии развития. Существуют определенные вызовы, связанные с технологическим отставанием, зависимостью от импортного оборудования и конкуренцией с другими странами (особенно с Китаем, который является крупнейшим производителем РЗЭ в мире).
Тем не менее, Россия прилагает усилия для развития своей редкоземельной промышленности, чтобы обеспечить внутренние потребности и увеличить экспортный потенциал.
