更新时间:2022-07-05 10:01
稀土元素氧化物是指元素周期表中原子序数为57到71的15种镧系元素氧化物,以及与镧系元素化学性质相似的钪(Sc) 和钇(Y)共17 种元素的氧化物。稀土元素在石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料等领域都得到了广泛的应用,随着科技的进步和应用技术的不断突破,稀土氧化物的价值将越来越大。
氧化镧
La2O3 分子量325.84。
白色无定形粉末,密度6.51g/cm3,熔点2217℃,沸点4200℃,微溶于水,易溶于酸而生成相应的盐类。露置空气中易吸收二氧化碳和水,逐渐变成碳酸镧。灼烧的氧化镧与水化合放出大量的热。
应用领域 主要用于制造精密光学玻璃、高折射光学纤维板,适合做摄影机、照相机、显微镜镜头和高级光学仪器棱镜等,还用了制造陶瓷电容器、压电陶瓷掺入剂和X射线发光材料溴氧化镧粉等。
氧化铈
性质:铈的氧化物的总称。
常见者有三氧化二铈(dicerium trioxide,Ce2O3)和二氧化铈(cerium dioxide,CeO2)。在三氧化二铈与二氧化铈之间存在相当多的氧化物物相,均不稳定。三氧化二铈具有稀土倍半氧化物的六方结构,熔点2210℃,沸点3730℃,对空气敏感。在一氧化碳气氛中,1250℃温度下加热二氧化铈和碳粉的混合物即可制得。主要用作催化剂。二氧化铈是最重要的、具有代表性的铈的氧化物。具有萤石结构。黄色固体(纯品为白色)。熔点2600℃。不溶于水。难溶于硫酸、硝酸。在空气中加热铈、氢氧化铈(III)或草酸铈(III)均可制得二氧化铈。用于镜头抛光剂。二氧化铈在低温、低压下形成缺氧物相,例如CenO2n-2(n=4,6,7,9,10,11),通常呈蓝色。Ce6Oll,蓝色固体。Ce7O12,在CeO2晶胞结构基础上短缺七分之一的氧,蓝黑色固体,熔点1000℃(分解)。Ce9O16暗蓝色固体,熔点625℃(分解)。Cel0O18,在CeO2晶脆结构基础上短缺十分之一的氧,暗蓝色固体,熔点575~595℃(分解)。CellO2O,暗蓝色固体,熔点435℃(分解)。它们在半导体材料、高级颜料及感光玻璃的增感剂、汽车尾气的净化器方面有广泛应用。
氧化镨
性质:氧化镨也有多种,其中最稳定为Pr6Oll,黑色三斜结构。其余为PrO1.65,体心立方。PrO1.714,斜方,PrO1.800单斜,都为黑色。制备方法同于氧化铈。可以用来制备变阻材料及颜料等。
原子结构
稀土元素的原子结构可以用4fx5d16s2 表示,x 从0→14。稀土元素从金属变成离子后,4f 轨道的外侧仍包围着5s25p6的电子云,失去6s2 电子及5d1 或4f 失去一个电子,形成4fx5s25p6的电子结构。在稀土金属中,6s 电子和5d 电子形成导带,4f 电子则在原子中定域,这种4f 电子的定域化和不完全填充都将反映在它们的种种物性之中。
4f 电子位于原子内层轨道,5s25p6 电子云对其有屏蔽作用,4f 轨道伸展的空间很小,所以受结晶场、配位体场等的影响很小;与此相反,其自旋(MS)与轨道(ML)的相互作用都很大,使得f- f 电子轨道L 与自旋S 相互耦合作用,E4f 分裂成许多能级有微小差别的能级亚层,每一个亚层对映一个光谱项2s+1L。
稀土元素化合价有多种价态,并存在变价作用。铈、钐、铕等在一些化合物中,其原子价为3 价、4 价或2 价和3 价共存,而且这种原子价的变化有的极快,有的极慢,十分引人注目。稀土离子电价高,半径大,易受极化,极化强度愈高折射率愈大,在陶瓷颜料中利用稀土离子的高折射率,使装饰画面色泽鲜艳。与普通釉彩颜料相比,加入稀土的颜料色泽加深。
从La 到Lu 的稀土元素都容易失掉2 个6s 电子,1 个5d电子或4f 电子,形成三价正离子(4fx5s25p6),因此稀土元素的氧化物大多是Ln2O3。此外镧系元素的4f0、4f7、4f14(全空、半充满、全充满)电子排列较稳定,一般具有该结构型的离子都是无色的。
光谱特性
在多电子原子中,对于一种确定的电子组态,可以有几种不同的S、L、J 状态,这些状态的自旋(S)、轨道(L)和总角动量(J)不同,即包含着电子间相互作用情况不同,因而能量有所不同,原子能级的高低和S 的大小很有关系,原子的光谱项用2s+1L 表示。在L- S 耦合的情况下,从同一组态出现的各个谱项的能量是有差别的。由于E4f能级上的电子受电子自旋角动量和轨道角动量的相互作用、耦合(L- S)产生了许多能级亚层,导致了f- f电子跃迁(ΔE=E2- E1=hν),产生了线状吸收光谱,这种f- f 跃迁导致了对可见光的选择性地吸收是稀土元素发光的根本原因。
三氧化物的颜色
稀土氧化物有多种,如LnO,Ln2O3 和LnO2,其中Ln2O3较常见。随着原子序数的递增,电子被填充在4f 轨道上,其电子结构、离子的价态及三价离子的颜色可去查看相关资料附表。
稀土离子的4f 亚层被外层(5s2)(5p6)电子壳层所屏蔽,致使4f 亚层受邻近其它离子的势场(结晶场)影响很小,其线状谱线基本保持自由离子的线状光谱特征,这与过渡元素的d- d 跃迁不同,d 亚层处于过渡金属离子的最外层,没有屏蔽层的保护,受配位场或晶体场影响较大,谱线不稳定,容易造成同一元素在不同化合物中的吸收光谱出现差别,导致颜色不稳定。稀土元素的电子能级和谱线比其它元素丰富多样,它们在从紫外光、可见光到红外光区都有吸收或发射现象,是非常好的色谱较广的有色物质。