Nadir Topraklar / Nadir Toprak Elemanları / REE

Nadir topraklar, 3 grubunun üç elementinden (scandium [Sc], itriyum [Y] ve lantan [La]) oluşan elementlerin her biri ve periyodik tablonun ana gövdesinin altındaki ilk genişletilmiş element serisi (Cer [Ce) ] Lutetium [Lu]) tarafından. Lutetium'un seryum elementlerine lantanitler denir, ancak birçok bilim insanı nadiren olsa da nadiren bu elementleri çağırır.

Nadir topraklar genellikle üç değerlikli elementlerdir, ancak birkaçı farklı değerlere sahiptir. Cer, praseodim ve terbiyum tetravalan olabilirken samaryum, öropiyum ve iterbiyum iki değerli olabilir. Birçok bilimsel giriş kitabı, nadir toprak elementlerinin kimyasal olarak o kadar benzer olduğunu ve birlikte tek bir element olarak kabul edilebileceğini düşünür. Bir dereceye kadar, bu doğru - kullanımlarının yaklaşık yüzde 25'i bu yakın benzerliğe dayanıyor - ancak nadir toprak kullanımlarının diğer yüzde 75'i her bir elementin benzersiz özelliklerine dayanıyor. Ek olarak, bu unsurların yakından incelendiğinde davranış ve özelliklerinde büyük farklılıklar ortaya çıkar; örneğin, lantanit serisinin prototip unsuru olan lantanın erime noktası (918 ° C veya 1.684 ° F), serideki son element olan lutetiumun erime noktasından (1.663 ° C veya 3.025 ° F) çok daha düşüktür. Bu fark, periyodik tablodaki birçok gruptan çok daha büyüktür; örneğin, bakır, gümüş ve altının erime noktaları yalnızca yaklaşık 100 ° C (180 ° F) kadar değişir.

Nadir toprakların adı bir hatadır. 18. yüzyılda keşfedildikleri sırada, daha sonra "topraklar" olarak anılan karmaşık oksitlerin bir parçası oldukları bulundu. Ek olarak, bu mineraller yetersiz görünüyordu ve bu nedenle bu yeni keşfedilen elementlere "nadir topraklar" deniyordu. Aslında, bu elementler oldukça bol miktarda bulunur ve dünyadaki birçok işleyen birikintide bulunur. Doğal olarak oluşan 16 nadir toprak element bolluğunun 50. yüzdesine düşer. 21. yüzyılın başında Çin, dünyanın en büyük nadir toprak elementleri üreticisi haline geldi. Avustralya, Brezilya, Hindistan, Kazakistan, Malezya, Rusya, Güney Afrika ve Amerika Birleşik Devletleri de bu malzemelerin önemli miktarlarını çıkarmakta ve rafine etmektedir.

Pek çok insan, nadir bulunan toprak elementlerinin günlük yaşamları üzerindeki muazzam etkisinin farkında değil, ancak bunu içermeyen bir modern teknoloji parçasını kullanmak neredeyse imkansız. Hafif çakmaktaşı kadar basit bir ürün bile nadir toprak elementleri içerir. Nadir toprak ürünlerinin en büyük tüketicilerinden biri olan modern otomobil, tutarlılıklarını göstermektedir. Tipik bir otomobildeki düzinelerce elektrik motoru ve ses sistemindeki hoparlörler neodim-demir-bor kalıcı mıknatıslar kullanır. Elektrik sensörleri, yakıtın oksijen içeriğini ölçmek ve kontrol etmek için itriya ile stabilize edilmiş zirkonya kullanır. Üç yollu katalizör, egzoz ürünlerindeki azot oksitleri nitrojen gazına indirgemek ve karbon monoksiti karbondioksite ve yanmamış hidrokarbonları karbondioksit ve suya oksitlemek için seryum oksitlere dayanmaktadır. Optik ekranlardaki fosforlar, itriyum, öropiyum ve terbiyum oksitler içerir. Ön cam, aynalar ve lensler seryum oksitlerle parlatılmıştır. Araca güç sağlayan benzin veya dizel yakıt bile lantan, seryum veya karışık nadir toprak oksitleri içeren nadir toprak kırma katalizörleriyle rafine edildi. Hibrit otomobiller, şarj edilebilir bir nikel-lantan metal hidrit pil ve nadir toprak elementlerine sahip kalıcı mıknatıslara sahip bir elektrikli çekiş motoru ile güçlendirilmiştir. Ek olarak, modern medya ve iletişim cihazları - cep telefonları, televizyonlar ve bilgisayarlar - hoparlörler ve sabit sürücüler için mıknatıs olarak nadir toprakları ve optik ekranlar için fosforları kullanır. Kullanılan nadir toprak miktarları oldukça küçüktür (yaklaşık yüzde 0,1 neodim içeren kalıcı mıknatıslar hariç ağırlıkça% 5-25), ancak bunlar kritiktir ve bu cihazlardan herhangi biri de çalışmayacaktır veya gerekli olacaktır. Nadir toprak elementleri olmasaydı daha zor.

Stratejik metaller ve nadir toprak elementleri içeren periyodik tablo

1 H

2 He

3 Li

4 Be

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

11 Na

12 Mg

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

19 K

20 Ca

21 Sc

22 Ti

23 V

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

37 Rb

38 Sr

39 Y

40 Zr

41 Nb

42 Mo

43 Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

53 I

54 Xe

55 Cs

56 Ba

57 La

58 Ce

59 Pr

60 Nd

61 Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

69 Tm

70 Yb

71 Lu

72 Hf

73 Ta

74 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

81 Tl

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

87 Fr

88 Ra

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 U

93 Np

94 Pu

95 Am

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 Fm

101 Md

102 Yok hayır

103 Lr

104 Rf

105 Db

106 Sg

107 Bh

108 Hs

109 Mt

110 Ds

111 Rg

112 Cn

113 Nh

114 Fl

115 Mc

116 Lv

117 Ts

118 Og

Fiyatlandırma, kaynak kullanımı, madencilik ve kullanım hakkında daha fazla bilgi edinmek için ürüne tıklayın.

 

Nadir toprakların keşfi ve tarihçesi

Nadir topraklar Dünya'nın doğumundan bu yana var olmasına rağmen, onların varlığı 18'a kadar bitmedi. Yüzyılda bilinen. 1787 İsveç ordusu teğmen Carl Axel Arrhenius'u Ytterby'deki küçük bir taş ocağında (Stockholm yakınlarındaki küçük bir kasaba) benzersiz bir siyah minerali keşfetti. Bu mineral nadir toprakların bir karışımıydı ve izole edilen ilk tek element element seryumunun 1803'i idi.

Her nadir toprak elementinin tarihi, büyük ölçüde kimyasal benzerliklerinden dolayı karmaşık ve kafa karıştırıcıdır. "Yeni keşfedilen elementlerin" çoğu tek bir element değil, altı farklı nadir toprak elementinin karışımıydı. Ek olarak, nadir toprak serilerinin üyesi olması gereken, ancak olmayan çok sayıda başka "element" in keşfedildiğine dair kanıt vardı.

En son doğal olarak meydana gelen nadir toprak elementi (lutetium) 1907 tarafından keşfedildi, ancak bu elementlerin kimyasının araştırılması zordu, çünkü hiç kimse gerçek nadir nadir toprak elementlerinin olduğunu bilmiyordu. Neyse ki, 1913-14, Danimarkalı fizikçi Niels Bohr ve İngiliz fizikçi Henry Gwyn Jeffreys Moseley'in araştırmasıyla durumu çözdü. Bohr'un hidrojen atomu teorisi teorisyenlere yalnızca 14 lantanitlerin bulunduğunu gösterme imkânı verdi. Moseley'in deneysel çalışmaları, bu elementlerin 13'in varlığını doğruladı ve 14'in olduğunu gösterdi. Lantanit elementi 61 olmalıdır ve Neodim ile Samarium arasında uzanır.

1920 yıllarında, Element 61 için yapılan arama yoğun oldu. 1926, Floransa, İtalya ve Illinois Üniversitesi'ndeki bilim gruplarının, 61 elementini keşfettiğini ve Florentium veya Illinium elementini seçtiğini iddia etti, ancak iddiaları bağımsız olarak doğrulanamadı. Bu iddiaların ve karşı iddiaların öfkesi sonunda 1930'e geri döndü. Uranyumun parçalanmasından sonra, bu 1947 elementinin Tennessee'deki ABD Atom Enerjisi Komisyonu'nun Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki bilim adamlarından izole edilip Promethium adında olması, 61'e kadar değildi. (Her bir öğenin keşfi hakkında daha fazla ayrıntı için bu öğeler hakkındaki makalelere bakın.)

160 yıllarında keşfedilen yıllarda (1787-1947), nadir toprak elementlerinin ayrılması ve saflaştırılması zor ve zaman alıcı bir süreç olmuştur. Pek çok bilim insanı, bütün yaşamlarını, komşu bir lantanit elementine kıyasla, sulu bir çözeltideki nadir bir toprak tuzunun çözünürlüğündeki küçük farklardan yararlanan, fraksiyonel kristalizasyon yoluyla, yüzde 99 saf nadir toprak elde etmek için harcadı.

Nadir toprak elementlerinin bir uranyum atomunun bölünmesinin fizyon ürünleri olduğu için, ABD Atom Enerjisi Komisyonu nadir toprak elementlerini ayırmak için yeni yöntemler geliştirmek için büyük çaba sarf etti. Bununla birlikte, 1947 aynı anda Gerald E. Boyd ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı ve Frank Harold Spedding'daki meslektaşlarının sonuçlarını ve Iowa'daki Ames Laboratuvarı meslektaşlarının iyon değişim süreçlerinin nadir toprakları ayırmanın çok daha iyi bir yolunu sağladığını gösterdi.

Nadir toprakların frekansı, oluşumu ve rezervleri

Daha önce de belirtildiği gibi, nadir toprak elementleri oldukça fazladır, ancak temin edilebilirlikleri bir şekilde sınırlıdır, çünkü esas olarak birçok cevherdeki konsantrasyonları oldukça düşüktür (ağırlıkça yüzde 5'ten az). Ekonomik olarak uygun bir kaynak, başka bir ürünle (örn. Zirkonyum, uranyum veya demir) çıkarılmadıkça, yüzde 5'ten fazla nadir toprak içermelidir; bu, cevher kütlelerinin ağırlıkça yalnızca yüzde 0,5'lik konsantrasyonlarla ekonomik olarak geri kazanılmasını sağlar.

Doğal olarak oluşan 83 elementten, doğal olarak oluşan 16 nadir toprak elementi element bolluklarının 50. yüzdelik dilimine düşer. Yarılanma ömrü 17,7 yıl olan en kararlı izotopu olan radyoaktif olan Promethium, bazı radyoaktif cevherlerinde izler bulunmasına rağmen doğal olarak oluştuğu kabul edilmiyor. En yaygın seryum 28. sırada yer alır ve en az yaygın olan tulium 63. sırada yer alır. Birlikte ele alındığında, nadir topraklar 22. en yaygın "element" dir (68. yüzdelik işaretinde). Lantanit olmayan nadir toprak elementleri itriyum ve skandiyum, bolluklarında 29. ve 44. sıradadır.

Lantan ve hafif lantanitler (öbür seryum), ağır lantanlardan (lutetium tarafından gadolinyum) daha fazla miktarda bulunur. Bu nedenle, tek tek ışık lantanit elementleri genellikle ağır lantanit elementlerinden daha ucuzdur. Buna ek olarak, hatta sıra sayıları (seryum, neodim, samaryum, gadolinyum, disprosyum, erbiyum ve iterbiyum) ile metaller tek atom numaralarına (lantanum, praseodimyum, prometyum, öporyum, terbiyum, holmiyum, tulyum ve lutesyum) ile komşularına göre daha fazladır.

Tüm dünyada nadir toprak cevher yatakları bulunur. Ana cevherler Çin, Amerika Birleşik Devletleri, Avustralya ve Rusya'da bulunurken, diğer cevherler Kanada, Hindistan, Güney Afrika ve Güneydoğu Asya'da bulunur. Bu cevherlerde bulunan en önemli mineraller, bastnasit (florokarbonat), monazit (fosfat), loparit [(R, Na, Sr, Ca) (Ti, Nb, Ta, Fe3 +) O3] ve laterite'dir (SiO2, Al2UMXUMUM) ve Fe3O2).

Çin'deki yataklar, 2018'i dünyanın nadir toprak minerallerinin yüzde 82'i (112.000 ton nadir toprak oksidi) üretti. Çin'in mayınlı nadir topraklarının yüzde 94'i bastnasit yataklarından geliyor. En büyük mevduat Bayan Obo'da, İç Moğolistan'da (yüzde 83) bulunurken, Shandong (yüzde 8) ve Sişuan (yüzde 3) illerinde daha küçük yataklar mayınlı. Yüzde 3, güney Çin'deki Jiangxi ve Guangdong eyaletlerinde bulunan Laterittonen'den (iyon emilimi), kalan 3 ise farklı yerlerde üretiliyor.

Resmi olarak, 2018 130.000 ton REO eşdeğeri mayınlı, ancak ender görülen bir kara karaborsa pazarının bu miktarın yüzde XU'sunu oluşturması bekleniyor. En nadir bulunan toprak malzemeleri Çin'den kaçırılır.

Çin tekeli, 2009'ten 2011'e kadar çeşitli nadir toprak malzemelerinin fiyatlarının yüzde yüz artırılmasına ve bu ürünlerin birçoğu için ihracat kotalarına izin verdi. Bu, nadir bulunan dünya pazarlarının dinamiğinde büyük bir değişikliğe neden oldu. Bastnasit'in sökülmesi, dokuz yıllık bir aradan sonra Kaliforniya'daki 2011 Mountain Pass'ta tekrar başladı ve Monazit madenciliği aynı yıl Avustralya'nın Mount Weld kentinde başladı. Aynı zamanda, Loparit Rusya'da, monazit ise Hindistan, Vietnam, Tayland ve Malezya'da çıkarıldı. Bu ve diğer madencilik şirketleri, Çin'in halen nadir bulunan toprak minerallerinin ana tedarikçisi olduğu, ancak alternatif kaynaklar arayan, daha az kullanılan veya daha nadir bulunan toprakları geri dönüştüren şirketler arasında yeni bir denge sağlamıştır.

Nadir topraklara hızlı bakış

Z	sym çanak	Name	etimoloji	seçilen kullanımlar
21	Sc	Scandium	latinden Scandia İlk cevherin keşfedildiği 'İskandinavya'	Stadyum aydınlatması, yakıt hücreleri, yarış bisikletleri, X-ray teknolojisi, lazer
39	Y	İtriyum	Ytterby, İsveç'teki nadir toprak cevherinin keşfedilmesinden sonra	Floresan lamba, LCD ve plazma ekranlar, LED'ler, yakıt hücresi, Nd: YAG lazer
57	La	lantan	Yunanlı lanthanein 'Gizlenmek'.	Nikel-metal hidrit piller (örneğin elektrikli ve hibrit arabalarda, dizüstü bilgisayarlarda), katalizörler, Partikül filtreler, yakıt hücreleri, yüksek kırılma indeksi camları
58	Ce	Cer	cüce gezegeninden sonra Ceres.	Katalitik konvertörler, partikül filtreleri, ultraviyole radyasyon koruyucu gözlük, parlatıcı maddeler
59	Pr	praseodim	Yunanlı Prasinos Allium Yeşil ' didymos 'Çifte' veya 'ikiz'	Kalıcı mıknatıslar, uçak motorları, elektrik motorları, cam ve emaye boyama
60	Nd	neodim	Yunanlı neos 'Yeni' ve didymos 'Çifte' veya 'ikiz'	Kalıcı mıknatıslar (örneğin elektrik motorlarında, rüzgar türbinlerinde, Manyetik rezonans tomografları, sabit diskler), cam boyama, lazer, CD çalar
61	Pm	Promethium	Prometheus'tan bir Yunan mitolojisi titanı	Lüminesans sayılar, uzay sondaları ve uydulardaki ısı kaynakları (radyoaktif element)
62	Sm	Samaryum	sonra sırayla adlandırılan maden Samarskit, sonra Dağ mühendisi WM Samarski	Kalıcı mıknatıslar (dikte makinelerinde, kulaklıklarda, sabit disk sürücülerinde), Alan, gözlük, lazerler, tıp
63	Eu	öropiyum	americium dışında, bir kıtaya göre adlandırılan tek unsur	LED'ler, floresan lambalar, plazma televizyon (kırmızı fosfor)
64	Gd	Gadolinyum	Johan Gadolin'den sonra (1760-1852), Gadolinitlerin adaşı	Kontrast maddesi (manyetik rezonans görüntüleme), radar ekranları (yeşil fosfor), Nükleer yakıt elemanları
65	Tb	Terbiyum	İsveç'ten sonra Ytterby	Fosfor, kalıcı mıknatıslar
66	Dy	Disporsiyum	dan δυσπρόσιτος, erişilemez	Kalıcı mıknatıslar (örneğin rüzgar türbinleri), fosforlar, lazerler, nükleer reaktörler
67	Ho	Holmiyum	Stokholm (en. Holmia) veya kimyager Holmberg’in bir türevi	Yüksek performanslı mıknatıslar, tıbbi teknoloji, lazerler, nükleer reaktörler
68	Er	erbiyum	İsveç'ten sonra Ytterby	Lazer (ilaç), fiber optik kablo
69	Tm	Tülyum	sonra Thule, dünyanın kenarındaki efsanevi ada	Floresan lambalar, X-ray teknolojisi, televizyonlar
70	Yb	İterbiyum	İsveç'ten sonra Ytterby	Kızılötesi lazer, kimyasal indirgeyici ajan
71	Lu	lutesyum	Paris’in Roma adından sonra Lutetia	Pozitron emisyon tomografi

 

2017'e kadar, dünyanın bilinen nadir toprak mineral rezervleri yaklaşık 120 milyon ton REO'dur. En büyük paya Çin (yüzde 37), ardından Brezilya ve Vietnam (her biri yüzde 18), Rusya (yüzde 15) ve dünyanın geri kalanı (yüzde 12) gelmektedir. Böylesi büyük rezervlerle, maden talebinin 900 seviyesinde kalması durumunda dünya, 2017 yıldan daha uzun bir süre nadir topraklarda bitmez. Bununla birlikte, tarihsel olarak, nadir toprak talebi yılda yaklaşık 10 artmıştır. Bu ölçekte talep artmaya devam ederse ve üretilen nadir toprakların geri dönüşümü yapılmazsa, bilinen dünya rezervleri muhtemelen 21'in ortasından bir süre sonra gelecektir. Yüzyıl bitkin.

Nadir toprak metallerinin sınırlı rezervleri ve yüksek değeri göz önüne alındığında, bu elementlerin, kullanım ömürlerinin sonuna ulaşan tüketici ürünlerinden geri dönüştürülmesi daha önemli hale gelecektir. Şu anda, fosfor ve katalizör üretiminde kullanılan hurda metaller, manyetik malzemeler ve bileşikler geri dönüştürülmektedir. Bununla birlikte, nispeten büyük miktarlarda nadir toprak içeren ürünler, mevcut teknikler kullanılarak anında geri dönüştürülebilir. Bunlar, hidrojen emiciler olarak birkaç gramdan birkaç kilograma kadar LaNi5 bazlı alaşımlar içeren şarj edilebilir nikel-metal hidrit pilleri ve ayrıca SmCo5 ve Nd2Fe14B bazlı büyük kalıcı mıknatısları içerir. Bu malzemelerin tümü ağırlıkça yüzde 25-30 hafif lantanitler içerir - en iyi nadir toprak cevherinden bile çok daha fazla (aşağıya bakın). Bununla birlikte, tüketici elektroniği cihazlarının çoğu yalnızca küçük miktarlarda nadir toprak içerir. Örneğin, bir sabit sürücünün mil mıknatısı yalnızca birkaç gram Nd2Fe14B içerir. Cep telefonundaki bir hoparlör mıknatısı, telefonun toplam kütlesinin yüzde 0,1'inden daha azını oluşturur. Kompakt bir flüoresan lamba, fosforunda bir gram lantanit metalinin yalnızca bir kısmına sahiptir. Pek çok modern elektronik cihazın karmaşıklığı göz önüne alındığında, nadir toprak elementlerinin geri dönüşümü, diğer değerli kaynakların ve potansiyel olarak tehlikeli maddelerin geri dönüşümü ile aynı zamanda gerçekleşmelidir. Bunlar arasında değerli metaller (gümüş, altın ve paladyum gibi), demir içermeyen metaller (alüminyum, kobalt, nikel, bakır, galyum ve çinko gibi), kanserojenler (kadmiyum gibi), toksinler (cıva, kurşun ve berilyum gibi), plastikler, cam ve seramikler bulunur. Bu nedenle, öncelikle ömürlerinin sonunda kolayca geri dönüştürülebilen tüketim malları yaratmak için ve ikinci olarak nadir toprakların geri dönüşümünü anlamlı ve ekonomik hale getirmek için çok sayıda bilimsel ve teknik sorunun çözülmesi gerekir ve bu nedenle nadir toprak elementleri - son derece değerli, ancak doğanın sınırlı kaynağı - onu en iyi şekilde kullanmak.

Nadir toprakların mineralleri ve cevherleri

Bireysel nadir toprak elementlerinin içeriği, mineralden minerale ve birikintiden depoya büyük ölçüde değişir. Mineraller ve cevherler genellikle "hafif" veya "ağır" olarak sınıflandırılır; İlk grupta mevcut elementlerin çoğu hafif atomik elementlerdir (yani lantan, seryum, praseodim, neodim, samaryum ve öropiyum), ikinci gruptaki elementlerin çoğu ise ağır atom elementleri, gadolinyum, terbiyum, disprosiyum, holmiyum, erbiyumdur. Ağır grubun üyeleri olarak kabul edilen tulium, iterbiyum ve lutesyum ile itriyum. Skandiyumun jeokimyası, diğer nadir toprak elementlerinin jeokimyasından önemli ölçüde farklıdır. Cevherleri ve mineralleri hakkında bilgi skandiyum makalesinde bulunabilir. Esasen, aşağıda listelenen minerallerin hiçbirinde skandiyum bulunmaz.

Nadir toprak içerdiği bilinen yaklaşık 160 mineralinden, şu anda nadir toprakları için sadece dört madenci bulunmaktadır: Bastnasite, Lateritton, Monazit ve Loparit. Laterit kil hariç, bu mineraller iyi ışık lantanit ve lantan kaynaklarıdır ve kullanılan nadir toprakların yaklaşık yüzde 95'ini oluşturur. Lateritton, ağır lantanitler ve itriyum için ticari bir kaynaktır.

Nadir toprakların kaynağı olarak kullanılmış olan diğer mineraller apatit, östenit, gadolinit ve ksenotime içerir. Allanit, florit, perovskit, küresel ve zirkon, nadir toprakların gelecekteki kaynakları olma potansiyeline sahiptir. (Ek olarak, geçmişte ağır lantanitler artı itriyum ve hafif lantanitler artı lantanların kaynağı olarak uranyum ve demir kalıntıları kullanılmıştır.) Apatit ve östenit gibi bu minerallerin birçoğu, diğer bileşenler için işlenir ve nadir topraklar üretilebilir. olmak. Yerkabuğunda meydana gelen minerallere ek olarak, nadir toprak elementleri içeren Japonya Minamitori İzlanda gibi bazı derin deniz zayıflıkları da vardır. Konsantrasyonlar milyonda yüzlerce ve binlerce parça arasında değişmektedir ve bu çamurlar bir gün nadir toprak kaynağı olabilir.

Nadir toprak kaynakları olan bu 13 minerallerinin idealize edilmiş kimyasal bileşimleri tabloda listelenmiştir.

Birincil nadir toprak içeriğinin bileşimi

Name	optimal kompozisyon	REE'nin birincil içeriği
Alanit	(Ca, Fe2+) (R, Al, Fe3+)3Si3O13H	R = hafif lantanitler
apatit	Ca5(PO4)3F	R = hafif lantanitler
bastnasite	RCO3F	R = Işık lantanoid (% 60-70)
Euxenite	R (Nb, Ta) TiO6 ∙ xH2O	R = ağır lantanoitler artı Y (% 15-43)
florit	CaF2	R = ağır lantanoitler artı Y
Gadolinit	R2(Fe2+,) Be3Si2O10	R = ağır lantanoitler artı Y (% 34-65)
laterit killeri	SiO2, Al2O3, Fe2O3	R = ağır lantanoitler artı Y
loparite	(R, Na, Sr, Ca) (Ti, Nb, Ta, Fe3+)O3	R = Işık lantanoid (% 32-34)
monazit	RPO4	R = Işık lantanoid (% 50-78)
Perovskite	katyo3	R = hafif lantanitler
sfen	CaTiSiO4X2 (X = ½O2-OH-veya F-)	R = hafif lantanitler
Ksenotim	RPO4	R = ağır lantanoitler artı Y (% 54-65)
zirkon	ZrSiO2	R = hem hafif hem de ağır lantanoidler artı Y

Seçilmiş nadir toprak minerallerinin bileşimi

bastnasite

Bir florokarbonat olan Bastnasite, nadir bulunan toprakların ana kaynağıdır. Dünyada kullanılan nadir toprakların yaklaşık yüzde 94'i Mountain Pass, Kaliforniya, ABD, Bayan Obo, İç Moğolistan, Çin, Shandong Eyaleti, Çin ve Sichuan Eyaleti, Çin'deki madenlerden geliyor. Bayan Obo yatağı, özellikle dağ geçidindeki cevherde yüzde 10 olan lanthanum içeriği pahasına, özellikle dağ geçidindeki bastnasite göre praseodim ve neodimyumda biraz daha zengindir. Shandong ve Sichuan minerallerinin nadir toprak içerikleri, Bayan Obo minerallerinin ve diğerlerininkinden biraz farklıdır. Shandong Bastnasite, Dağ Geçidi'nin madenine benzer. Sichuan cevheri, daha fazla lantan, daha az praseodim ve neodim ve Bayan Obo yatağıyla aynı miktarda seryum içermektedir.

Bazı minerallerin de dahil olduğu, seçilen minerallerdeki nadir toprak içeriği tabloda verilmektedir.

Nadir Toprak Element Bastnasit (Dağ Geçidi, Kaliforniya) Bastnasit Monazit (Weld Dağı, Avustralya) Xenozeit (Lehat, Malezya) Yüksek Y Laterit Loparit (Kola Yarımadası) , Rusya)

 

Laterit kil (lar)

Laterittone (Ionenabsorptionstone olarak da bilinir) temel olarak silika, alümina ve demir oksitten oluşur; yaşayabilir miktarda nadir toprak da içerenler, yalnızca Güneydoğu Çin'deki Jiangxi Eyaletinde bulunur. Jiangxi yataklarından Longnan'ın killeri ağır lantanitler ve itriyum bakımından oldukça zengindir. Xunwu'daki killer, nispeten yüksek itriyum içerikli lantan ve neodim bakımından zengin nadir toprakların çok sıradışı bir dağılımına sahiptir. Ayrıca dikkat çeken husus, diğer minerallerde normal nadir toprak dağılımına kıyasla her iki kildeki, özellikle de Xunwu kilindeki seryum ve praseodim konsantrasyonunun düşük olmasıdır. Bu killer, nadir toprak içeren ürünlerde kullanılan başlıca ağır element kaynaklarıdır, örneğin Nd2Fe14B daimi mıknatıslardaki disprosiyum.

 

monazit

Bir fosfat olan monazit, nadir topraklar için üçüncü en önemli cevher kaynağıdır. 1980 yıllarında, dünya üretiminin yüzde 40'ini oluşturuyordu, ancak 2010'e mayınlı nadir toprakların sadece küçük bir kısmını kattı. Bu değişimin iki nedeni vardı: Birincisi, monazitin cevher gövdesinden Bastnasite'den nadir bir toprağa konsantre olması daha pahalı; ikincisi, monazit, özel çevresel kullanım ve depolama prosedürleri gerektiren, bastnasite kıyasla önemli miktarda radyoaktif thoria (Thoxnumx) içerir. Bununla birlikte, Monazit'in Avustralya'daki Weld Dağı'ndaki (Lynas) faaliyetlerinin, 2'in sonuna kadar tam üretime yükselmesiyle mayınlı toprakların artan payına katkıda bulunacağı beklenmektedir.

Monazit yaygındır; Avustralya’ya ek olarak Hindistan, Brezilya, Malezya, Bağımsız Devletler Topluluğu, ABD, Tayland, Sri Lanka, Kongo Demokratik Cumhuriyeti, Güney Kore ve Güney Afrika’da bulunur.

loparit

Loparite, esas olarak titanyum, niyobyum ve tantal içeriği ile kazınan ve cevherden elde edilen nadir toprak mineralleri ile üretilen kompleks bir mineraldir. Bu cevher daha çok kuzeybatı Rusya'daki ve Paraguay'daki Kola Yarımadası'nda görülür. Nadir toprak dağılımı Bastnasit'inkine benzer, ancak yoğun latantan ve itriyum konsantrasyonları önemli derecede yüksektir.

Ksenotim

Ksenotime, monazite benzeyen ancak ağır lantanitler ve itriyumla zenginleştirilmiş bir fosfat mineralidir. Uzun yıllardır mayınlı ancak 1 yıllarından beri mayınlı nadir toprakların sadece yüzde 1970'ine katkıda bulunmuştur. Xenotime, monazit olarak az miktarda radyoaktif bileşik U3O8 ve Thoxnumx içerir. Yüksek itriyum ve ağır lantanit konsantrasyonları nedeniyle, ksenotime, tek tek nadir toprak elementleri için başlangıç ​​malzemesi olarak kullanılır, ağır nadir toprakların karışımı olarak kullanılmaz. Xenotime'in ana üreticisi Malezya; Mevduat ayrıca Norveç ve Brezilya'da da bildirilmektedir.

Elektronik yapı ve iyonik yarıçap

Nadir toprakların kimyasal, metalurjik ve fiziksel davranışı, bu elementlerin elektron konfigürasyonu ile belirlenir. Genel olarak bu elementler üç değerliklidir, R3 +, ancak bazılarının farklı değerleri vardır. Her lantanidin 4f elektron sayısı, 4f elektronlarının sayısı ve R3 + iyonu için iyonik yarıçaplar tablosunda verilmiştir. 4f elektronları, dıştaki üç valans elektronundan daha düşük enerjilere sahiptir ve dış üç valans elektronunun radyal olarak içine doğru uzanırlar (yani, 4f elektronları "lokalizedir" ve iyon çekirdeğinin bir parçasıdır) ve bu nedenle, eğer biri ise diğer elementlerle doğrudan bağlanmaya dahil değildir Bağlantı kurulur. Bu nedenle, lantanitler kimyasal olarak benzerdir ve ayrılması zordur ve farklı minerallerde birlikte meydana gelir. 14 lantanit ve lantan için dış veya değerlik elektronları eşittir, 5d6s2; Scandium 3d4s2 için; ve itriyum 4d5s2 için. Lantanitlerin kasılması ve 4f elektronlarının değerlik elektronları ile hibridizasyonu veya karıştırılması nedeniyle lantanitlerin kimyasal özelliklerinde bazı farklılıklar vardır.

Lantan'ın sistematik ve hatta azalmasına lutetiuma lantanid kasılması denir. Bir lantanitten diğerine geçerken elektronun ekstra 4f elektronu tarafından tamamen korunmadığı nükleer yükteki artıştan kaynaklanmaktadır. Bu arttırılmış etkili şarj, yüksek atomik sayıdaki lantanitlerin daha küçük yarıçapını dikkate alarak, elektronları (hem çekirdek hem de dış değer elektronları) çekirdeğe yaklaştırır. Lantanid daralması, lantanumun lütetium bazitesine indirgenmesine katkıda bulunur ve çeşitli ayırma tekniklerinin temelini oluşturur.

4f elektronları, lantanit serilerinde, lantanumdan seryuma kadar praseodimime kadar ilerlerken eklenirken, elektron dönmesi nedeniyle manyetik bir momenti olan elektronlar, aynı dönme yönünü korur ve momentler birbirlerine paralel olarak hizalanır. 4f düzlemi yarı dolu olana kadar, yani gadolinyumdaki yedi 4f elektronu ile. Bir sonraki elektron Pauli'nin dışlama ilkesine göre anti-paralel olarak hizalanmalıdır, böylece iki 4f elektronu eşleşir. Bu, 14'a kadar devam eder. Elektron, tüm 4f elektron spinlerinin eşleştirildiği ve lutetiumun 4f manyetik momentinin olmadığı lutetiuma eklenir.

4f elektron konfigürasyonu son derece önemlidir ve lantanit elemanlarının manyetik ve optik davranışlarını belirler; Örneğin, güçlü Nd2Fe14B daimi mıknatısların özel özellikleri neodimyumdaki üç 4f elektronundan kaynaklanmaktadır ve katod ışını tüpleri kullanılarak optik görüntülerde kırmızı renk, ana renkte bir bileşik içinde europium iyonu ile sağlanırken yeşil renk terbiyum tarafından sağlanır.

Daha önce belirtildiği gibi, birkaç lantanit farklı bir değerlik durumuna sahip olabilir, R = seryum, praseodimyum ve terbiyum için R4 + ve R = samaryum, öropiyum ve iterbiyum için R2 +. Bu ek değerlik durumları, boş, yarı dolu ve tam dolu elektronik seviyelerin genellikle daha kararlı durumlar olduğunu belirten Hundes Kuralının çarpıcı bir örneğidir: Ce4 + ve Tb4 +, sırasıyla boş ve yarı dolu 4f seviyesine bir f elektron verir. ve Eu2 + ve Yb2 +, sırasıyla yarı dolu ve tamamen dolu 4f seviyelerini vermek için bir f elektronu kazanır. Nadir durumlarda Pr4 + ve Sm2 +, bir f-elektronundan vazgeçerek veya kazanarak ek kararlılık kazanabilir. Her iki durumda da eğilim gösterirler, ancak boş veya yarı dolu seviyeye ulaşmazlar. Bir 4f elektronunu bir R4 + iyonuna vererek, seryum, praseodim ve terbiyum yarıçapları küçülür, 0,80, 0,78 ve 0,76 Å. Tersine, samaryum, öropiyum ve iterbiyum, değerlik elektronlarından bir R4 + iyonuna 2f elektron kazanır ve yarıçapları sırasıyla 1,19, 1,17 ve 1,00 Å'ye çıkar. Kimyagerler, bu değerlik değişikliklerini Ce4 +, Eu2 + ve Yb2 + 'yı diğer üç değerlikli R3 iyonlarından nispeten ucuz kimyasal yöntemlerle ayırmak için kullandılar. CeO2 (Ce'nin tetravalan olduğu) normal kararlı oksit formudur, praseodim ve terbiyum oksitleri, hem tetra hem de üç değerlikli durumları içeren Pr6O11 ve Tb4O7 stokiometrisine sahiptir - yani 4PrO2 ∙ Pr2O3 ve 2TbO2 ∙ Tb2O3. Sm2 +, Eu2 + ve Tb2 + iki değerlikli iyonlar dihalidler oluşturur - örneğin SmCl2, EuCl2 ve YbCl2. Birkaç öropiyum oksit stokiyometrisi bilinmektedir: EuO (Eu2 +), Eu2O3 (Eu3 +) ve Eu3O4 (örneğin EuO ∙ Eu2O3).

Skandiyumun iyonik yarıçapı, en küçük lantanit olan lutesyumdan çok daha küçüktür: 0,745 Å ve 0,861 Å. Skandiyumun yarıçapı, normal metal iyonlarından biraz daha büyüktür - örneğin Fe3 +, Nb5 +, U5 + ve W5 +. Bu, skandiyumun normal nadir toprak minerallerinin hiçbirinde, genellikle ağırlıkça yüzde 0,01'den fazla bulunmamasının ana nedenidir. Bununla birlikte, skandiyum, diğer cevherlerin (örn. Wolframit) işlenmesinde ve maden atıklarından (örn. Uranyum) bir yan ürün olarak elde edilir. Öte yandan, 0,9 Å itriyum yarıçapı holmiyumun yarıçapı 0,901 Å ile hemen hemen aynıdır ve bu, ağır lantanit minerallerinde itriyumun varlığını açıklar.

En nadir bulunan toprak metalleri üç değerine sahiptir; Ancak, Cer's 3,2 ve europium ve ytterbium iki değerlidir. Bu, metalik yarıçaplar atom numarasının bir fonksiyonu olarak temsil edildiğinde ortaya çıkar. Üç değerlikli metallerin metal yarıçapları normal lantanid büzülmesine sahiptir, ancak yarıçapı üç değerlikli metaller tarafından tanımlanan çizginin altına düştüğü seryumda ve yarıçaplarının bu çizginin çok üzerinde olduğu europium ve iterbiyumda net bir sapma meydana gelir.

Europium ve itterbium için erime noktaları, bu iki metalin çift değerli doğası ile de tutarlı olan, atom numarasına karşı çizildiğinde bitişik üç değerlikli lantanitlerinkinden önemli ölçüde daha düşüktür. Üç değerli latantan metallere kıyasla, europium ve iterbiyumun diğer fiziksel özelliklerinde de anormallikler gözlenir (metallerin özellikleri için aşağıya bakınız).

Tablo, nadir toprak elementleri için 4f elektronlarının sayısını ve R3 + iyonunun yarıçapını göstermektedir.

4f elektron sayısı ve R3 + iyonu için iyonik yarıçaplar
Nadir topraklar Eleman	Sayısı 4f elektronları	Sayısı eşleşmemiş 4f elektronları	iyonik yarıçap (A)
La	0	0	1.045
Ce	1	1	1.01
Pr	2	2	0.997
Nd	3	3	0.983
Pm	4	4	0.97
Sm	5	5	0.958
Eu	6	6	0.947
Gd	7	7	0.938
Tb	8	6	0.923
Dy	9	5	0.912
Ho	10	4	0.901
Er	11	3	0.890
Tm	12	2	0.880
Yb	13	1	0.868
Lu	14	0	0.861
Sc	0	0	0.745
Y	0	0	0.900

 

Nadir toprak cevherlerinin işlenmesi

Tüm nadir toprak cevherleri, REO'nun yüzde 10'inden daha azını içerir ve daha sonraki işlemler için yüzde 60'e yükseltilmesi gerekir. İlk önce bir toza öğütülür ve daha sonra manyetik ve / veya elektrostatik ayırma ve yüzdürme dahil olmak üzere çeşitli standart işlemlerle cevherdeki diğer malzemelerden ayrılır. Mountain Pass Bastnasit durumunda, ağır ürünleri, baritleri (BaSO4) ve Celestite'i (SrSO4) kaldırmak için, bastnasit ve diğer hafif mineraller ayrılarak çökeltilerek sıcak bir köpük yüzdürme işlemi kullanılır. Yüzde 60 REO konsantresi, kalsiti (CaCO10) çözmek için yüzde 3 HC1 ile işlenir. Çözünmeyen artık, şimdi yüzde 70 REO, Ce3 + 'ı Ce4 + durumuna yükseltmek için kavrulur. Soğutulduktan sonra, malzeme HC1 ile süzülür ve üç değerlikli nadir toprakları (lantan, praseodim, neodim, samaryum, europium ve gadolinyum) eritir ve çeşitli kalitelerde pazarlanan seryum konsantresini terk eder. Europium, europium'un iki değerli formuna indirgenmesiyle diğer lantanlardan kolayca ayrılabilir ve kalan çözünmüş lantanitler, çözücü özü çıkarılarak ayrılır. Diğer bastnasitlere benzer şekilde muamele edilir, ancak kesin reaktifler ve prosedürler çeşitli cevherlerin diğer bileşenlerinden farklıdır.

Monazite ve ksenoit cevherleri, her ikisi de fosfat mineralleri oldukları için esasen aynı muamele görürler. Monazit veya ksenotim, yerçekimi, elektromanyetik ve elektrostatik tekniklerin bir kombinasyonu ile diğer minerallerden ayrılır ve daha sonra asidik işlem veya bazik işlemle ayrılır. Asit işleminde Monazite veya Xenotime, 150 ila 200 ° C (302 ila 392 ° F) arasındaki sıcaklıklarda konsantre sülfürik asit ile işlenir. Çözelti, çözünür nadir toprak ve toryum sülfatlar ve fosfatlar içerir. Toryumun nadir topraklardan ayrılması oldukça karmaşıktır çünkü hem toryumun hem de nadir toprak elementlerinin çözünürlükleri sıcaklık ve asitliğe bağlı olarak değişir. Çok düşük ve orta asit değerleri ile ayırma mümkün değildir. Asit içeriği düşükse, toryum fosfat çözeltiden çöker ve çözeltide nadir toprak sülfatları kalır, asit içeriği yüksekse bunun tersi olur - nadir toprak sülfat çözünmez ve toryum çözünür. Toryum nadir toprak elementlerinden çıkarıldıktan sonra, bunlar karışık konsantre olarak kullanılır veya ayrı ayrı elementler için işlenir (aşağıya bakınız).

Temel işlemde, ince öğütülmüş monazit veya ksenotime, yüzde 70 oranında bir sodyum hidroksit çözeltisi (NaOH) ile karıştırılır ve 140-150 ° C'de (284-302 ° F) bir otoklavda birkaç saat bekletilir. Suyun eklenmesinden sonra, çözünür sodyum fosfat (Na3PO4), hala yüzde 3-5 yüzde toryum içeren çözünmez R (OH) 10'ten üretilir. Toryumu çıkarmak için iki farklı yöntem kullanılabilir. Bir işlemde, hidroksit hidrojen klorür (HC1) veya nitrik asit (HNO3) içinde çözülür ve ardından toryum hidroksit (Th (OH) 4) NaOH ve / veya amonyum hidroksit (NH4OH) ilavesi ile seçici olarak çökeltilir. Diğer yöntemde, pH'ı RCN3'i çözündürmek üzere yaklaşık 3'e düşürmek için hidroksite HCI eklenir ve çözünmeyen Th (OH) 4 biriktirilir. Toryumsuz nadir toprak çözeltisi, hidratlanmış klorür, karbonat veya hidroksit'e dönüştürülür ve karışık bir konsantre olarak satılır veya ayrı ayrı elemanların ayrılması için bir başlangıç ​​materyali olarak kullanılabilir (aşağıya bakınız).

Nadir toprakların ayrılma kimyası

Bugün kullanılan nadir toprak ayırma işlemleri, İkinci Dünya Savaşı sırasında ve sonrasında ABD Atom Enerjisi Komisyonu'nun (AEC) çeşitli laboratuvarlarında geliştirildi. İyon değişim süreci üzerine çalışma, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda (Oak Ridge, Tennessee) Gerald E. Boyd ve arkadaşları tarafından ve Ames Laboratuvarı'nda (Ames, Iowa) Frank Harold Spedding ve arkadaşları tarafından gerçekleştirildi. Her iki grup da iyon değişim işleminin nadir toprakları ayırmak için en azından küçük ölçekte çalışacağını gösterdi. 1950'lerde Ames grubu, kilogramlık yüksek saflıkta (> yüzde 99,99) nadir bulunan toprak elementlerini ayırmanın mümkün olduğunu gösterdi. Bu, elektronik, manyetik, fosfor ve optik uygulamalar için büyük miktarlarda yüksek saflıkta nadir toprak elementlerinin kullanıma sunulduğu modern nadir toprak endüstrisinin başlangıcıydı.

Donald F. Peppard ve Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndan meslektaşlar (Chicago'nun yanında, Ill.) Ve Boyd Weaver ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı personeli, XNXX'lerin ortasında nadir toprak ayrımı için sıvı-sıvı çözücü ekstraksiyon yöntemi geliştirdi. Bu yöntemle, nadir bulunan tüm toprak üreticileri, yüzde 1950 ile 95 arasında değişen saflıklara sahip ayrı elemanlar halinde karışımları ayırır. İyon değiştirme işlemi daha yavaştır, ancak yüzde 99,9'ten daha yüksek saflıklara (yani 99,9999999 nines veya daha iyisi) ulaşılabilir. 5'ten 5'e kadar olan saflıkların saflığının gerekli olduğu optik ve fosfor içeren malzemeler için, tek nadir toprak elementi, ilk önce yaklaşık yüzde 6 olan bir saflığa solvent ekstraksiyonu ile saflaştırılır ve daha sonra özel uygulama için gereken saflığa iyon değişimi ile daha da işlenir.

iyon değiştirme

İyon değiştirme işleminde, çözelti halindeki bir metal iyon olan R3 +, bir katı iyon değiştirici üzerinde üç proton ile değişmektedir - doğal bir zeolit ​​veya genellikle reçine olarak adlandırılan sentetik bir reçine. Katyonun reçine tarafından tutulma mukavemeti iyonun boyutuna ve yüküne bağlıdır. Nadir toprakların ayrılması mümkün değildir, çünkü reçine yeterince seçici değildir. Ayırma, bir kompleks oluşturucu ajan katılarak mümkündür; Komşu lantanit iyonlarının R3 + iyon kompleksinin kuvveti, bir nadir topraktan diğerine yeterince değiştiğinde, ayrılma meydana gelir. Nadir toprakları ayırmak için iki yaygın kompleks yapıcı ajan, etilendiamintetraasetat (EDTA) ve hidroksietilendiamin triasetattır (HEDTA).

0,1 mm (0,004 inç) çapında reçine boncukları uzun bir sütuna doldurulur ve reçine yatağı bir asidin sütun içinden geçirilmesiyle yapılır. Daha sonra, kompleks yapıcı madde ve Cu2 + veya Zn2 + gibi bir tutma iyonu içeren karışık nadir bir toprak asidi çözeltisi ile yüklenir. İlk nadir toprak iyonunun yayılmasını ve ayrılma işlemi sırasında kaybolmasını önlemek için tutma gereklidir. Bir eluent, amonyum (NH4), nadir toprakları iyon değişim kolonlarından iter. En kararlı kompleks önce ortaya çıkar, yani bakır veya çinko kompleksi, bunu takiben lityum, iterbiyum, diğer latantanlar (ve kompleks yapıcı maddeye bağlı olarak çoğunlukla disodyum ve holmium yakınında meydana gelen itriyum) ve son olarak da lantan görülür. Bireysel nadir toprak kompleksleri R3 +, minimum bitişik bantların üst üste binmesi ile dikdörtgen bantlar oluşturur. Verilen nadir toprak çözeltisi toplanır ve R3 + iyonu oksalik asit ile çözeltiden çökeltilir. Nadir toprak oksalat havada 800-1.000 ° C'ye (1.472-1.832 ° F) ısıtılarak okside dönüştürülür.

solvent ekstraksiyon

Sıvı-sıvı çözücü ekstraksiyon işlemi, çözünmüş nadir topraklar içeren iki karışmayan veya kısmen karışmayan çözücü kullanır. İki sıvı karıştırılır, çözünenler denge sağlanana kadar iki faz arasında dağıtılır ve ardından iki sıvı ayrılır. İki fazdaki çözünen maddelerin konsantrasyonları, iki çözücü için nispi afiniteye bağlıdır. İstenilen çözünen maddeyi içeren ürüne (sıvı) geleneksel olarak "özüt", diğer fazda kalan kalıntı ise "rafine" olarak adlandırılır. Nadir toprakların ayrılmasını etkilemenin en iyi yolu, birçok karıştırıcı-çökeltme tankı veya hücresi ile sürekli çalışmada çok aşamalı bir karşı akım ayırıcı kullanmaktır. A'nın organik faz için daha büyük bir afiniteye sahip olması ve B'nin sulu faz için daha büyük bir afiniteye sahip olması durumunda, organik faz A'da ve sulu faz B'de zenginleştirilir. Nadir toprak elementleri için, yukarıdaki örnekteki gibi iki değil, aynı anda ayrılmış birkaç nadir toprak olduğu için çok daha karmaşıktır. Tributil fosfat (TBP), nitrik asidin kuvvetli asidik sulu fazından nadir toprak iyonunu çıkarmak için organik faz olarak kullanılır. Di-2-etilheksil ortofosforik asit ve uzun zincirli aminler gibi diğer özütleyiciler de kullanılmıştır.

Nadir toprak metallerinin hazırlanması

Belirli bir metalin erime ve kaynama noktasına (metallerin özelliklerine bakınız) ve belirli bir uygulama için gereken metalin saflığına bağlı olarak, nadir bulunan toprak metallerini üretmek için çeşitli yöntemler vardır. Yüksek saflıkta metaller için (yüzde 99 ya da daha iyisi), düşük erime noktalı lantanlar (lantan, seryum, praseodim ve neodim) için kals-termal ve elektrolitik işlemler, refrakter metaller için kals-termal işlemler (sodyum, itriyum, gadyum, terbiyum, eryum, terbiyum, eryum, teryum, eryum ve hepsi ticari kalitede metaller (% 95-98 yüzde saf) üretmek için kullanılan yüksek basınçlı metaller (samaryum, europium, thulium ve iterbiyum) için lutetium ve bir başka işlem (latanotermik işlem).

Kalzotermik süreç

Kalkotermal proses, yüksek buhar basınçlarına sahip dört tanesi hariç tüm nadir toprak metalleri için kullanılır - yani düşük kaynama noktaları. Nadir toprak oksit, RF3 oluşturmak için susuz hidrojen florür (HF) gazı ile ısıtılarak florüre dönüştürülür. Florür ayrıca, önce oksidin sulu HC3 asidinde çözülmesi ve ardından çözeltiden RF1.450 bileşiğini çökeltmek için sulu HF asidi eklenmesiyle de hazırlanabilir. Florür tozu, kalsiyum metal ile karıştırılır, bir tantal pota içine yerleştirilir ve R'nin erime noktasına bağlı olarak 2.642 ° C (3 ° F) veya daha yüksek bir sıcaklığa ısıtılır. Kalsiyum, kalsiyum florür (CaF2) ve R oluşturmak için RF2 ile reaksiyona girer. Bu iki ürün karışmadığından, CaF2 metal üzerinde yüzer. Oda sıcaklığına soğutulduğunda, CaFXNUMX, R'den kolayca ayrılır. Metal daha sonra fazla kalsiyumu buharlaştırmak için tantal pota içinde yüksek vakumda erime noktasının üzerine ısıtılır. Bu noktada, R süblimasyon veya damıtma yoluyla daha da saflaştırılabilir. Bu işlem, samaryum, öropiyum, tulium ve iterbiyum dışındaki tüm nadir toprakları yapmak için kullanılır.

Çin'de, ticari ölçekli kireç ısıl indirgemesi genellikle grafit potalarda gerçekleştirilir. Bu, üretilen metallerin, erimiş nadir toprak metallerinde kolayca çözünen karbon ile güçlü kirlenmelerine yol açar. Alümina (Al2O3) veya zirkonya (ZrO2) gibi geleneksel oksit potaları, nadir toprak metallerinin kalsinerik indirgenmesi için uygun değildir, çünkü erimiş nadir topraklar, alüminyumu veya zirkonyumu oksitlerinden hızla azaltır ve karşılık gelen nadir toprak elementini oluşturur.

Elektrolitik işlem

Düşük erime noktalı metaller (lantan, seryum, praseodim ve neodim) oksitten iki elektrolitik işlemden biri ile hazırlanabilir. İlk yöntem oksidi klorüre (veya florür) dönüştürmek ve sonra bir elektrolitik hücrede halojenürü azaltmaktır. Akım yoğunluğu yaklaşık 10 A / cm2 olan bir elektrik akımı, karbon anottaki RCI3 (RF3) gazını ve molibden veya tungsten katodundaki sıvı R metalini azaltmak için hücre içinden geçirilir. Elektrolit, RCI2 (RF2) ve NaCl'den (NaF) oluşan erimiş bir tuzdur. Elektrolitik olarak üretilen lantanitler, kals-ısıl işlemle hazırlananlar kadar saf değildir.

İkinci elektrolitik işlem, bir RF3-LiF-CaF2 erimiş tuzunda oksiti doğrudan azaltır. Bu işlemdeki ana problem, oksit çözünürlüğünün oldukça düşük olması ve erimiş tuz çözeltisindeki oksijen çözünürlüğünün kontrolünün zor olmasıdır.

Elektrolitik işlem, 1.050 ° C'nin (1.922 ° F) altında eriyen nadir toprak metalleri ile sınırlıdır, çünkü çok daha yüksek erimiş olanlar elektroliz hücresi ve elektrotlar ile reaksiyona girerler. Sonuç olarak, elektrolitik hücre ve elektrotlar sık ​​sık değiştirilmeli ve üretilen nadir toprak metalleri oldukça kirlenmiştir.

Büyük ticari uygulamalar, nikel-metal hidrit piller için ayrı ayrı metal lantan, Nd2Fe14B sabit mıknatıslar için neodimyum ve alaşım ajanları ve çakmaktaşları için mischmetal kullanır. Karışım metal, nadir toprak içeriğinin mayınlı cevherlerle aynı olduğu nadir bir toprak konsantresinden indirgenen nadir toprak elementlerinin bir karışımıdır (yani, genellikle yaklaşık yüzde 50 seryum, yüzde 25 latanhan, yüzde 18 yüzde neodim ve yüzde 7 praseodim). Lantan ve neodimyum metaller çoğunlukla oksitlerin doğrudan elektrolitik indirgenmesiyle üretilir. Mischmetal genellikle karışık RCl3’in elektrolizi ile yapılır.

Samaryum, europium, thulium ve iterbiyum üretimi: lantanlı termik proses

İki değerlikli metaller öropiyum ve iterbiyum, yüksek buhar basınçlarına - veya atom numarasına bağlı olarak gösterimden görülebileceği gibi, diğer nadir toprak elementlerinden daha düşük kaynama noktalarına sahiptir - bu da metalotermal veya elektrolitik süreçlerle üretimlerini zorlaştırır. Samaryum ve tulium da diğer lantanit metalleri ile skandiyum ve itriyum ile karşılaştırıldığında düşük kaynama noktalarına sahiptir. Dört yüksek buhar basınçlı metal, R2O3'ün (R = samaryum, öropyum, tulium ve iterbiyum) ince lantan metal parçaları ile karıştırılması ve karışımın uzun bir tantal potanın dibine yerleştirilmesiyle yapılır. Karışım, R'ye bağlı olarak 1.400-1.600 ° C'ye (2.552-2.912 ° F) ısıtılır. Lantan metali R2O3 ile reaksiyona girerek lantan oksit (La2O3) oluşturur ve R buharlaşır ve potanın tepesindeki bir kondansatörde toplanır, bu da potanın tabanındaki reaksiyon karışımından yaklaşık 500 ° C daha soğuktur. Dört metal, metali tekrar süblimleştirerek daha da saflaştırılabilir.

 

Nadir toprak metallerinin özellikleri

Daha önce de belirtildiği gibi, nadir toprak elementleri - özellikle lantanitler - oldukça benzerdir. Doğada birlikte meydana gelirler ve tamamen ayrılmalarını sağlamak zordur. Bununla birlikte, özellikle saf metalik elementlerin fiziksel özelliklerinde bazı göze çarpan farklılıklar vardır. Örneğin, erime noktaları neredeyse iki kat, buhar basınçları ise bir milyardan fazla farklıdır. Bunlar ve diğer ilginç gerçekler aşağıda açıklanmıştır.

kristal yapıları

Europium dışındaki tüm nadir toprak metalleri, yoğun şekilde paketlenmiş dört yapının birinde kristalleşir. Biri lantanit serisi boyunca lantandan lutetiuma ilerlerken, kristal yapılar yüz merkezli kübikten (fcc) altıgen kapalı paketlenmiş (hcp) 'ye, iki ara yapı fcc ve hcp katmanlarından oluşan iki ara yapı ile değişir. Yüzde 50 her katmandan (çift altıgen [dhcp]) ve diğer üçte biri fcc ve üçte ikisi hcp'den (sm tipi) oluşur. İki ara yapı, tüm metalik elementlerin kristal yapıları arasında benzersizdir, fcc ve hcp yapıları oldukça yaygındır.

Birkaç element yoğun olarak paketlenmiş iki yapıya sahiptir: lantan ve seryum fcc ve dhcp yapılarına sahiptir, samaryum sm ve hcp yapılarına sahiptir ve iterbiyum fcc ve hcp yapılarına sahiptir. Bu yapıların varlığı sıcaklığa bağlıdır. Yoğun biçimde paketlenmiş yapılara ek olarak, çoğu nadir toprak metalinin (skandiyum, itriyum, samaryumdan lanthanum ve disprosiyumdan gadolinyum) yüksek sıcaklıkta kübik (bcc) bir polimorfik vücut merkezileştirme ajanı bulunur. İstisnalar, 0 K (-273 ° C veya -460 ° F) 'den 822 ° C (1.512 ° F) bcc'deki erime noktasına kadar olan europium ve hcp- ile ilişkili holmium, erbium, thulium ve lutetium'dur. Yapı monomorfiktir. Seryum, terbiyum ve disprosiyum düşük sıcaklık dönüşümlerine sahiptir (oda sıcaklığının altında). Cer'nin değeri değerlilikten kaynaklanırken, terbiyum ve disprosiyumun manyetik kaynaklı olması nedeniyle.

erime noktaları

Lantanit metallerinin erime noktaları, lityum için seryum için 798 ° C (1.468 ° F) atom sayısı arttıkça hızla artar, erime noktası (erime noktası sıcaklıklarının iki katına çıkarılır), Üç değerlikli lantan metallerin elementleri karşılaştırılabilir. Açık ila orta lantanitlerin düşük erime noktalarının, bağda bir 1.663f elektron katkısı nedeniyle olduğu düşünülmektedir, bu, seryumda maksimumdur ve atom sayısı erbiyumda sıfıra yükseldikçe azalır. Europium ve iterbiyumun düşük erime noktaları, değer kaybından kaynaklanmaktadır.

kaynama

Nadir toprak metallerinin kaynama noktaları neredeyse üç kat faktöre göre değişir. Lantan, seryum, praseodim, itriyum ve lutetiyum olanlar tüm kimyasal elementlerin en yüksekleri arasında yer alırken, europium ve iterbiyum olanlar en düşük kaynama noktalarına sahip metaller grubunda sınıflandırılabilir. Bu büyük fark, atomların katı metal içindeki elektronik yapılarındaki ve ilgili gazdaki farkından kaynaklanmaktadır. En yüksek kaynama noktalarına sahip üç değerlikli katı metaller için, gaz atomu üç dış elektrona (5d16s2) sahipken, düşük kaynama noktasına sahip olan iki değerli katı metaller sadece iki dış elektronlu 6s2'e sahiptir. Ara kaynama noktalarına sahip lantanitler üç katılı katılardır, fakat gaz halindeki formları sadece iki dış elektrona, 6s2'e sahiptir. Katı metallerin elektronik hallerinde, karşılık gelen gaz atomlarına kıyasla bu fark, gözlemlenen davranışı açıklar.

Elektriksel özellikleri

Nadir toprak metallerinin elektrik dirençleri, metalik elementlerin elektriksel direnç değerlerinin ortasına düşen 25 ve 131 mikro-ohm-cm (μΩ-cm) arasındadır. Çoğu üç değerlikli nadir toprak metalleri, yaklaşık 60 ila 90 μΩ-cm arasındaki oda sıcaklığı değerlerine sahiptir. Düşük 25 μΩ-cm değeri iki değerli fcc-itterbium metal içindir, en büyük iki değer, gadolinyum (131 μΩ-cm) ve terbiyum (115 μΩ-cm) elektriksel direncin manyetik katkısından kaynaklanmaktadır. bir malzemenin manyetik sipariş sıcaklığının yanında ortaya çıkar.

Lanthanum metal, atmosferik basınçta tek süper iletken (yani elektriksel direnç yok) nadir toprak metalidir, skandiyum, itriyum, seryum ve lutetium da süper iletkendir, ancak yüksek basınç altındadır. Lantan'ın fcc modifikasyonu Ts = 6,0 K (-267,2 ° C veya -448,9 ° F) 'de süper iletken olur, dhcp polimorfu ise bir TsNNNXX K (-5,1 ° C veya -268,1 ° F)' ye sahiptir.

Manyetik özellikleri

Nadir toprak metallerinin, alaşımların ve bileşiklerin manyetik özellikleri, eşleşmemiş 4f elektronlarının sayısına büyük ölçüde bağlıdır. Eşleşmemiş elektron olmayan metaller (skandiyum, itriyum, lantan, lutetium ve bivalent iterbiyum), diğer pek çok metal dışı metalde olduğu gibi, oldukça manyetiktir. Lantanitlerin geri kalanı, tülyumdan seryum, yüksek oranda manyetiktir çünkü eşleştirilmemiş 4f elektronlarına sahiptirler. Bu lantanitleri en büyük manyetik metal ailesi yapar. Manyetik sipariş sıcaklığı genellikle eşlenmemiş 4f elektron sayısına bağlıdır. Yaklaşık 13 K (-260 ° C veya -436 ° F) 'de eşleştirilmemiş elektronik siparişi ile seryum ve oda sıcaklığında yedi (mümkün olan maksimum sayı) siparişi ile gadolinyum. Lantanidin diğer tüm manyetik sipariş sıcaklıkları bu iki değer arasındadır. Gadolinyum oda sıcaklığında ferromanyetiktir ve 3D elektronik elemanlarının (demir, kobalt ve nikel) yanı sıra bunu yapan tek elementtir. Manyetik kuvveti, etkili manyetik momenti ile ölçüldüğü gibi, aynı zamanda yörüngesel hareketine bağlı olduğundan, eşleşmemiş 4f elektron sayısı ile daha karmaşık bir korelasyona sahiptir. Bunu göz önünde bulundurarak, çok yakın bir saniye içinde, disprosyumdaki maksimum etkili manyetik momenti holmium ile bulur, 10,64 ve 10,60 sondaj magnetonları; gadolinyumun değeri 7,94'tir.

Nadir toprak metalleri, sıcaklıkla değişen egzotik (ve bazen de karmaşık) manyetik yapılara sahiptir. Lantanitlerin çoğu en az iki manyetik yapıya sahiptir. Gadolinyum oda sıcaklığında en basit yapıya sahiptir. Tüm 4f spin'leri birbirine paralel bir yönde hizalanır; bu yapıya ferromanyetik gadolinyum denir. Diğer birçok lantanit metalleri bazen birbirine zıt hizalanmış 4f dönmelere sahiptir, fakat çoğunlukla sadece kısmen; Bunların tümü, dönüşlerin tamamen mi yoksa kısmen mi telafi edildiğine bakılmaksızın, antiferromagnetik metaller olarak adlandırılır. Antiferromagnetik yapıların çoğunda, spinler sarmal yapılar oluşturur.

Termal genleşme

Altıgen metallerin LCTE değerlerini karşılaştırırken, yoğun paketlenmiş yönde termal genleşme her zaman düzlemlerden (A, B ve C katları) daha büyüktür. Europium ve itterbium için anormal derecede büyük LCTE değerleri, bu iki metalin iki değerli karakterini tekrar doğrular.

Elastik özellikleri

Diğer nadir toprak element özelliklerinde olduğu gibi, nadir toprak metallerinin elastikiyet modülleri diğer metal elementlerin orta yüzdeliğine düşer. Skandiyum ve itriyum için değerler, lantanitlerin uç uzuvlarının değerleriyle aynıdır (erbiyaumdan lutetiuma). Young modülünde, atom sayısının artmasıyla birlikte genel bir artış var. Seryum (yaklaşık 4f bağlanması) ve iterbiyum (divalence) için anormal değerler açıktır.

Mekanik özellikler

Nadir toprak metalleri ne zayıf ne de özellikle güçlü metalik elementlerdir ve süneklikleri düşüktür. Mekanik özellikler metallerin saflığına ve bunların ısı gelişimine çok bağlı olduğu için, literatürde verilen değerleri karşılaştırmak zordur. Kırılma mukavemeti, yaklaşık 120 ila yaklaşık 160 MPa (megapascals) ve süneklik yüzdesi yaklaşık 15 ila 35 arasında değişir. Ytterbium'un gücü (europium ölçülmedi) çok daha küçüktür, 58 MPa ve süneklilik iki değerlikli metal için beklendiği gibi yüzde 45 civarındadır.

Kimyasal özellikleri

Nadir toprak metallerinin hava ile reaktivitesi, ışık lantanitler ve ağır olanlar arasında önemli bir fark gösterir. Hafif lantanitler, ağır lantanlardan (lutetiumdan gadolinyum), skandiyumdan ve itriyumdan çok daha hızlı oksitlenirler. Bu fark, kısmen, oluşan oksit ürününün varyasyonundan kaynaklanmaktadır. Işık lantanitler (neodim yoluyla lantan) altıgen R2O3 A tipi yapıyı oluşturur; orta lantanitler (gadolinyumdan samaryum) B-tipi monoklinik R2O3 fazını oluşturur; ağır lantanitler, skandiyum ve itriyum, C-tipi kübik R2O3 modifikasyonunu oluşturur. A tipi, beyaz kaplamayı parçalayacak ve taze metal yüzeyi açığa çıkararak oksidasyona izin verecek bir oksihidroksit oluşturmak için havadaki su buharıyla reaksiyona girer. C tipi oksit, alüminyumun davranışına benzer şekilde daha fazla oksidasyonu önleyen yoğun, uyumlu bir kaplama oluşturur. B tipi R2O3 fazını oluşturan Samaryum ve gadolinyum, ağır lantanlardan, skandiyumdan ve itriyumdan biraz daha hızlı oksitlenir, ancak yine de oksidasyonu önleyen yapışkan bir kaplama oluşturur. Bu nedenle, hafif lantanitlerin bir vakumda veya koruyucu bir gaz atmosferi altında depolanması gerekirken, ağır lantanitler, skandiyum ve itriyum oksidasyon olmadan yıllarca açık havada kalabilir.

Bcc yapılı europium metal, nadir bulunan dünyanın en hızlı nemli havasıyla oksitlenir ve her zaman koruyucu bir gaz atmosferi altında işlem görmelidir. Europium'un nemli havaya maruz kaldığı reaksiyon ürünü, diğer nadir toprak metallerinin bir oksit oluşturması nedeniyle alışılmadık bir reaksiyon ürünü olan sulu bir hidroksit, Eu (OH) 2-H2O'dur.

Metaller, hidroflorik asit (HF) dışındaki tüm asitlerle şiddetli reaksiyona girer, H2 gazı salınır ve karşılık gelen nadir toprak anyon bileşiğini oluşturur. Hidroflorik aside dahil edildiğinde, nadir toprak metalleri, daha fazla reaksiyonu önleyen çözünmeyen bir RF3 kaplama oluşturur.

Nadir toprak metalleri, hidrojen gazı ile RH2'e ve ağır hidrasyon koşulları altında, bir trihidrit oluşturmayan skandiyum hariç, RH3 fazına kolayca reaksiyona girer.

Bağlantıları

Nadir toprak elementleri, periyodik tablodaki 7. grup metalleri (manganez, teknesyum ve renyum) ve 2. grupta en solda bulunan berilyum ve magnezyum da dahil olmak üzere sağındaki tüm elementlerle on binlerce bileşik oluşturur - önemli bileşik serileri ve benzersiz özelliklere sahip bazı bireysel bileşikler veya olağandışı davranış aşağıda açıklanmıştır.

Oksit

Şimdiye kadar araştırılan en büyük inorganik nadir toprak bileşikleri ailesi oksitlerdir. En yaygın stokiyometri R2O3 bileşimidir, ancak birkaç lantanit elementi 3+ dışında başka değerlik durumlarına sahip olduğundan, başka stokiyometriler de mevcuttur - örneğin seryum oksit (CeO2), praseodim oksit (Pr6O11), terbiyum oksit (Tb4O7), öropiyum oksit (EuO) ve Eu3O4. Tartışmanın çoğu ikili oksitlere odaklanacak, ancak üçlü ve diğer yüksek dereceli oksitler de kısaca ele alınacak.

sesquioxides

Nadir toprak metallerinin tümü, oda sıcaklığında seskiioksiti oluşturur, ancak stabil denge bileşimi olmayabilir. R2O3 fazı için beş farklı kristal yapı vardır. A, B, C, H ve X tipleri (veya şekilleri) olarak adlandırılırlar ve bunların varlığı nadir toprak elementine ve sıcaklığa bağlıdır. A-tipi ışık lantanitleri için mevcuttur ve 2.000 ° C (3.632 ° F) ile H-tipine ve daha sonra X-tipi 100-200 ° C (180-360 ° F) daha yüksek olan H-tipine dönüşürler. B tipi orta lantanitler için mevcuttur ve ayrıca 2.100 ° C (3.812 ° F) üzerinden H-tipine ve sonra erime noktasının yakınındaki X-tipine dönüşürler. C yapısı, ağır lantanitler için ve ayrıca Sc2O3 ve Y2O3 için bulunur. C tipi R2O3 bileşikleri, 1.000 ve 2.000 ° C (1.832 ve 3.632 ° F) arasında ısıtıldıktan sonra B-tipine dönüştürülür ve erimeden önce H-tipine dönüştürülür. R2O3 fazları, hafif ve ağır R oksitleri için sırasıyla 2.300 ve 2.400 ° C (4.172 ve 4.352 ° F) arasında erime sıcaklıklarına sahip refrakter oksitlerdir, ancak yukarıdaki yapısal dönüşümler nedeniyle refrakter olarak sınırlı uygulamaları vardır.

Seskiyoksitler, periyodik tablodaki en kararlı oksitler arasındadır; serbest oluşum enerjisinin değeri (fGf0) ne kadar negatif olursa, oksit o kadar kararlı olur. Buradaki ilginç özellik, Eu2O3 ve iterbiyum oksit (Yb2O3) oluşumunun anormal serbest enerjileridir, çünkü biri diğer üç değerlikli R2O3 fazında tanımlanan çizgide veya yakınında olması gerektiğini düşünebilir. İterbiyum bu bileşiklerde her iki değerdedir. Daha az negatif ΔGf0 değerleri, europium ve iterbiyumun her ikisinin de iki değerli metaller olması ve üç değerlikli R oksit oluşturmak üzere oksijenle reaksiyona girdiğinde, iki değerlikli europium veya iterbiyumu üç değerlikli duruma getirmek için bir enerjiye ihtiyaç duyulduklarından kaynaklanır. mahkum etmek.

R2O3 bileşikleri ile ilgili çok sayıda önemli uygulama vardır; Genellikle, diğer bileşiklerle veya malzemelerle birlikte kullanılırlar. Eşleştirilmemiş 4f elektronları olmayan oksitler, lantan oksit (La2O3), lutetium oksit (Lu2O3) ve gadolinyum oksit (Gd2O3) lens olarak kullanılan optik camlara eklenir; R2O3’in görevi kırılma indisini arttırmaktır. Aynı oksitler artı itriyum oksit (Y2O3), nadir bulunan toprak bazlı fosforlar için destek malzemeleri olarak kullanılır; optik özelliklerini optimize etmek için genellikle diğer oksit malzemeleriyle karıştırılırlar. Yttrium vanadate (YVO4), yttrium oxysulfide (Y2O2S) ile birlikte en popüler konaklardan biridir.

Eşleştirilmemiş 4f elektronlarına sahip lantanit iyonlarının bazıları, elektronlar veya fotonlarla aktive edildiğinde, yoğun ve keskin renkler veren ve katod ışını tüpleri, optik göstergeler ve flüoresan lambaları olan televizyonlarda kullanılan elektronik geçişlere sahiptir; bunlar Eu3 + (kırmızı), Eu2 + (mavi), Tb3 + (yeşil) ve Tm3 + (mavi). İlgili aktivatörler R2O3-oksitler, ilgili fosfor ve karşılık gelen renk ışığını üretmek için taşıyıcıya 1-5 yüzde olarak eklenir. Eu3 + iyon yoğun kırmızı bir renge neden olur ve 1961'teki keşfi TV endüstrisinde büyük bir dönüşüme yol açtı. Europium'un tanıtımından önce televizyondaki renkli görüntü oldukça sıkıcıydı. Yeni europium fosforu kullanırken, renk daha parlak ve daha yoğundu, bu da renkli televizyonu daha da eğlenceli hale getirdi. Bu uygulama, modern nadir dünya endüstrisinin başlangıcı oldu. Bireysel nadir toprak elementlerinin yıllık üretim oranı önemli ölçüde artmış, ürünlerin saflıkları artmış ve mayınlı nadir toprakların miktarı sonraki yıllarda çarpıcı biçimde artmıştır.

Y2O3 oksit, ZrO2 'in kübik formunu stabilize etmek ve yüksek elektrik iletkenliğine sahip bir malzemeyle sonuçlanan oksijen boşluklarını ortaya çıkarmak için ZrO2'a eklenir. Bu malzemeler (5-8 yüzde Y2O3 içinde ZrO2) mükemmel oksijen sensörleridir. Havadaki oksijen içeriğini belirlemek ve yakıtların zengin / zayıf oranını kontrol etmek için kullanılırlar.

Zeolitlere (2SiO2 / Al3O3) ağırlığının yaklaşık% 2'inin (R = lanthanum, seryum ve ayrılmamış R) zeolitlere (2SiO3 / Al1964O15) katalitik aktivitesine sahiptir. Dünya gelişti. FCC katalizörleri, 18 yılındaki icatlarından bu yana en büyük nadir toprak pazarlarından biri olmuştur (yüzde XNUMX-XNUMX). Nadir toprakların temel işlevleri, değiştirilmeden önce ömrünü uzatan zeolit ​​yapısının dengelenmesi ve FCC katalizörünün seçiciliği ve etkinliğinin geliştirilmesidir.

1912 nadir toprak oksitlerinin en eski uygulamalarından biri, camın renklenmesidir: düşük konsantrasyonlarda ince bir pembe renklendirmeden, yüksek konsantrasyonlarda mavi bir menekşe, sarı ve eritum için sarı (eritrosyum (Sm2O3), pembe ve pembe (erumiyum) için mavi menekşe arasındaki renkler için) Er2O3) açık pembe için. Didymium oksit, Di2O3 (Di, yaklaşık yüzde 2 praseodim ve 3 yüzde neodiminin bir karışımıdır), cam üfleyicilerde ve kaynakçı camlarında kullanılır, çünkü sodyum bazlı camlarda sodyumu yoğun bir şekilde çok etkili bir şekilde sodyum yayan yoğun sarı ışığı emer. (CeO25-Ce75O2'un renk giderici camda kullanımı bir sonraki bölümde ele alınmıştır.)

Daha yüksek oksitler

Tamamen boş veya yarı dolu 4f aynalarına (yukarıya bakınız Elektronik yapılar ve iyonik yarıçap) doğru eğilimin bir sonucu olarak, seryum, praseodim ve terbiyum dört değerlikli veya kısmen dört değerlikli bileşikler oluşturma eğilimindedir - yani CeO2, Pr6O11 ve Tb4O7. Bununla birlikte, seryum, praseodimyum ve terbiyumun R2O3 oluşumunun serbest enerjileri, yüksek oksitlerinkine yakındır ve sıcaklığa, oksijen basıncına bağlı olarak bir dizi oksit ara fazı ROx (burada 1,5 <x <2) gözlenmiştir. ve numunenin termal geçmişi. CeOx sisteminde en az beş ara aşama vardır. CeOx bileşikleri taşınabilir bir oksijen kaynağı olarak kullanıldı. CeOx bileşiklerinin açık ara en önemli kullanımı, benzinle çalışan araçlardan çevreye zararlı karbon monoksit ve nitrojen oksitleri büyük ölçüde ortadan kaldıran araç katalitik dönüştürücüleridir.

CeO2'in bir diğer önemli uygulaması ise otomotiv sektöründe cam mercekler, monitörlerin ön panelleri, yarı iletkenler, aynalar, değerli taşlar ve ön camlar için bir parlatma maddesidir. CeO2, diğer cilalardan çok daha etkilidir (örneğin demir oksit [Fe2O3], ZrO2 ve silika [SiO2]) çünkü cila kalitesi diğer oksitlere göre üç ila sekiz kat daha hızlıdır. Parlatma işleminin tam mekanizması bilinmemektedir, ancak bunun, CeOx ve SiO2 camı arasındaki mekanik aşınma ve kimyasal reaksiyonun bir kombinasyonu olduğu ve suyun aktif bir rol oynadığı düşünülmektedir.

CeO2, çeşitli uygulamalar için uygun olan önemli bir cam katkı maddesidir. Camın rengini açmak için kullanılır. Camın X ışınlarından, gama ışınlarından ve katot ışınlarından kahverengileşmesini önler ve ultraviyole radyasyonu emer. Bu uygulamalar, CeO2-Ce2O3'ün oksidasyon azaltma davranışını kullanır. Camda her zaman demir oksit bulunduğundan, CeO2'nin rolü, cama mavimsi bir renk veren Fe2 + 'ı, soluk sarı bir renge sahip olan Fe3 +' ı oksitlemektir. Fe3 + rengini “nötralize” etmek için cama tamamlayıcı bir boya olarak selenyum eklenir. Cam, çeşitli radyasyon türlerine maruz kaldığında renk merkezlerinin oluşması nedeniyle kolayca tabaklanır. Ce4 + iyonları, camdaki elektron tuzakları gibi davranır ve yüksek enerjili radyasyon tarafından salınan elektronları emer. Seryum, televizyonların bronzlaşmayan camlarında ve diğer katot ışınlı ekranlarda ve ayrıca nükleer enerji endüstrisindeki radyasyon itici pencerelerde bulunur. CeO2, yine oksidasyon-indirgeme çifti Ce4 + -Ce3 + kullanılarak güneş ışığından gelen ultraviyole radyasyona uzun süre maruz kalmanın ürünü hasardan korumak için cam kaplara eklenir.

PrOx ve TbOx sistemlerinde 1,5 <x <2,0 arasında yedi veya dört ara faz bulundu. Bazı bileşimler ve kristal yapılar CeOx sistemindekilerle aynıdır. Bununla birlikte, praseodim ve özellikle terbiyum oranı, ortak cevher kaynaklarındaki seryum oranından çok daha düşük olduğu için, PrOx ve TbOx sistemleri ile çok az ticari uygulama geliştirildi veya hiç geliştirilmedi.

Düşük oksitler

Neredeyse tüm nadir toprak elementleri için bir NaCl tipi RO fazı rapor edilmiştir, ancak bunların azot, karbon veya her ikisi tarafından stabilize edilmiş üçlü fazlar olduğu bulunmuştur. Tek gerçek ikili RO bağlantısı EuO. Bu oksit bir ferromanyetik yarı iletkendir (Tc = 77 K [-196 ° C veya -321 ° F]) ve bu bulgunun katı hal manyetizması teorisi üzerinde belirgin bir etkisi olmamıştı, çünkü daha önce örtüşen iletken elektronları için rapor edilmemiştir Ferromanyetizmin ortaya çıkması gerekli kabul edildi. EuO'daki ferromanyetizmanın oksijen aracılı katyon katyon değişimine (Eu2 + -Eu2 +) bağlı olduğu varsayılmaktadır. Daha sonra EuS ve EuSe'de ferromanyetizma ve EuTe'de antiferromagnetizm bulundu.

Europium ayrıca Eu3 + ve Eu4 + -ie, Eu3O2-EuO içeren karışık materyal olarak kabul edilebilecek başka bir alt oksit, Eu2O3 oluşturur.

Üçlü ve daha kaliteli oksitler

Nadir toprak oksitler (diğer elementlerle birlikte), alümina (Al2O3), demir oksit (Fe2O3), kobalt seskuioksit (C2O3), onbinlerce üçlü ve daha değerli bileşikler oluştururlar. Nadir toprak üçlü oksitlerinin oluşturduğu en yaygın iki yapı, perovskite, RMO2 ve garnet R3M2O3'tir; burada M, bir metal atomudur.

Perovskit yapısı, R ünite hücresinin sekiz köşesinde bulunan kapalı bir kafesdir. R atomlarından daha küçük olan ve genellikle üç değerlikli olan M atomları birim hücrenin merkezinde bulunur ve oksijen atomları altı yüzün merkezlerini işgal eder. Temel yapı ilkel bir küptür, ancak dörtgen, eşkenar dörtgen, ortombik, monoklinik ve triklinik çarpıtmalar vardır. M ve R'ye çok çeşitli özellik merdivenleri, yarı iletkenler, yalıtkanlar, dielektrikler, ferroelektrikler, ferromanetler, ferromanetler, antiferromagnetler ve katalizörler için izin vermek üzere tamamen veya kısmen başka elemanlar değiştirilebilir. Daha ilginç uygulamalardan bazıları, yüksek sıcaklık oksit süperiletkenleri, magnetoresistif katmanlar ve GaN katmanları için LaGaO3, LaAlO3 veya YAlO3 epitaksiyel katmanları; Katod ve katı oksit yakıt hücreleri için (La, M) MnO3 ve (La, M) CrO3 bileşikleri; lantan modifiyeli kurşun zirkonat kurşun titanat (genellikle PLZT olarak bilinir), termal ve yıldırımdan korunma cihazları, veri kaydedicileri ve gözlükler için şeffaf bir ferroelektrik seramik; ve (Pr, Ca) MnO3, devasa bir manevra direnci olan ve anahtarlarda kullanılır.

Garnets, perovskitten çok daha karmaşık bir kristal yapıya sahiptir: 96 oksijen bölgeleri, metal atomları 24 tetrahedral bölgeleri, 16 oktahedral bölgeleri ve 24 dodecahedral bölgeleri (toplam 64) işgal eder. Genel formül, R'nin tetrahedral bölgeleri ve M atomlarının diğer iki yeri işgal ettiği R3M5O12'tir. M genellikle üç değerlikli bir alüminyum, galyum veya demir iyonudur. En önemli nadir toprak bombalarından biri, radarlar, damperler, filtreler, sirkülatörler, izolatörler, faz kaydırıcılar, güç sınırlayıcılar ve anahtarlar gibi çeşitli mikrodalga cihazlarda kullanılan Yig'dir (Yttrium Demir Garnet). YIG ayrıca, ince filmlerin garnet substratlar üzerine biriktirildiği entegre mikrodalga devrelerinde de kullanılır. Bu malzemelerin özellikleri gadolinyumun itriyum ve alüminyum veya galyum ile demir ile değiştirilmesiyle değiştirilebilir.

Kuaterner oksit YBa2Cu3O7, yüksek dereceli oksitlerin en iyisidir ve katmanlı perovskite benzeri bir yapıya sahiptir. Bu malzemenin 1987 77 K (-196 ° C veya -321 ° F) süper iletkenlik gösterdiği bulundu (yani elektriksel direnci yoktur). Bu keşif, 77 K'nin Tc'sinin düşük maliyetli sıvı azotla soğutulmasını sağlaması nedeniyle bir devrim yarattı. (1986'ten önce, bilinen en yüksek süper iletken geçiş sıcaklığı 23 K [-250 ° C] idi). YBa2Cu3O7 (Y-123 olarak da bilinen YBCO) sadece bir sıcaklık rekoru kırmakla kalmadı aynı zamanda tüm oksitleyici metalik malzemeler olarak kullanıldığı için muhtemelen bir oksitti. Bu malzeme hızla ticarileştirildi ve şimdi araştırma ekipmanları, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ve elektrik enerjisi iletim hatlarında yüksek manyetik alanlar üretmek için kullanılıyor.

hidrürler

Nadir toprak metalleri hidrojenle RH2'e kolayca reaksiyona girer ve hidrojen basıncını artırarak, üç değerlikli R metalleri (skandiyum hariç) de RH3 fazını oluşturur. Hem RH2 hem de RH3 fazları stokiyometrik değildir (yani, mevcut elementlerin atomlarının sayısı küçük tam sayıların oranı olarak ifade edilemez). RH2 fazı, üç değerlikli R için ve iki değerli europium ve iterbiyum için CaF2 florür yapısına sahiptir, dihidrit, toprak alkali metal hidritlerle aynı yapıya sahip ortofobik bir yapı içinde kristalleşir. RH3 fazları iki farklı kristal yapıya sahiptir. Hafif lantanitler (neodim ile lantan) için, RH3 florür benzeri bir yapıya sahiptir ve RH2 ile sürekli bir katı çözelti oluşturur. Ağır lantanitler (lityum tarafından samaryum) ve itriyum için, RH3 altıgen bir yapı ile kristalleşir. Nadir toprak hidritleri havaya duyarlıdır ve torpido gözünde kullanılmalıdır.

RH2'in elektrik direnci, saf metallerinkinden yaklaşık yüzde 75 daha düşüktür. Bununla birlikte, elektrik direnci, RH2'in ötesine daha fazla hidrojen eklendikçe ve RH3'te bir yarı iletkeninkine yaklaşırken artar. Lantan hidrit (LaH3) için, bileşik bir yarı iletken değil, diamagnetic'tir. R'nin üç değerlikli nadir bir toprak olduğu çoğu RH2 bileşiği, antiferromagnetik veya ferromanyetiktir. Bununla birlikte, divalent europium dihidrid EuH2, 25 K (-248 ° C veya -415 ° F) için ferromanyetiktir.

İnce bir paladyum metal filmi ile korunan ince bir YHx veya LaHx filmi hidrojene edildiğinde, metal faz x <2,9 yansıyan ışıkla oldu, ancak film x 3,0'a yaklaştığında şeffaf hale geldi. Hidrojen içeriğini azaltarak, şeffaf YHx (LaHx) filmi tekrar ayna haline geldi. O zamandan beri, hidrojen içeren, değiştirilebilir ayna malzemeleri geliştirildi - tümü üç değerlikli nadir toprak elementleri ve R-magnezyum alaşımlarının yanı sıra vanadyum, manganez, demir, kobalt ve nikel katkı maddeleri içeren magnezyum alaşımları.

halidler

Halojenür sistemlerindeki (X = flor, klor, brom ve iyot) en önemli üç stokiyometri trihalidler (RX3), tetrahalidler (RX4) ve indirgenmiş halidlerdir (RXy, y <3). Trihalojenürler, öropiyum dışındaki tüm nadir topraklarda bilinir. Bilinen tek tetrahalidler, R = seryum, praseodim ve terbiyum olan RF4 fazlarıdır. R = samaryum, öropiyum ve iterbiyumun uzun süredir bilindiği dihalidler RX2 kararlı bileşiklerdir ve kolaylıkla üretilebilirler. Literatürde çoğu lantanit için bir dizi "RX2" bileşiği rapor edilmiştir, ancak sonraki araştırmalar, bu fazların aslında hidrojen ve karbon gibi ara katışkılarla stabilize edilen üçlü bileşikler olduğunu göstermiştir. Bu aynı zamanda diğer indirgenmiş halojenürler (2 <x <3) için de geçerlidir - örneğin Gd2Cl3.

RF3 bağlantıları RCl3, RBr3 ve RI3'ten çok farklı davranır. Florürler havada stabildir, higroskopik değildir (yani suyu kolayca emmezler), suda ve hafif asitlerde çözünmezler. Florürler, amonyum biflorür (NH3HF4) ile reaksiyona sokularak oksidin RF2'e dönüştürülmesiyle yapılır. RF3 fazları iki modifikasyonda kristalleşir - trigonal LaF3 yapısı (promethium ile lantan) ve ortorombik YF3 yapısı (lantan ve itriyum ile samaryum). RF3 bileşikleri, ağır metal florür camları (HMFG) olarak sınıflandırılan diğer yüzen florürlerle (ZrF4 ve ZrF4-BaF2) alaşım haline getirilir. Çoğu HMFG, ultraviyole ile orta kızılötesi aralığa kadar şeffaftır ve sensörler, iletişimler, pencereler, ışık kılavuzları ve prizmalar için fiber optik malzemeler olarak kullanılır. Bu malzemeler, iyi cam oluşturma özellikleri, kimyasal direnç ve sıcaklık direnci ile karakterize edilir. En önemli bileşimlerden biri, yüzde 57 ZrF4, yüzde 18 BaF2, yüzde 3 LaF3, yüzde 4 AlF3 ve yüzde 17 NaF'dir (bu yüzdelerden bazı küçük değişikliklerle) ve ZBLAN olarak bilinir.

RCl3, RBr3 ve RI3 bileşikleri RF3 bileşiklerinden çok farklı davranır, çünkü bunlar havada higroskopiktir ve hidrolize olurlar. Beklediğiniz gibi, RX3 (X = klor, brom ve iyot) suda iyi çözünür. Trihalidler genellikle R2O3'in bir HX çözeltisi içinde çözülmesi ve RX3 bileşiğinin dehidrasyon yoluyla çözeltiden kristalleştirilmesiyle ilgili oksitten hazırlanır. Sudan arındırma işlemi, aksi takdirde RX3 fazında bir miktar oksijen bulunduğundan, dikkatlice yapılmalıdır. Susuzlaştırma işlemi artan atomik lantanit ve ayrıca X sayısı ile daha da zorlaşır. RCI3 ve RBr3 bileşikleri, ışıktan orta ve ağır lantanitlere (YX3 içeren) üç farklı kristal yapıya sahipken, RI3 bileşikleri dizi boyunca sadece iki farklı kristal yapıya sahiptir.

Metal ve kompleks bileşikler

Oluşan nadir nadir bulunan toprak arası metalik bileşikler arasında, bazıları alışılmadık uygulamalar veya ilginç bilimsel bilgiler ile karakterize edilir. Bu uygulamalardan altısı aşağıda açıklanmıştır.

kalıcı mıknatıslar

En iyi bilinen nadir toprak intermetalik bileşiği, ferromanyetik olan ve uygun ısıl işlemle bilinen en zor manyetik malzeme haline gelen Nd2Fe14B'dir. Bu nedenle, bu intermetalik bileşik, birçok uygulamada kalıcı mıknatıs olarak kullanılır. Ana uygulamalar arasında elektrikli motorlar (örneğin modern otomobil 35'e kadar elektrik motorları içerir), bilgisayarın sabit disk sürücüleri için miller, cep telefonları için hoparlörler ve taşınabilir medya oynatıcılar, doğrudan tahrikli rüzgar türbinleri, aktüatörler ve MRI cihazları bulunmaktadır. SmCo5 ve Sm2Co17 da kalıcı mıknatıslardır. Her ikisi de Nd2Fe14B'den daha yüksek Curie sıcaklıklarına (manyetik düzen) sahiptir, ancak güçlü manyetik değildir.

Şarj edilebilir piller

Bir başka önemli bileşik, yani yeşil enerji için bir hidrojen emici, LaNi5'tir. Hibrit ve tüm elektrikli taşıtlarda kullanılan nikel-metal hidrit pillerde önemli bir bileşendir. LaNi5 oda sıcaklığında oldukça kolay bir şekilde hidrojeni emer ve çözer ve düşük hidrojen basıncında LaNi5 molekülü başına altı hidrojen atomunu emer. Bu nadir dünyalar için en önemli pazarlardan biridir.

elektron tabancalarının

Bir sonraki bileşik, lantan heksaborid (LaB6), sadece küçük bir pazara sahiptir ancak elektron mikroskobu için kritiktir. Son derece yüksek bir erime noktasına (> 2.500 ° C veya> 4.532 ° F), düşük bir buhar basıncına ve mükemmel termal emisyon özelliklerine sahiptir, bu da onu elektron mikroskoplarında elektron tabancaları için tercih edilen malzeme haline getirir.

Mikro Kelvin soğutma

Metalik bileşik PrNi5 aynı zamanda küçük bir pazar malzemesidir ancak dünya rekoru sahibidir. LaNi5 ile aynı kristal yapıya sahiptir, kendisini mikrokelvin bölgesine (0,000001 K [-273,14999999 ° C veya -459,669998 ° F]) manyetik olarak hizalamaz ve nükleer adyabatik manyetik giderme ile soğutma için mükemmel bir adaydır. PrNi5, 0,000027 K (-273,149973 ° C veya -459,669951 ° F) çalışma sıcaklığına ulaşmak için ikinci aşama olarak bakır ile birlikte ilk aşama olarak kullanılmıştır. Bu sıcaklıkta, ilk kez manyetik soğutucunun kendisinden başka malzemeler üzerinde deneysel ölçümler yapılmıştır. Dünyada PrNi5'i soğutucu olarak kullanan birçok düşük sıcaklık laboratuvarları vardır.

magnetostriction

Uygulanan manyetik alana maruz kalan tüm manyetik olarak sıralanmış malzemeler, manyetik alan yönüne göre numunenin oryantasyonuna bağlı olarak genişler veya daralır. Bu fenomene manyetostriksiyon denir. Çoğu malzeme için oldukça küçüktür, ancak 1971, TbFe2'in normal manyetik maddelerden yaklaşık 1.000 kat daha büyük bir manyetostriksiyona sahip olduğunu buldu. Günümüzde, Terfenol D adı verilen en iyi ticari manyetostriktif malzemelerden biri olan Tb0.3Dy0.7Fe1.9, sonar sistemleri, mikropozitifler ve sıvı kontrol valfleri gibi cihazlarda kullanılmaktadır.

Dev manyetokalorik etki

Manyetik bir geçişe maruz kalan manyetik malzemeler, genellikle artan bir manyetik alana maruz kaldıklarında (birkaç maddenin soğumasına rağmen) ısınırlar ve alan çıkarıldığında, bunun tersi olur. Bu fenomen manyetokalorik etki (MCE) olarak adlandırılır. 1997, Amerikan malzeme bilimci Vitalij K. Pecharsky ve Karl A. Gschneidner, Jr.'dan Gd5 (Si2Ge2) tarafından dev manyetokalorik etki (GMCE) olarak adlandırılan son derece büyük bir MCE göstermek üzere bulundu. GMCE, manyetik alanın değişmesi ile kontrol edilebilen Gd5 (Si2Ge2) manyetik olarak sipariş verdiğinde eşzamanlı bir kristalografik ve manyetik geçişe bağlıdır. Bu keşif, GMCE'yi manyetik soğutma için kullanma olasılığını artırdı. O zamandan beri, yaklaşık altı GMCE malzemesi daha keşfedildi ve en umut verici malzemelerden biri başka bir lantanit bileşiği olan La (FexSix) 13.

Manyetik soğutma henüz ticarileştirilmemiştir, ancak birçok test cihazı ve prototip soğutma grubu inşa edilmiştir. Manyetik soğutma uygulanabilir hale gelirse, enerji tüketimini ve soğutma maliyetlerini yaklaşık yüzde 20 oranında azaltmalıdır. Aynı zamanda çevre dostu bir teknolojidir, çünkü günümüzün gaz sıkıştırma soğutma teknolojisinde kullanılan çevreye zararlı ozon tabakasını inceltme ve sera gazlarını ortadan kaldırır.

karmaşık

Nadir toprak elementleri birçok organik molekülle reaksiyona girerek kompleksler oluşturur. Birçoğu, 1950 ve 1960 yıllarında iyon değişimi veya çözücü ekstraksiyon işlemleri yoluyla nadir toprak elementlerinin ayrılmasına yardım etmeye istekli olmuştur, ancak o zamandan beri kendi başlarına ve ampuller, lazerler ve nükleer manyetik rezonans gibi diğer uygulamalar için incelenmiştir. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG) hastaları incelemek için önemli bir tıbbi sondadır. MRI görüntüsünün arttırılması için en önemli malzemeler, Gd (dtpa) -1 gibi gadolinyum bazlı komplekslerdir; burada dtpa, dietilenetriamin-N, N, N ', N', N ', N' -pentaasetat için kısa yoldur. Dünyada her yıl milyonlarca kutu (şişe) uygulanır. Her flakon, gadolinyumun 1,57 gramını (0,06 ons) içerir.

Nükleer özellikler

Bir grup olarak, nadir toprak elementleri, skandiyum için 24 ile seryum için 42 arasında değişen ve nükleer izomerleri saymadan her biri ortalama 35 olan toplam izotop sayısı bakımından zengindir. Tek sıra sayıları olan elemanlar yalnızca bir veya en fazla iki kararlı (veya çok uzun ömürlü) izotopa sahiptir, ancak çift sıra sayıları olanların dört ila yedi kararlı izotopu vardır. Promethium'un kararlı izotopu yoktur; Promethium-145, 17,7 yıllık en uzun yarı ömre sahiptir. Kararsız izotopların bazıları zayıf bir şekilde radyoaktiftir ve son derece uzun bir yarı ömre sahiptir. Kararsız radyoaktif izotoplar çeşitli şekillerde üretilir - örneğin fisyon, nötron bombardımanı, komşu elementlerin radyoaktif bozunması ve komşu elementlerin yüklü parçacıklarla bombardımanı yoluyla. Lantanit izotopları, çekirdek hakkındaki teorilerin incelenmesi için zengin bir alan sundukları için nükleer bilim adamları için özellikle ilgi çekicidir, özellikle de bu çekirdeklerin çoğu küresel olmadığı için, nükleer stabilite üzerinde kritik bir etkiye sahip bir özelliktir. Protonlar veya nötronlar bir nükleer zarfı tamamladığında (yani, belirli sabit değerlere ulaştığında), çekirdek son derece kararlıdır; Bir kabuğu tamamlamak için gereken proton veya nötron sayısına sihirli sayı denir. Lantanid serisinde nötronlar için 82 özel bir sihirli sayı oluşur.

Lantanit elemanlarından bazıları, büyük termal nötron algılama kesitlerine sahiptir, yani birim alan başına çok sayıda nötronu absorbe ederler. Doğal olarak oluşan samaryum, europium, gadolinyum ve disprosiyum için kesitsel değerler 5.600, 4.300, 49.000 ve 1.100 ahırlardır. Bu nedenle bu elementlerin bazıları, kontrol dışı kaldıklarında (gadolinyum) nükleer reaktörlerin (europium ve disprosiyum) çalışmasını düzenleyen veya kapatan kontrol çubuklarına dahil edilir. Doğal olarak oluşan europium, nötron emiciler olarak değersiz hale gelmeden önce atom başına 4,0 nötronlarını, disprosyum 2,4, samarium 0,4 ve gadolinyum 0,3'i emer. Bu nedenle, europium ve disprosium, samaryum veya gadolinyumda değil kontrol çubuklarında kullanılır. Ek olarak, lantanitler, reaktörün reaktivitesini neredeyse sabit tutmak için yanıcı nötron emiciler olarak kullanılabilir. Uranyum fisyona maruz kaldığında, nötronları emen ve nükleer reaksiyonu yavaşlatma eğiliminde olan bazı fisyon ürünleri üretir. Doğru miktarda lantanit varsa, diğer emiciler kadar hızlı yanarlar. Diğer nadir toprakların çoğu, seryum için 0,7 ahırlarından erbiyum için 170'e çapraz kesitleri olan termal nötronlara karşı oldukça şeffaftır.

En önemli radyonüklidlerin bazıları Yttrium-90 (kanser tedavisi), Cer-144 ve Promethium-147 (endüstriyel sayaçlar ve güç kaynakları), Gadolinium-153 (endüstriyel X-ışını floresan) ve Ytterbium-169 (taşınabilir X-ışını kaynağı).

toksisite

Nadir topraklarda toksisite düşüktür ve normal bakım ile güvenle tedavi edilebilir. Periton içine enjekte edilen çözeltiler hiperglisemiye (kandaki şeker fazlası), kan basıncında bir düşüşe, splenik dejenerasyona ve yağlı karaciğere neden olur. Solüsyonlar kas içerisine enjekte edildiğinde, nadir toprakların yaklaşık yüzde 75'u yerinde kalırken, kalan kısmı karaciğere ve iskelete gider. Ağızdan alındığında, nadir bir toprak elementinin sadece küçük bir yüzdesi vücuda emilir. Organik olarak kompleksleşmiş iyonlar, katı maddelerden veya inorganik çözeltilerden biraz daha toksiktir. Çoğu kimyasalda olduğu gibi, toz ve buharlar solunmamalı veya emilmemelidir. Püskürtülen çözeltiler yıkanmalı ve metal talaşlar uzaklaştırılmalıdır.