希土元素是典型的金屬元素,為銀白色金屬,比較軟,有延展性。它們的活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬。因此,希土金屬要保存在煤油里,否則與潮濕空氣接觸就被氧化而變色。金屬活潑順序:由Sc,Y,La遞增;由La~Lu遞減:即鑭最活潑。
希土金屬密度隨著原子序數(shù)增加,從La(6.17g·cm-3)到Lu(9.84g·cm-3)逐漸增加。但Eu(5.26g·cm-3)和Yb(6.98g·cm-3)的密度較小,其原因前面提到過,由于其原子半徑較大的緣故。
鑭系元素是相當(dāng)強(qiáng)的活潑金屬,反應(yīng)性可與鋁比。其電極電勢均約為-2.3V。輕希土金屬的燃點(diǎn)很低,鈰為438K,鐠為563K,釹為543K,在燃燒時(shí)放出大量熱。當(dāng)以鈰為主的混合輕希土金屬在不平的表面擦摩時(shí),其細(xì)末就會自燃,因此,可用來制造民用打火石和軍用引火合金。引火合金用于子彈的引信或點(diǎn)火裝置。
鑭系金屬的典型化學(xué)反應(yīng),見表23-7。
表23-7 鑭系金屬的典型化學(xué)反應(yīng)
反應(yīng)物 | 產(chǎn)物 | 反應(yīng)條件 |
X2(=F2-I2) | LnX3 | 室溫反應(yīng)慢,573K以上燃燒 |
O2 | Ln2O3 | 室溫反應(yīng)慢:423~453K燃燒 Ce,Pr,Tb生成LnOx(x=1.5~2.0) |
O2+H2O | Ln2O3·xH2O | 室溫輕希土反應(yīng)快,重希土生成Ln2O3,Eu生成Eu(OH)2·H2O |
S3 | Ln2S3(某些Ln還生成LnS,LnS2,Ln3S4) | 在硫的沸點(diǎn) |
N2 | LnN | 1273K以上 |
C | LnC2,Ln2C3 | 高溫 |
H2 | LnH2,LnH3 | 573K以上反應(yīng)快 |
H+(稀HCl,H2SO4,HClO4,HAc等) | Ln3+(+H2) | 室溫下反應(yīng)快 |
H2O | Ln2O3或Ln2O3·xH2O(+H2) | 室溫下慢;較高溫度時(shí)反應(yīng)發(fā)生很快 |
雖然希土金屬本身的機(jī)械性能很差,但用它來制造合金則可增加鋼的硬度和強(qiáng)度。加到用于電阻絲的鎳-鉻合金中,可以延長使用壽命。我國已應(yīng)用希土生產(chǎn)很多新鋼種。此外,我國還利用希土生產(chǎn)希土球墨鑄鐵,可以達(dá)到或超過鋼的性能,這樣以鐵代鋼就大量節(jié)省鋼材,降低產(chǎn)品成本。
在石油工業(yè)中,希土主要用作制備分子篩型裂化催化劑。希土催化劑還成功地用于合成異戊橡膠和順丁橡膠。
長期以來希土就用于玻璃、陶瓷制造工業(yè)。近來在生產(chǎn)磨料、制造光學(xué)玻璃,用于原子能工業(yè)的玻璃、高溫陶瓷及其它最新技術(shù)用的玻璃中,廣泛地應(yīng)用了希土。希土可使玻璃具有特種性能和顏色。也用來制特種玻璃如能通過紅外線的玻璃,能吸收紫外線的玻璃,能耐X射線的玻璃以及特種光學(xué)性能的玻璃。
希土鈷永磁材料用于高頻管,多種微波設(shè)備、航空與宇宙航行器的儀表。希土激光材料應(yīng)用于激光技術(shù)。近年來希土作為熒光材料用于彩色電視中。彩色電視能傳播天然彩色是由于彩色顯象管中發(fā)射紅、綠、藍(lán)光三種基色熒光粉,在電子束作用下發(fā)出不同亮度的三色光搭配而成的。三種基色熒光粉中,藍(lán)色和綠色粉料的制取較早得到解決,唯獨(dú)紅粉達(dá)不到要求,1964年后相継使用釔銪化合物的紅粉,彩色電視的紅色基質(zhì)才有了突破。希土還用于新的照明光源——金屬鹵素?zé)簦珑C燈用的工作物質(zhì)是碘化鏑,鈥燈中用碘化鈥。
根據(jù)近年來的統(tǒng)計(jì),國外希土元素大部分(70%)使用在冶金和石油催化劑方面。