稀土元素：钪以外的高科技基石

稀土元素（rareearth element）是元素周期表中原子序数分别为21的钪（Sc）、39的钇（Y）和57的镧（La）至71的镥（Lu）等17个元素的总称。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的统一规定，原子序数57～71的15个元素，即镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）又称为镧系元素（可用符号“Ln”表示），共同位于周期表的第六周期的57号位置上。

在17个稀土元素中，钪的化学性值与其他16个元素有较大的差别，所以为了叙述方便起见，书中凡是提到“稀土”一词时，一般仅指钪以外的稀土元素。稀土元素可以简称稀土，常用符号RE表示。另外，钷是一种放射性元素，在自然界存在极少，常见的稀土矿物中一般都不含钷。所以，通常的稀土研究、生产和应用中也不包括钷。

稀土元素最早于1794年被发现，在Abo大学工作的芬兰著名化学家加多林（J.Gadolin，图1.1）从硅铍钇矿中发现钇土（Yttria），即氧化钇。由于各种稀土元素性质极其相似，产地又同在极其复杂的矿石中（图1.2），紧密共生，使得分离的工作异常困难。因此，18世纪发现的稀土矿物很少，当时的技术水平很难把它们分离成单独的元素，只能把稀土作为混合氧化物分离出来。那时习惯上将不溶于水的固体氧化物称为“土”，例如，将氧化铝称为“陶土”，氧化钙称为“碱土”等，因此也将镧系元素和钇的氧化物称为“稀土”。

图1.1　芬兰著名化学家加多林（J.Gadolin）

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图1.2　富含稀土元素的矿石

图1.3　美国著名化学家马林斯基（J.AMarinsky）

其实，稀土既不稀少，也不像土，而是典型的金属元素，其活泼性仅次于碱金属和碱土金属。从1794年发现钇土开始，一直到1974年马林斯基（J.AMarinsky，图1.3）、洛伦迪宁（LE.Gelendenin）等用人工方法从核反应堆中的铀的裂变产物中提取稀土的最后一个元素钷（原子序数为61，半衰期为2.64年）为止，从自然界中取得全部稀土元素跨越了3个世纪，共经历了150多年。

稀土元素由于其结构的特殊性而具有诸多其他元素所不具备的光、电、磁特性，从而可以制备成许多能用于高新技术的新材料，因此它被誉为新材料的“宝库”。美国国防部公布的35种高技术元素中，包括了除钷以外的16种稀土元素，占全部高技术元素的45.7%。日本科技厅选出26种高技术元素，16种稀土元素包括在内，占61.5%。世界各国都在大力开展稀土应用技术的研究，几乎每隔3～5年就有一次稀土应用的新突破，从而大大推动了稀土理论和稀土材料的发展。