Редкие и рассеянные металлы

Среди разнообразных богатств, которые хранят в себе недра Земли, особенное значение имеют редкие и рассеянные металлы. Исключительная ценность редких металлов определяется тем, что они обладают такими свойствами, которые позволяют использовать их в очень важных областях промышленности, науки и техники.

По принятой в металлургии условной классификации редкие металлы разделены на следующие группы: I. Группа тугоплавких редких металлов, куда относятся бериллий, ванадий, титан, цирконий, молибден, тантал, ниобий и вольфрам. II. Группа легкоплавких редких металлов включает литий, рубидий и цезий. III. Группа рассеянных редких металлов, объединяющая рений, гафний, германий, таллий, теллур, селен, индий, галлий. IV. Группа редкоземельных редких металлов: скандий, иттрий, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций. V. Группа радиоактивных редких металлов объединяет уран, радий, торий и др.

Большинство редких и рассеянных металлов в земной коре содержится в очень незначительных количествах, порядка тысячных процента (исключение составляют титан, ванадий, литий, бериллий и некоторые другие). Находясь в таких незначительных количествах, эти металлы весьма редко образуют промышленные скопления; трудность освоения редких металлов и состоит в том, что для них характерно рассеянное состояние в земной коре; только немногие из них образуют собственные минералы (вольфрам, ванадий, молибден, литий, бериллий и др.).

Хотя селен, теллур, таллий, германий и образуют минералы, но они в природе очень редки. Характерно низкое содержание редких металлов в минералах, из которых их приходится извлекать для промышленного использования.

Это значит, что руды редких металлов надо еще так обработать (как говорят обогатить), чтобы содержание в них этих металлов увеличилось в 100—200 раз.

Руды редких металлов имеют обычно сложный состав, они часто содержат по несколько весьма ценных для промышленности металлов, поэтому их надо извлекать комплексно, все вместе, а затем уже разделять. Это дело очень сложное, требующее знания всех физических и химических свойств и особенностей каждого металла. Чаще всего редкие металлы извлекаются попутно при разработке месторождений тех металлов, которые сконцентрированы в большом количестве. Так, селен и теллур могут содержаться в халькопирите (CuFeSa), а индий, галлий, таллий и германий — в сфалерите (ZnS). Первые металлы добывают попутно с получением меди, вторые — также попутно при извлечении из руды цинка.


*


Редкие металлы известны с середины XIX и начала XX вв. В исследовании их свойств большую роль сыграла Периодическая система химических элементов, созданная великим русским химиком Д. И. Менделеевым. Она позволила предсказать свойства некоторых неизвестных в то время металлов (галлия, германия, скандия) и способствовала тем самым их открытию.

Исследованиями распространенности редких металлов в земной коре занимались у нас такие крупные ученые, как академики В.И.Вернадский и А. Е. Ферсман.

Освоение редких металлов стало возможным только в результате огромных успехов науки и техники в XX в. В свою очередь, ценные свойства редких металлов способствовали многим интересным открытиям в области физики и химии. Следует иметь в виду, что ряд металлов, объединяемых в группу редких, сейчас имеет настолько широкое и разнообразное применение, что редкими их называют условно. Это прежде всего относится к группе тугоплавких редких металлов (титан, ванадий, вольфрам и др.).

Свойства редких и рассеянных металлов очень разнообразны и необычайно ценны.

В группу редких металлов входят, например, самый легкий из всех известных на Земле металлов — литий и самый тяжелый — уран, самый легкоплавкий — цезий и самый тугоплавкий — вольфрам. Ценные свойства всех редких металлов с каждым годом используются нее шире и разнообразнее, и в этом отношении с ними очень трудно соперничать многим металлам других групп, издавна используемым человеком.

Наиболее широко редкие металлы используются в металлургии для получения сплавов, обладающих ценными качествами.

Редкие металлы называют «витаминами» сплавов, их преобразователями. И действительно, добавление редких металлов к стали и другим металлам придает им новые свойства: устойчивость при высоких температурах, упругость, прочность, электропроводность и т. п.

Редкие металлы используются, например, для измерения высоких температур; это производится так называемыми термопарами — приборами, в которых от нагревания проволок из двух разных металлов возникает электрический ток. Чем выше температура нагревания, тем сильнее возникающий ток. В термопарах используется редкий очень тугоплавкий металл рений. Обыкновенным ртутным термометром можно измерять температуру только до +ЗбО", при которой ртуть, начинает закипать. Более высокие температуры можно измерять только с помощью редких металлов в термометрах, сделанных из огнеупорного стекла, при этом ртуть заменяют редким металлом галлием. Он закипает при очень высокой температуре (2300С). Очень важное применение имеют редкие металлы — ванадий, вольфрам, молибден, бериллий, рений и др.— в химической промышленности в качестве катализаторов (ускорителей химических реакций), где редкие металлы постепенно вытесняют дорогостоящую платину.

Редкие радиоактивные металлы — сырье для получения атомной энергии.

Но этим не исчерпывается применение редких металлов. Они используются в биологии, а также в медицине. Хотя такие редкие металлы, как радий, уран, торий, лантан, церий, самарий и др., находятся в организмах животных и в растениях в очень незначительных количествах, составляя миллионные доли процента, но без них организмы не могут существовать. В медицине редкие металлы используются для лечения очень многих заболеваний.

Прибавление в почву незначительных долей радия способствует росту многих растений.

Титан относится к группе редких металлов. Между тем, как установлено, это один из самых распространенных металлов в земной коре: он составляет по весу 0,63% ее. Предполагают, что титана содержится в земной коре больше, чем меди, свинца, олова, цинка, никеля и благородных металлов, вместе взятых. Открыт он был давно, более полутораста лет назад, в 1795 г., немецким ученым Клапротом. Что же служило препятствием к освоению титана? Химическая активность чистого титана: в процессе производства в расплавленном состоянии он моментально соединяется с кислородом, азотом и углеродом. Титан взаимодействует со всеми известными огнеупорными материалами, из которых сделаны плавильные печи, поэтому-то в чистом виде получать его очень трудно. Для получения титана в чистом виде разработан процесс, который состоит из многих очень сложных oneраций, требующих большого количества ценных и дорогих материалов.

Дороговизна получения чистого титана долго мешала его широкому использованию промышленностью. Чистый титан обладает исключительно ценным свойством — сочетанием легкости (удельный вес его равен 4,5) с большой прочностью, равной прочности стали. Титан обладает очень высокой температурой плавления (1725°) и температурой кипения (более 3000°), т. е. он более тугоплавкий, чем сталь. Другой замечательное свойство титана — необычайная стойкость к воздействию сильных кислот и щелочей. Он не разъедается даже такой сильной кислотой, как «царская водка» (смесь соляной и азотной кислот), которая растворяет благородные металлы — золото и платину. Титан не поддается ржавлению, разъеданию под влиянием кислорода воздуха, атмосферной и даже сильно минерализованной морской воды. Это очень ценное антикоррозионное свойство титана позволяет использовать его в строительстве морских судов. Стойкость титана к разъедающему действию морской веды равна стойкости платины.

Титан обладает интересной способностью поглощать кислород и азот из расплавленной стали, что способствует увеличению твердости и прочности сплавов, поэтому он широко применяется в металлургической промышленности.

Из титана делают детали реактивных самолетов, его используют в медицине, в атомной промышленности и во многих другие областях.

Но и все остальные редкие металлы не менее важны.

Редкоземельные металлы так названы потому, что в природе они встречаются очень редко, а их окислы имеют сходство с окислами некоторых металлов, которые раньше назывались «землями». Значительная часть редкоземельных металлов была открыта во второй половине XIX столетия. Наибольшее распространение из них имеет металл церий. Физические и химические свойства редкоземельных металлов очень сходны, поэтому долгое время ученым не удавалось разделить их между собой. Это было достигнуто лишь в процессе многократной кристаллизации их растворов. С тех пор редкоземельные металлы перестали быть загадкой. В последние годы удалось выяснить все основные их свойства.

3 комментариев »

  1. Очень интересная статья.Спасибо,

    Комментарий от Минаева Тамара — 31/10/2011 @ 5:59

  2. имеются очень грубые ошибки. Исправьте. Ведь все так и это научная статья.

    Комментарий от Жураев Исомиддин — 17/06/2015 @ 17:27

  3. Добрый день. Какие именно ошибки Вы нашли в статье?

    Комментарий от admin — 17/06/2015 @ 20:20



Оставить комментарий