Gli elementi delle terre rare: I catalizzatori essenziali dell'industria moderna

Se il petrolio è la linfa vitale dell'industria, le terre rare sono le sue vitamine. Le terre rare sono una preziosa risorsa strategica utilizzata nella scienza, nella tecnologia e nell'esercito d'avanguardia e sono considerate la "madre dei nuovi materiali".

Tuttavia, "le terre rare non sono terre". Terra rara è l'abbreviazione di un gruppo di metalli. Gli elementi delle terre rare (REE) sono stati scoperti a partire dalla fine del XVIII secolo. Gli scienziati scoprono nuovi usi delle terre rare quasi ogni tre-cinque anni e una invenzione su sei si basa sulle terre rare.

Le terre rare sono una preziosa risorsa strategica, nota come "MSG industriale" e "madre dei nuovi materiali". I materiali funzionali, come i magneti permanenti di terre rare, i materiali luminescenti, i materiali per l'immagazzinamento dell'idrogeno e i catalizzatori, sono essenziali per le industrie high-tech, la produzione di apparecchiature avanzate, le nuove energie e le industrie emergenti.

Secondo i dati del 2015 del Servizio Geologico degli Stati Uniti, le riserve mondiali di terre rare ammontano a circa 130 milioni di tonnellate (misurate in ossidi di terre rare (REO)). Di queste, la Cina detiene 55 milioni di tonnellate, il Brasile 22 milioni di tonnellate, gli Stati Uniti 13 milioni di tonnellate, l'Australia 2,1 milioni di tonnellate, l'India 3,1 milioni di tonnellate, la Malesia 30.000 tonnellate e altri Paesi 41 milioni di tonnellate.

Elenco degli usi dei 17 elementi delle terre rare

Il lantanio è il componente principale dei materiali in lega e delle pellicole agricole.
Il cerio è l'elemento principale dell'industria del vetro per auto.
Il praseodimio è un elemento abbondantemente utilizzato nei pigmenti ceramici.
Il neodimio trova ampie applicazioni nella produzione di materiali aerospaziali.
Il promezio è la fonte di energia ausiliaria dei satelliti.
Il samario è l'elemento utilizzato nei reattori nucleari.
L'europio è un componente della produzione di lenti e di schermi a cristalli liquidi.
Il gadolinio agisce come agente di contrasto nelle risonanze magnetiche mediche.
Il terbio è utilizzato nei regolatori delle ali degli aerei.
L'erbio è uno dei componenti utilizzati per i telemetri laser militari.
Il disprosio è l'elemento che costituisce la fonte di illuminazione per la pellicola e la stampa.
L'olmio è un componente dei dispositivi di comunicazione ottica.
Il tulio rende possibile la diagnosi clinica e il trattamento dei tumori.
L'itterbio è un additivo nei dispositivi di memoria dei computer.
Il lutezio è utilizzato nella tecnologia delle batterie energetiche.
L'ittrio è utilizzato nei cablaggi elettrici e nei componenti portanti degli aerei.
Lo scandio è spesso utilizzato nella produzione di leghe.

Lantanio (La)

Il nome dell'elemento "lantanio" risale al 1839, quando uno svedese di nome "Mosander" scoprì che la ceria conteneva altri elementi. Egli prese in prestito la parola greca che significa "nascosto" e chiamò questo elemento "Lantanio".

Il lantanio ha un'ampia gamma di applicazioni, come materiali piezoelettrici, materiali termoelettrici, materiali magnetoresistivi, materiali luminescenti, materiali per l'immagazzinamento dell'idrogeno, vetro ottico, materiali laser, vari materiali per leghe, ecc. Il lantanio è utilizzato anche nella preparazione di catalizzatori per molti prodotti chimici organici. Il lantanio è utilizzato anche nelle pellicole agricole per la fotoconversione. Gli scienziati hanno chiamato il lantanio "supercalcio" per il suo effetto sulle colture.

Cerio (Ce)

"Il cerio è stato scoperto e denominato dal tedesco Klaus e dagli svedesi Usperzig e Hirschner nel 1803. Il nome voleva ricordare l'asteroide Cerere, scoperto nel 1801.

(1) Come additivo per il vetro, il cerio è in grado di assorbire i raggi ultravioletti e infrarossi ed è ora ampiamente utilizzato nei vetri delle automobili. Protegge dai raggi ultravioletti e riduce la temperatura all'interno dell'auto, risparmiando così l'elettricità per l'aria condizionata. Dal 1997, tutti i vetri delle automobili giapponesi sono stati addizionati con ossido di cerio. Nel 1996 sono state utilizzate almeno 2.000 tonnellate di ossido di cerio per i vetri delle automobili, mentre negli Stati Uniti ne sono state utilizzate circa 1.000 tonnellate.

(2) Il cerio è attualmente utilizzato nei catalizzatori per la depurazione dei gas di scarico delle automobili, in grado di evitare efficacemente che grandi quantità di gas di scarico vengano scaricate nell'aria. Il consumo degli Stati Uniti in questo settore rappresenta un terzo del consumo totale di terre rare.

(3) Il solfuro di cerio è più sicuro per l'ambiente e per l'uomo e può sostituire metalli come il piombo e il cadmio nei pigmenti. Oltre a contribuire alla colorazione delle materie plastiche, è ottimo anche per i rivestimenti, gli inchiostri e l'industria della carta. La società francese Rhone-Poulenc è attualmente il leader del mercato.

(4) Ce: Il sistema laser LiSAF è un laser a stato solido sviluppato dagli Stati Uniti. Può rilevare armi biologiche monitorando la concentrazione di triptofano e può essere utilizzato anche in medicina. Il cerio ha un'ampia gamma di applicazioni ed è contenuto in quasi tutte le applicazioni delle terre rare, come la polvere per la lucidatura, i materiali per l'immagazzinamento dell'idrogeno, i materiali termoelettrici, gli elettrodi di tungsteno al cerio, i condensatori ceramici, le ceramiche piezoelettriche, gli abrasivi al carburo di silicio di cerio, le materie prime per le celle a combustibile, i catalizzatori della benzina, alcuni materiali per i magneti permanenti, vari acciai legati e metalli non ferrosi.

Praseodimio (Pr)

Circa 160 anni fa, lo svedese Mosander scoprì un nuovo elemento, diverso dal lantanio, ma non si trattava di un elemento singolo. Mosander scoprì che le proprietà di questo elemento erano molto simili a quelle del lantanio, così lo chiamò "praseodimio-neodimio".

"Praseodimio-neodimio" in greco significa "gemelli". Circa 40 anni dopo, nel 1885, quando fu inventato il paralume della lampada a gas, l'austriaco Welsbach separò con successo due elementi dal "praseodimio-neodimio", uno chiamato "neodimio" e l'altro "praseodimio". Questi "gemelli" furono separati e il praseodimio ebbe un ampio mondo per mostrare le sue doti.

Il praseodimio, un elemento delle terre rare, è l'ingrediente principale di vetro, ceramica e materiali magnetici.

(1) Viene utilizzato per produrre magneti permanenti. L'uso del metallo praseodimio-neodimio a basso costo al posto del metallo neodimio puro per la produzione di materiali per magneti permanenti ha migliorato significativamente le proprietà antiossidanti e le proprietà meccaniche e può essere trasformato in magneti di varie forme. È ampiamente utilizzato in vari dispositivi elettronici e motori.

(2) Il cracking catalitico del petrolio è uno degli utilizzi. Il catalizzatore per il cracking del petrolio, realizzato con l'aggiunta di sostanze ricche di praseodimio e neodimio nel setaccio molecolare zeolite di tipo Y, può migliorare il catalizzatore in termini di attività, selettività e stabilità e portare il catalizzatore a prestazioni catalitiche più elevate.

(3) Il praseodimio è anche una buona scelta per la lucidatura abrasiva. Inoltre, il praseodimio è sempre più utilizzato nel settore delle fibre ottiche. Con la nascita del praseodimio, è nato anche il neodimio. L'arrivo del neodimio ha attivato il settore delle terre rare, ha svolto un ruolo importante nel settore delle terre rare e ha influenzato il mercato delle terre rare.

Neodimio (Nd)

Il neodimio è diventato un tema caldo nel mercato per molti anni, grazie alla sua posizione unica nel campo delle terre rare. Il più grande utilizzatore di neodimio metallico è il materiale dei magneti permanenti al neodimio. L'introduzione dei magneti permanenti NdFeB ha dato nuova linfa al settore high-tech delle terre rare e ha portato nuova energia. Oggi conosciuti come il "re dei magneti permanenti", i magneti NdFeB hanno un'elevata densità di energia magnetica.

Promezio (Pm)

Nel 1947, Marinsky (J.A.Marinsky), Glendenin (L.E.Glendenin) e Coryell (C.E.Coryell) riuscirono a separare l'elemento 61 dal combustibile uranio esaurito di un reattore atomico e lo chiamarono Prometeo, in onore del dio greco Prometeo. Il promezio è un elemento radioattivo artificiale prodotto dai reattori nucleari.

(1) Può essere utilizzato come fonte di calore. Fornisce energia ausiliaria per il rilevamento del vuoto e per i satelliti artificiali.

(2) Il Pm147 emette raggi beta a bassa energia e produce batterie al promezio. Viene utilizzato come fonte di energia per gli strumenti di guida dei missili e per gli orologi. Questo tipo di batteria è piccola e può essere utilizzata ininterrottamente per diversi anni. Il promezio è utilizzato anche negli strumenti portatili a raggi X, nella preparazione dei fosfori, nella misurazione dello spessore e nelle luci di navigazione.

Samario (Sm)

Nel 1879, Boisbaudran scoprì un nuovo elemento delle terre rare dal "praseodimio-neodimio" ottenuto dall'ittrio-columbite e lo chiamò samario dal nome del minerale.

Il samario è di colore giallo chiaro ed è la materia prima dei magneti permanenti di samario-cobalto, i primi magneti di terre rare utilizzati a livello industriale. Questi magneti permanenti sono di due tipi: la serie SmCo5 e la serie Sm2Co17. La serie SmCo5 è stata inventata all'inizio degli anni '70, seguita successivamente dalla serie Sm2Co17. Attualmente, la domanda di quest'ultimo tipo è predominante. La purezza dell'ossido di samario utilizzato nei magneti di samario-cobalto non deve essere molto elevata; per ragioni di costo, vengono utilizzati principalmente prodotti con una purezza di circa 95%. L'ossido di samario è utilizzato nei condensatori ceramici e nei catalizzatori. Inoltre, il samario ha proprietà nucleari e può essere utilizzato come materiale strutturale, di schermatura e di controllo nei reattori nucleari, consentendo l'utilizzo sicuro dell'enorme energia generata dalla fissione nucleare.

Europio (Eu)

Nel 1901 Eugene-Antoine Demarcay trovò un nuovo elemento che derivava dal samario e lo chiamò europio. Questo nome derivava probabilmente dal termine "Europa". L'ossido di europio è l'ingrediente principale dei fosfori. Eu3+ agisce come attivatore dei fosfori rossi, mentre Eu2+ è la fonte dei fosfori blu. L'Eu3+ è usato come attivatore per i fosfori rossi, mentre l'Eu2+ è usato per i fosfori blu. Attualmente, Y2O2S: Eu3+ è il miglior fosforo in termini di efficienza luminosa, stabilità del rivestimento e costi di riciclaggio. Insieme ai miglioramenti tecnologici per migliorare l'efficienza luminosa e il contrasto, sta ottenendo un'applicazione sempre più diffusa. Negli ultimi anni, l'ossido di europio è stato utilizzato come fosforo a emissione stimolata nei nuovi sistemi di diagnostica medica a raggi X. L'ossido di europio è utilizzato anche nella produzione di lenti colorate e filtri ottici, nei dispositivi di stoccaggio delle bolle e come materiale di controllo, schermatura e strutturale nei reattori nucleari.

Gadolinio (Gd). Nel 1880, lo svizzero G. de Marignac separò il "samario" in due elementi, uno dei quali fu confermato da Sorit e l'altro dalle ricerche di Boisbaudret. Nel 1886, Marignac chiamò questo nuovo elemento gadolinio in onore dello scopritore dell'ittrio, il chimico olandese Gadolin, un pioniere della ricerca sulle terre rare. Il gadolinio svolgerà un ruolo importante nell'innovazione tecnologica moderna. I suoi principali impieghi sono:

(1) Il suo complesso paramagnetico solubile in acqua può migliorare il segnale di imaging a risonanza magnetica nucleare (NMR) del corpo umano in medicina.

(2) Il suo ossido di zolfo può essere utilizzato come griglia di matrice per oscilloscopi con luminosità speciale e schermi a fluorescenza a raggi X.

(3) Il gadolinio nel granato di gallio gadolinio è un substrato singolo ideale per l'archiviazione della memoria a bolle.

(4) Può essere utilizzato come mezzo di refrigerazione magnetico solido quando non c'è il limite del ciclo Camot.

(5) Utilizzato come inibitore per controllare il livello di reazione a catena nelle centrali nucleari per garantire la sicurezza delle reazioni nucleari.

(6) Utilizzato come additivo nei magneti al samario cobalto per garantire che le loro prestazioni non cambino con la temperatura.

Gadolinio (Gd)

Nel 1880, lo svizzero G. de Marignac separò il "samario" in due elementi, uno dei quali fu confermato da Sorit e l'altro dalle ricerche di Boisbaudret. Nel 1886, Marignac chiamò questo nuovo elemento gadolinio in onore dello scopritore dell'ittrio, il chimico olandese Gadolin, un pioniere della ricerca sulle terre rare. Il gadolinio svolgerà un ruolo importante nell'innovazione tecnologica moderna.

I suoi usi principali sono:

(1) Il suo complesso paramagnetico solubile in acqua può migliorare il segnale di imaging a risonanza magnetica nucleare (NMR) del corpo umano in medicina.

(2) Il suo ossido di zolfo può essere utilizzato come griglia di matrice per oscilloscopi con luminosità speciale e schermi a fluorescenza a raggi X.

(3) Il gadolinio nel granato di gallio gadolinio è un substrato singolo ideale per l'archiviazione della memoria a bolle.

(4) Può essere utilizzato come mezzo di refrigerazione magnetico solido quando non c'è il limite del ciclo Camot.

(5) Utilizzato come inibitore per controllare il livello di reazione a catena nelle centrali nucleari per garantire la sicurezza delle reazioni nucleari.

(6) Utilizzato come additivo nei magneti al samario cobalto per garantire che le loro prestazioni non cambino con la temperatura.

Terbio (Tb)

Lo svedese Karl G. Mosander ha scoperto il terbio nel 1843, grazie alle sue ricerche sulla terra di ittrio. Il principale campo di applicazione del terbio è l'industria high-tech. Si tratta di un progetto ad alta intensità di tecnologia e di conoscenza, alle soglie dell'innovazione tecnologica.

Le principali aree di applicazione sono:

(1) Fosforo utilizzato come attivatore della polvere verde nei fosfori tricolori, matrice di fosfato attivata con terbio, matrice di silicato attivata con terbio e matrice di alluminato di cerio e magnesio attivata con terbio, che emettono tutti luce verde allo stato eccitato.

(2) Negli ultimi anni, i materiali magneto-ottici a base di terbio hanno raggiunto una produzione su larga scala. I dischi magneto-ottici a base di film sottile amorfo Tb-Fe sono oggi utilizzati come supporti di memorizzazione dei computer e la capacità di memorizzazione è aumentata di 10-15 volte.

(3) Vetro magneto-ottico. Il vetro per rotatori di Faraday contenente terbio è un materiale chiave per la produzione di rotatori, isolatori e circolatori ed è ampiamente utilizzato nella tecnologia laser. In particolare, lo sviluppo della lega magnetostrittiva terbio-disprosio-ferro (TerFenol) ha aperto nuove applicazioni per il terbio. Scoperta negli anni '70, la TerFenol è composta per metà da terbio e disprosio, a volte con l'aggiunta di olmio, e per il resto da ferro. Sviluppato per la prima volta presso il Laboratorio di Ames nell'Iowa, negli Stati Uniti, il TerFenol mostra un cambiamento dimensionale maggiore rispetto ai tipici materiali magnetici quando viene esposto a un campo magnetico. Questo cambiamento consente un movimento meccanico preciso. Inizialmente il TerFenol è stato utilizzato principalmente nei sonar, ma ora è stato ampiamente utilizzato in vari campi della tecnologia, come i sistemi di iniezione del carburante, il controllo delle valvole dei liquidi e il microposizionamento, oltre che negli attuatori meccanici, nei meccanismi e nei regolatori d'ala per gli aerei e i telescopi spaziali.

Disprosio (Dy)

Nel 1886, il francese Boisbaudet riuscì a separare l'olmio in due elementi. Uno è ancora chiamato olmio, mentre l'altro è chiamato disprosio perché è "difficile da ottenere" dall'olmio. Attualmente il disprosio svolge un ruolo sempre più importante in molti campi dell'alta tecnologia.

I principali usi del disprosio sono:

(1) Come additivo per i magneti permanenti NdFeB. L'aggiunta di circa 2% a 3% di disprosio a tali magneti può aumentarne la coercitività. In passato, la domanda di disprosio non era elevata, ma con l'aumento della domanda di magneti NdFeB, è diventato un elemento additivo necessario. Il grado deve essere compreso tra 95% e 99,9% e anche la domanda sta aumentando rapidamente.

(2) Il disprosio viene utilizzato come attivatore di fosforo. Il disprosio trivalente è uno ione attivatore promettente per i materiali luminescenti tricromatici a centro singolo. Si tratta principalmente di due bande di emissione, una per l'emissione di luce gialla e l'altra per l'emissione di luce blu. I materiali luminescenti drogati con disprosio possono essere utilizzati come fosfori tricromatici.

(3) Il disprosio è una materia prima metallica essenziale per la preparazione della lega magnetostrittiva gigante terbio-disprosio-ferro (Terfenol), che può consentire il movimento preciso di alcuni sistemi meccanici.

(4) Il disprosio metallico può essere utilizzato come materiale di archiviazione magneto-ottico con elevata velocità di registrazione e sensibilità di lettura.

(5) Viene utilizzato nella preparazione delle lampade al disprosio. La sostanza di lavoro utilizzata nelle lampade al disprosio è lo ioduro di disprosio. Questa lampada ha i vantaggi dell'alta luminosità, del buon colore, dell'alta temperatura di colore, delle dimensioni ridotte e dell'arco stabile. È stata utilizzata come fonte di illuminazione per film, stampa, ecc.

(6) Poiché il disprosio ha la caratteristica di una grande sezione d'urto per la cattura dei neutroni, viene utilizzato nell'industria dell'energia atomica per misurare lo spettro energetico dei neutroni o come assorbitore di neutroni.

Olmio (Ho)

Nella seconda metà del XIX secolo, la scoperta dell'analisi spettrale e la pubblicazione della tavola periodica, insieme ai progressi della tecnologia di separazione elettrochimica degli elementi delle terre rare, favorirono ulteriormente la scoperta di nuovi elementi delle terre rare. Nel 1879, il chimico svedese Svante Cliff scoprì l'elemento olmio e lo chiamò olmio in onore della capitale svedese, Stoccolma.

Il campo di applicazione dell'olmio deve essere ulteriormente sviluppato e la quantità utilizzata non è molto elevata. Recentemente, l'Istituto di Ricerca sulle Terre Rare di Baotou Steel ha utilizzato la tecnologia di purificazione ad alta temperatura e distillazione sotto vuoto per sviluppare l'olmio metallico ad alta purezza con un contenuto molto basso di impurità non legate alle terre rare, Ho/ΣRE>99,9%.

Attualmente i principali impieghi dell'olmio sono:

(1) È stato utilizzato come additivo per le lampade ad alogenuri metallici. Le lampade ad alogenuri metallici si riferiscono alle lampade a scarica di gas basate sulle lampade a mercurio ad alta pressione. La loro caratteristica è che il bulbo è riempito con diversi alogenuri di terre rare. Attualmente si utilizzano soprattutto ioduri di terre rare che, durante la scarica gassosa, emettono varie linee di colore spettrali. La sorgente luminosa delle lampade a olmio è lo ioduro di olmio, che può produrre una maggiore concentrazione di atomi metallici nella zona dell'arco, aumentando così notevolmente l'efficienza della radiazione.

(2) L'olmio è un elemento che può essere utilizzato come additivo per il ferro ittrio o il granato di ittrio e alluminio.

(3) Il granato di ittrio e alluminio (YAG) drogato con olmio è un materiale in grado di produrre luce laser a una lunghezza d'onda di 2μm. Il tessuto umano ha un'efficienza di assorbimento molto elevata per la luce laser a 2μm, che è quasi tre ordini di grandezza superiore a quella dell'HD: YAG. Supponiamo di utilizzare i laser Ho: YAG per la chirurgia medica. Un fascio privo di olmio generato da cristalli di olmio può eliminare il grasso senza produrre troppo calore, riducendo così al minimo i danni termici ai tessuti sani.

(4) L'olmio, in quantità molto ridotte, può essere incorporato nella lega magnetostrittiva Terfenol-D per ridurre il campo esterno necessario per ottenere la magnetizzazione di saturazione della lega.

(5) Le fibre ottiche drogate con olmio sono adatte alla produzione di vari componenti optoelettronici, come laser a fibre ottiche, amplificatori a fibre ottiche, sensori a fibre ottiche e dispositivi di comunicazione ottica che saranno sempre più importanti nella comunicazione a fibre ottiche in rapida crescita.

Erbio (Er)

Nel 1843 lo scienziato svedese Mosander scoprì l'elemento Erbio. Le proprietà ottiche dell'erbio sono eccezionali e hanno sempre destato preoccupazione:

(1) L'emissione di luce dell'Er3+ a 1550 nm è di particolare importanza perché questa lunghezza d'onda si trova esattamente in corrispondenza della perdita più bassa della fibra ottica nelle comunicazioni in fibra ottica. Dopo essere stati eccitati dalla luce di lunghezza d'onda di 980 nm e 1480 nm, gli ioni di erbio (Er3+) passano dallo stato fondamentale 4I15/2 allo stato ad alta energia 4I13/2. Quando l'Er3+ nello stato ad alta energia transita di nuovo allo stato fondamentale, emette luce con lunghezza d'onda di 1550 nm. La fibra ottica di quarzo può trasmettere luce di varie lunghezze d'onda, ma il tasso di attenuazione della luce delle diverse lunghezze d'onda è diverso. La luce nella banda dei 1550 nm ha il tasso di attenuazione più basso (0,15 dB/km) quando viene trasmessa nella fibra ottica di quarzo, che è quasi il limite inferiore del tasso di attenuazione.

(2) Inoltre, i cristalli laser drogati con erbio e i loro laser in uscita da 1730 nm e 1550 nm sono sicuri per gli occhi umani, hanno buone prestazioni di trasmissione atmosferica, una forte capacità di penetrare il fumo del campo di battaglia, una buona riservatezza, non sono facilmente rilevabili dal nemico e hanno un elevato contrasto quando illuminano obiettivi militari. Sono stati trasformati in telemetri laser portatili sicuri per gli occhi umani per uso militare.

(3) L'Er3+ può essere aggiunto al vetro per ottenere materiali in vetro di terre rare, che attualmente sono i materiali laser solidi con la maggiore energia dell'impulso di uscita e la più alta potenza di uscita.

(4) L'Er3+ può essere utilizzato anche come ione attivo per i materiali laser a upconversione di terre rare.

(5) L'erbio può essere utilizzato anche per la decolorazione e la colorazione di lenti per occhiali, vetro e vetro cristallizzato.

Tulio (Tm)

Il tulio fu scoperto dallo svedese Clive nel 1879 e prese il nome dall'antico nome della Scandinavia, Thule.

I principali usi del tulio sono i seguenti: (1) Il tulio è utilizzato come sorgente di radiazioni per le macchine mediche portatili a raggi X. Dopo l'irradiazione in un reattore nucleare, il tulio produce un isotopo in grado di emettere raggi X. Può essere utilizzato per produrre irradiatori di sangue portatili. Questo irradiatore può convertire il tulio-169 in tulio-170 sotto l'azione di fasci di neutroni ad alta pressione, emettendo raggi X per irradiare il sangue e ridurre il numero di globuli bianchi. Questi globuli bianchi causano il rigetto del trapianto d'organo, riducendo così il rigetto precoce dell'organo.

(2) Il tulio può essere impiegato clinicamente per la diagnosi e il trattamento delle neoplasie, poiché presenta una maggiore affinità ematopoietica per il tessuto tumorale. Le terre rare pesanti possiedono un'affinità maggiore rispetto alle terre rare leggere e il tulio è in cima alla lista delle affinità più elevate.

(3) Il tulio è utilizzato come attivatore, LaOBr: Br (blu), nel fosforo utilizzato negli schermi intensificatori di raggi X per migliorare la sensibilità ottica, riducendo così l'esposizione e i danni dei raggi X all'uomo. Rispetto ai precedenti schermi intensificatori al tungstato di calcio, può ridurre la dose di raggi X di 50%, il che ha un importante significato pratico nelle applicazioni mediche.

(4) Il tulio può essere utilizzato anche come additivo in nuove fonti di illuminazione, come le lampade ad alogenuri metallici.

(5) Il Tm3+ può essere aggiunto al vetro per ottenere materiali laser in vetro a terre rare, attualmente i materiali laser solidi con il più grande volume di impulsi in uscita e la più alta potenza in uscita. Il Tm3+ può anche essere uno ione attivatore per materiali laser a conversione ascendente di terre rare.

Itterbio (Yb)

Jean Charles e G. de Marignac trovarono un nuovo elemento delle terre rare nell'"erbio" nel 1878, che fu poi chiamato itterbio in onore di Ytterby.

Gli usi principali dell'itterbio sono:

(1) come materiale di rivestimento per scudi termici. L'itterbio può essere molto efficace nel migliorare la resistenza alla corrosione dello strato di zinco galvanizzato e il rivestimento con l'aggiunta di itterbio è di grana più fine e più uniforme e compatto rispetto a quello senza l'elemento.

(2) come materiale magnetostrittivo. Questo materiale ha la proprietà della supermagnetostrizione, cioè dell'espansione in un campo magnetico. La lega comprende principalmente una lega di itterbio/ferrite e una lega di disprosio/ferrite, a cui viene aggiunta una certa percentuale di manganese per produrre la supermagnetostrizione.

(3) Gli elementi di itterbio sono utilizzati per la misurazione della pressione. Gli esperimenti hanno dimostrato che gli elementi di itterbio hanno un'elevata sensibilità all'interno dell'intervallo di pressione calibrato e allo stesso tempo hanno aperto una nuova strada per l'applicazione dell'itterbio nella misurazione della pressione.

(4) Otturazioni a base di resina per le cavità molari, in sostituzione della lega argento-mercurio usata in precedenza.

(5) I ricercatori giapponesi hanno completato la preparazione di laser a guida d'onda a circuito incorporato con drogaggio di itterbio e granato di gallio, che è di grande importanza per l'ulteriore sviluppo della tecnologia laser. Inoltre, l'itterbio è utilizzato anche come attivatore di fosforo, radioceramica, additivo per elementi di memoria di computer (bolle), flusso di fibre di vetro e additivo per vetro ottico.

Lutezio (Lu)

1907 Welsbach e Urbain hanno ricercato e scoperto in modo indipendente un nuovo elemento dall'"itterbio", utilizzando metodi di separazione diversi. Welsbach chiamò questo elemento Cp (Cassiopeium), mentre Urbain lo chiamò Lu (Lutetium), basandosi sull'antico nome di Parigi, Lutetia. In seguito si scoprì che Cp e Lu erano lo stesso elemento, quindi furono chiamati collettivamente lutezio.

(1) Produzione di alcune leghe speciali. Ad esempio, l'analisi di attivazione neutronica può essere effettuata con una lega di lutezio-alluminio.

(2) I nuclidi stabili di lutezio catalizzano le reazioni di cracking, alchilazione, idrogenazione e polimerizzazione del petrolio.

(3) Aggiunta di elementi al granato di ittrio, ferro o alluminio per migliorare alcune proprietà.

(4) Materie prime per la conservazione delle bolle magnetiche.

(5) Un cristallo funzionale composito, il tetraborato di alluminio drogato con lutezio (ittrio-neodimio), appartiene al campo tecnico della crescita dei cristalli per raffreddamento in soluzione salina. Gli esperimenti hanno dimostrato che i cristalli NYAB drogati con lutezio sono superiori ai cristalli NYAB in termini di uniformità ottica e prestazioni laser.

(6) Le ricerche condotte dai dipartimenti stranieri competenti hanno rilevato che il lutezio ha un potenziale impiego nei display elettrocromici e nei semiconduttori molecolari a bassa dimensione.

Inoltre, il lutezio è utilizzato anche nella tecnologia delle batterie energetiche e come attivatore per i fosfori.

Ittrio (Y)

Nel 1788, Karl Arrhenius, un ufficiale militare svedese che era un chimico dilettante, un mineralogista e un raccoglitore di minerali, scoprì un minerale nero che assomigliava all'asfalto e al carbone nel villaggio di Ytterby, fuori dalla baia di Stoccolma. Lo chiamò Ytterbite, dal nome del luogo. Nel 1794, il chimico finlandese Johann Gadolin analizzò un campione di itterbio. Scoprì che oltre agli ossidi di berillio, silicio e ferro, conteneva anche 38% ossidi di un elemento sconosciuto, chiamato "nuova terra". Nel 1797, il chimico svedese Anders Gustaf Ekeberg confermò questa "nuova terra" e la chiamò Yttria (ossido di ittrio).

(1) Additivo per acciaio e leghe non ferrose. Le leghe FeCr contengono tipicamente 0,5-4% di ittrio, che può migliorare la resistenza all'ossidazione e la duttilità di questi acciai inossidabili. L'aggiunta di una quantità appropriata di terre rare miste ad ittrio alla lega MB26 migliora significativamente le prestazioni globali della lega ed è in grado di sostituire alcune leghe di alluminio a media resistenza da utilizzare come componenti portanti degli aerei. Una piccola quantità di terre rare ricche di ittrio aggiunte alla lega Al-Zr ne aumenta la conduttività. La maggior parte delle fabbriche di fili nazionali ha adottato questa lega. L'aggiunta di ittrio nella lega di rame porta a un miglioramento della conduttività e della resistenza meccanica.

(2) I componenti del motore possono essere sviluppati utilizzando materiali ceramici al nitruro di silicio contenenti ittrio 6% e alluminio 2%.

(3) Utilizzare un raggio laser al neodimio ittrio granato di alluminio da 400 watt per eseguire lavorazioni meccaniche come foratura, taglio e saldatura su componenti di grandi dimensioni.

(4) Gli schermi fluorescenti per microscopio elettronico composti da cristalli singoli di granato Y-Al hanno un'elevata luminosità di fluorescenza, un basso assorbimento di luce diffusa e una buona resistenza alle alte temperature e all'usura meccanica.

(5) Le leghe strutturali ad alto tenore di ittrio, contenenti fino a 90% di ittrio, possono essere utilizzate nell'aviazione e in altre applicazioni che richiedono bassa densità ed elevato punto di fusione.

(6) I materiali conduttori di protoni ad alta temperatura SrZrO3 drogati con ittrio, che attualmente stanno attirando molta attenzione, sono di grande importanza per la produzione di celle a combustibile, celle elettrolitiche e sensori di gas che richiedono un'elevata solubilità dell'idrogeno. Inoltre, l'ittrio è utilizzato anche nei materiali spray resistenti alle alte temperature, nei diluenti per il combustibile dei reattori nucleari, negli additivi per i materiali dei magneti permanenti e come getter nell'industria elettronica.

Scandio (Sc)

1879 I professori di chimica svedesi L.F. Nilson (1840-1899) e P.T. Cleve (1840-1905) scoprono un nuovo elemento nei rari minerali gadolinite e silvatite. Chiamarono questo elemento "scandio", l'elemento "simile al boro" previsto da Mendeleev. La loro scoperta confermò ulteriormente la validità della tavola periodica e la lungimiranza di Mendeleev.

Rispetto all'ittrio e ai lantanidi, lo scandio ha un raggio ionico molto più piccolo e il suo idrossido ha un'alcalinità molto più debole. Pertanto, quando lo scandio e gli elementi delle terre rare vengono mescolati e trattati con ammoniaca (o alcali molto diluiti), lo scandio precipita per primo. Pertanto, può essere separato con relativa facilità dagli elementi delle terre rare utilizzando il metodo della "precipitazione frazionata". Un altro metodo consiste nell'utilizzare la decomposizione per polarizzazione dei nitrati per la separazione. Poiché il nitrato di scandio è il più facile da decomporre, è possibile raggiungere lo scopo della separazione. Lo scandio metallico può essere ottenuto per elettrolisi.

Durante la lavorazione dello scandio metallurgico, tre sostanze, ScCl3, KCl e LiCl, vengono mescolate ed elettrolizzate utilizzando lo zinco fuso come catodo. Lo scandio precipita sull'elettrodo di zinco, quindi lo zinco viene evaporato e rimane solo lo scandio metallico.

Inoltre, lo scandio è molto facile da recuperare durante la lavorazione del minerale per ottenere gli elementi uranio, torio e lantanidi.

Non si tratta solo di uranio, torio ed elementi lantanidi, ma anche del recupero dello scandio associato dai minerali di tungsteno e stagno, considerati un'importante fonte di scandio. Lo scandio è per lo più allo stato trivalente nei composti ed è molto suscettibile all'ossidazione sotto forma di Sc2O3 da parte dell'ossigeno nell'aria; la lucentezza del metallo scompare e il colore cambia in grigio scuro.

Inoltre, gli usi principali dello scandio sono:

(1) Lo scandio può reagire con l'acqua calda per rilasciare idrogeno ed è anche facilmente solubile in acido. È un forte agente riducente.

(2) Gli ossidi e gli idrossidi di scandio sono solo alcalini, ma le loro ceneri saline sono quasi insolubili in acqua. Il cloruro di scandio è un cristallo bianco facilmente solubile in acqua e può essere eliminato in aria.

(3) Nell'industria metallurgica, lo scandio viene spesso utilizzato per la produzione di leghe (additivi per leghe) per migliorarne la forza, la durezza, la resistenza al calore e le prestazioni. Ad esempio, l'aggiunta di una piccola quantità di scandio alla ghisa fusa può migliorare significativamente le proprietà della ghisa e l'aggiunta di una piccola quantità di scandio all'alluminio può migliorarne la forza e la resistenza al calore.

(4) Lo scandio è un elemento che trova numerose applicazioni nell'industria dei semiconduttori. Un esempio è l'uso del solfito di scandio nei semiconduttori che sono diventati molto popolari tra le varie nazioni; inoltre, le ferriti contenenti scandio sono ancora promettenti nuclei di computer.

(5) Nell'industria chimica, i composti dello scandio sono utilizzati come agenti di deidrogenazione e disidratazione dell'alcol e come efficienti catalizzatori nella produzione di etilene e di cloro utilizzando l'acido cloridrico di scarto.

(6) L'industria del vetro può produrre vetri speciali contenenti scandio.

(7) Nell'industria della luce elettrica, le lampade al sodio-scandio, realizzate con scandio e sodio, presentano i vantaggi di un'elevata efficienza e di un colore positivo della luce.

(8) Lo scandio esiste in natura sotto forma di 45Sc. Inoltre, lo scandio ha nove isotopi radioattivi, ovvero 40-44Sc e 46-49Sc. Tra questi, il 46Sc è stato utilizzato come tracciante nell'industria chimica, nella metallurgia e nell'oceanografia.

Ethan Huang

Mi dedico alla scrittura scientifica divulgativa sui magneti. I miei articoli si concentrano principalmente sui principi, le applicazioni e gli aneddoti del settore. Il nostro obiettivo è fornire ai lettori informazioni preziose, aiutando tutti a comprendere meglio il fascino e il significato dei magneti. Allo stesso tempo, siamo desiderosi di ascoltare le vostre opinioni sulle esigenze legate ai magneti. Sentitevi liberi di seguirci e di impegnarvi con noi per esplorare insieme le infinite possibilità dei magneti!

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