Elementos de terras raras: Os catalisadores essenciais da indústria moderna
Se o petróleo é a força vital da indústria, as terras raras são suas vitaminas. As terras raras são um recurso estratégico valioso usado na ciência de ponta, na tecnologia e nas forças armadas, e são consideradas a "mãe dos novos materiais".
No entanto, "as terras raras não são terras". Terra rara é a abreviação de um grupo de metais. Os elementos de terras raras (REEs) foram descobertos desde o final do século 18. Os cientistas descobrem novos usos para as terras raras quase a cada três a cinco anos, e uma em cada seis invenções depende das terras raras.
As terras raras são um recurso estratégico valioso, conhecido como o "MSG industrial" e a "mãe dos novos materiais". Os materiais funcionais, como ímãs permanentes de terras raras, materiais luminescentes, materiais de armazenamento de hidrogênio e catalisadores, são essenciais para os setores de alta tecnologia, fabricação de equipamentos avançados, novas energias e setores emergentes.
De acordo com os dados de 2015 do U.S. Geological Survey, as reservas mundiais de terras raras são de aproximadamente 130 milhões de toneladas (medidas em óxidos de terras raras (REOs)). Dessas, a China detém 55 milhões de toneladas, o Brasil 22 milhões de toneladas, os Estados Unidos 13 milhões de toneladas, a Austrália 2,1 milhões de toneladas, a Índia 3,1 milhões de toneladas, a Malásia 30.000 toneladas e outros países 41 milhões de toneladas.
Lista de usos de 17 elementos de terras raras
- O lantânio é o principal componente dos materiais de liga e dos filmes agrícolas.
- O cério é o principal elemento do setor de vidros automotivos.
- O praseodímio é o elemento usado em abundância nos pigmentos cerâmicos.
- O neodímio encontra ampla aplicação na fabricação de materiais aeroespaciais.
- O promécio é a fonte de energia auxiliar para os satélites.
- O samário é o elemento utilizado em reatores nucleares.
- O európio é um componente da fabricação de lentes e telas de cristal líquido.
- O gadolínio atua como um agente de contraste em ressonâncias magnéticas médicas.
- O térbio é usado nos reguladores das asas das aeronaves.
- O érbio é um dos componentes empregados em telêmetros a laser militares.
- O disprósio é o elemento que constitui a fonte de iluminação do filme e da impressão.
- O hólmio é um componente de dispositivos de comunicação óptica.
- O Thulium possibilita o diagnóstico clínico e o tratamento de tumores.
- O itérbio é um aditivo em dispositivos de memória de computador.
- O lutécio é usado na tecnologia de baterias de energia.
- O ítrio é usado em fiação elétrica e componentes de suporte de carga de aeronaves.
- O escândio é frequentemente usado na fabricação de ligas.
Lantânio (La)
O elemento "Lantânio" foi batizado em 1839, quando um sueco chamado "Mosander" descobriu que a céria continha outros elementos. Ele pegou emprestada a palavra grega para "oculto" e batizou esse elemento de "Lantânio".
O lantânio tem uma ampla gama de aplicações, como materiais piezoelétricos, materiais termoelétricos, materiais magnetorresistivos, materiais luminescentes, materiais de armazenamento de hidrogênio, vidro óptico, materiais de laser, vários materiais de liga, etc. O lantânio também é usado na preparação de catalisadores para muitos produtos químicos orgânicos. O lantânio também é usado em filmes agrícolas de fotoconversão. Os cientistas chamaram o lantânio de "super cálcio" por seu efeito nas plantações.
Cério (Ce)
O "cério" foi descoberto e nomeado pelo alemão Klaus e pelos suecos Usperzig e Hirschner em 1803. O nome foi dado em homenagem ao asteroide Ceres, descoberto em 1801.
(1) Como aditivo de vidro, o cério pode absorver raios ultravioleta e infravermelho e agora é amplamente utilizado em vidros automotivos. Ele protege contra os raios ultravioleta e reduz a temperatura dentro do carro, economizando assim a eletricidade do ar-condicionado. Desde 1997, todos os vidros automotivos japoneses têm sido adicionados com óxido de cério. Em 1996, pelo menos 2.000 toneladas de óxido de cério foram usadas em vidros automotivos, e os Estados Unidos usaram cerca de 1.000 toneladas.
(2) Atualmente, o cério é usado em catalisadores de purificação de escapamento de automóveis, o que pode efetivamente evitar que grandes quantidades de escapamento de automóveis sejam lançadas no ar. O consumo dos Estados Unidos nessa área é responsável por um terço do consumo total de terras raras.
(3) O sulfeto de cério é mais seguro para o meio ambiente e para os seres humanos e pode substituir metais como chumbo e cádmio em pigmentos. Ele não apenas ajuda a colorir plásticos, mas também é bom para revestimentos, tintas e para o setor de papel. Atualmente, a empresa francesa Rhone-Poulenc é a líder de mercado.
(4) Ce: O sistema de laser LiSAF é um laser de estado sólido desenvolvido pelos Estados Unidos. Ele pode detectar armas biológicas por meio do monitoramento da concentração de triptofano e também pode ser usado na medicina. O cério tem uma ampla gama de aplicações e está presente em quase todas as aplicações de terras raras, como pó de polimento, materiais de armazenamento de hidrogênio, materiais termoelétricos, eletrodos de tungstênio de cério, capacitores de cerâmica, cerâmicas piezoelétricas, abrasivos de carbeto de silício de cério, matérias-primas para células de combustível, catalisadores de gasolina, certos materiais de ímã permanente, várias ligas de aço e metais não ferrosos.
Praseodímio (Pr)
Há cerca de 160 anos, o sueco Mosander descobriu um novo elemento a partir do lantânio, mas não era um elemento único. Mosander descobriu que as propriedades desse elemento eram muito semelhantes às do lantânio, por isso ele o chamou de "praseodímio-neodímio".
"Praseodímio-neodímio" significa "gêmeos" em grego. Cerca de 40 anos depois, em 1885, quando o abajur a gás foi inventado, o austríaco Welsbach separou com sucesso dois elementos do "praseodímio-neodímio", um chamado "neodímio" e o outro chamado "praseodímio". Esses "gêmeos" foram separados, e o praseodímio teve um mundo amplo para exibir seus talentos.
O praseodímio, um elemento de terras raras, é o principal ingrediente do vidro, da cerâmica e dos materiais magnéticos.
(1) É usado para fabricar ímãs permanentes. O uso de metal de praseodímio-neodímio barato em vez de metal de neodímio puro para fabricar materiais de ímã permanente melhorou significativamente suas propriedades antioxidantes e mecânicas, e pode ser processado em ímãs de vários formatos. Ele é amplamente utilizado em vários dispositivos eletrônicos e motores.
(2) O craqueamento catalítico de petróleo é um dos usos. O catalisador para craqueamento de petróleo, que foi feito pela adição de substâncias ricas em praseodímio e neodímio na peneira molecular de zeólita tipo Y, pode melhorar o catalisador em termos de atividade, seletividade e estabilidade e levar o catalisador a um desempenho catalítico mais alto.
(3) O praseodímio também é uma boa opção para polimento abrasivo. Além disso, o praseodímio está sendo cada vez mais usado na área de fibras ópticas. Com o nascimento do praseodímio, surgiu também o neodímio. A chegada do neodímio ativou o campo de terras raras, desempenhou um papel importante no campo de terras raras e influenciou o mercado de terras raras.
Neodímio (Nd)
O neodímio se tornou um tema quente no mercado por muitos anos devido à sua posição exclusiva no campo das terras raras. O maior usuário de neodímio metálico é o material de ímã permanente de neodímio. A introdução dos ímãs permanentes de NdFeB deu ao setor de alta tecnologia de terras raras um novo sopro de vida e também trouxe nova energia. Hoje, conhecidos como o "rei dos ímãs permanentes", os ímãs de NdFeB têm alta densidade de energia magnética.
Promécio (Pm)
Em 1947, Marinsky (J.A.Marinsky), Glendenin (L.E.Glendenin) e Coryell (C.E.Coryell) separaram com sucesso o elemento 61 do combustível de urânio usado de um reator atômico e o batizaram de Promethium, em homenagem ao deus grego Prometeu. O promécio é um elemento radioativo artificial produzido por reatores nucleares.
(1) Pode ser usado como fonte de calor. Ele fornece energia auxiliar para detecção de vácuo e satélites artificiais.
(2) O Pm147 emite raios beta de baixa energia e produz baterias de promécio. Ela é usada como fonte de energia para instrumentos de orientação de mísseis e relógios. Esse tipo de bateria é pequeno e pode ser usado continuamente por vários anos. O promécio também é usado em instrumentos portáteis de raios X, na preparação de fósforos, na medição de espessura e em luzes de navegação.
Samário (Sm)
Em 1879, Boisbaudran descobriu um novo elemento de terras raras a partir do "praseodímio-neodímio" obtido da columbita de ítrio e o batizou de samário em homenagem ao minério.
O samário tem cor amarela clara e é a matéria-prima dos ímãs permanentes de samário-cobalto, os primeiros ímãs de terras raras a serem usados industrialmente. Esses ímãs permanentes vêm em dois tipos: a série SmCo5 e a série Sm2Co17. A série SmCo5 foi inventada no início da década de 1970, seguida pela série Sm2Co17 mais tarde. Atualmente, a demanda por esse último tipo é predominante. A pureza do óxido de samário usado nos ímãs de samário-cobalto não precisa ser muito alta; por motivos de custo, os produtos com pureza de cerca de 95% são usados principalmente. O óxido de samário é usado em capacitores e catalisadores de cerâmica. Além disso, o samário tem propriedades nucleares e pode ser usado como material estrutural, de blindagem e de controle em reatores nucleares, permitindo a utilização segura da enorme energia gerada pela fissão nuclear.
Európio (Eu)
Em 1901, Eugene-Antoine Demarcay encontrou um novo elemento que veio do samário e o chamou de európio. Esse nome provavelmente foi derivado do termo "Europa". O óxido de európio é o principal ingrediente dos fósforos. O Eu3+ atua como ativador dos fósforos vermelhos, enquanto o Eu2+ é a fonte dos fósforos azuis. O Eu3+ é usado como ativador para os fósforos vermelhos, enquanto o Eu2+ é usado para os fósforos azuis. Atualmente, o Y2O2S: Eu3+ é o melhor fósforo em termos de eficiência luminosa, estabilidade de revestimento e custos de reciclagem. Juntamente com os aprimoramentos na tecnologia para melhorar a eficiência luminosa e o contraste, ele está ganhando ampla aplicação. Nos últimos anos, o óxido de európio também tem sido usado como fósforo de emissão estimulada em novos sistemas de diagnóstico médico por raios X. O óxido de európio também é usado na fabricação de lentes coloridas e filtros ópticos, em dispositivos de armazenamento de bolhas e como controle, blindagem e materiais estruturais em reatores nucleares.
Gadolínio (Gd). Em 1880, G. de Marignac, da Suíça, separou o "samário" em dois elementos, um dos quais foi confirmado como samário por Sorit, e o outro foi confirmado pela pesquisa de Boisbaudret. Em 1886, Marignac batizou esse novo elemento de gadolínio em homenagem ao descobridor do ítrio, o químico holandês Gadolin, pioneiro na pesquisa de terras raras. O gadolínio desempenhará um papel importante na inovação tecnológica moderna. Seus principais usos são:
(1) Seu complexo paramagnético solúvel em água pode melhorar o sinal de imagem de ressonância magnética nuclear (NMR) do corpo humano na medicina.
(2) Seu óxido de enxofre pode ser usado como uma grade de matriz para osciloscópios com brilho especial e telas fluorescentes de raios X.
(3) O gadolínio na granada de gadolínio e gálio é um substrato único ideal para o armazenamento de memória de bolhas.
(4) Pode ser usado como um meio de refrigeração magnético sólido quando não há limite de ciclo Camot.
(5) Usado como inibidor para controlar o nível de reação em cadeia em usinas nucleares para garantir a segurança das reações nucleares.
(6) Usado como aditivo em ímãs de samário-cobalto para garantir que seu desempenho não se altere com a temperatura.
Gadolínio (Gd)
Em 1880, G. de Marignac, da Suíça, separou o "samário" em dois elementos, um dos quais foi confirmado como samário por Sorit, e o outro foi confirmado pela pesquisa de Boisbaudret. Em 1886, Marignac batizou esse novo elemento de gadolínio em homenagem ao descobridor do ítrio, o químico holandês Gadolin, pioneiro na pesquisa de terras raras. O gadolínio desempenhará um papel importante na inovação tecnológica moderna.
Seus principais usos são:
(1) Seu complexo paramagnético solúvel em água pode melhorar o sinal de imagem de ressonância magnética nuclear (NMR) do corpo humano na medicina.
(2) Seu óxido de enxofre pode ser usado como uma grade de matriz para osciloscópios com brilho especial e telas fluorescentes de raios X.
(3) O gadolínio na granada de gadolínio e gálio é um substrato único ideal para o armazenamento de memória de bolhas.
(4) Pode ser usado como um meio de refrigeração magnético sólido quando não há limite de ciclo Camot.
(5) Usado como inibidor para controlar o nível de reação em cadeia em usinas nucleares para garantir a segurança das reações nucleares.
(6) Usado como aditivo em ímãs de samário-cobalto para garantir que seu desempenho não se altere com a temperatura.
Térbio (Tb)
Karl G. Mosander, da Suécia, descobriu o térbio em 1843, por meio de sua pesquisa sobre a terra de ítrio. A principal área de aplicação do térbio é o setor de alta tecnologia. Trata-se de um projeto de tecnologia intensiva e de conhecimento intensivo que está à beira da inovação tecnológica.
As principais áreas de aplicação são:
(1) Fósforo usado como ativador para pó verde em fósforos tricolores, matriz de fosfato ativado por térbio, matriz de silicato ativado por térbio e matriz de aluminato de cério e magnésio ativado por térbio, que emitem luz verde no estado excitado.
(2) Nos últimos anos, os materiais magneto-ópticos à base de térbio atingiram o ponto de produção em larga escala. Atualmente, os discos magneto-ópticos à base de filmes finos amorfos de Tb-Fe são utilizados como mídia de armazenamento de computadores, e a capacidade de armazenamento é aumentada em 10 a 15 vezes.
(3) Vidro magneto-óptico. O vidro de rotador Faraday contendo térbio é um material essencial para a fabricação de rotadores, isoladores e circuladores, além de ser amplamente utilizado na tecnologia laser. Em particular, o desenvolvimento da liga magnetostritiva terbium-dysprosium iron (TerFenol) abriu novas aplicações para o térbio. Descoberto na década de 1970, o TerFenol é metade térbio e disprósio, às vezes com adição de hólmio, e o restante é ferro. Desenvolvido inicialmente no Laboratório Ames, em Iowa, EUA, o TerFenol apresenta uma mudança dimensional maior do que os materiais magnéticos típicos quando exposto a um campo magnético. Essa mudança permite um movimento mecânico preciso. O TerFenol foi inicialmente utilizado principalmente em sonares, mas agora tem sido amplamente utilizado em vários campos da tecnologia, como sistemas de injeção de combustível, controle de válvulas líquidas e microposicionamento, bem como em atuadores mecânicos, mecanismos e ajustadores de asa para aeronaves e telescópios espaciais.
Disprósio (Dy)
Em 1886, o francês Boisbaudet separou com sucesso o hólmio em dois elementos. Um deles ainda é chamado de hólmio, e o outro é chamado de disprósio porque é "difícil de obter" a partir do hólmio. Atualmente, o disprósio desempenha uma função cada vez mais importante em muitos campos de alta tecnologia.
Os principais usos do disprósio são:
(1) Como aditivo para ímãs permanentes de NdFeB. A adição de cerca de 2% a 3% de disprósio a esses ímãs pode aumentar sua coercividade. No passado, a demanda por disprósio não era grande, mas com o aumento da demanda por ímãs de NdFeB, ele se tornou um elemento aditivo necessário. O grau deve estar em torno de 95% a 99,9%, e a demanda também está aumentando rapidamente.
(2) O disprósio é usado como ativador de fósforo. O disprósio trivalente é um íon ativador promissor para materiais luminescentes tricromáticos de centro de luminescência único. Ele consiste principalmente em duas bandas de emissão, uma para emissão de luz amarela e outra para emissão de luz azul. Os materiais luminescentes dopados com disprósio podem ser usados como fósforos tricromáticos.
(3) O disprósio é uma matéria-prima metálica essencial para a preparação da liga magnetostritiva gigante de ferro terbium disprósio (Terfenol), que pode permitir o movimento preciso de alguns sistemas mecânicos.
(4) O disprósio metálico pode ser usado como um material de armazenamento magneto-óptico com alta velocidade de gravação e sensibilidade de leitura.
(5) É usado na preparação de lâmpadas de disprósio. A substância de trabalho usada nas lâmpadas de disprósio é o iodeto de disprósio. Essa lâmpada tem as vantagens de alto brilho, boa cor, alta temperatura de cor, tamanho pequeno e arco estável. Ela tem sido usada como fonte de iluminação para filmes, impressão, etc.
(6) Como o disprósio tem a característica de uma grande seção transversal de captura de nêutrons, ele é usado no setor de energia atômica para medir o espectro de energia de nêutrons ou como absorvedor de nêutrons.
Hólmio (Ho)
Na segunda metade do século XIX, a descoberta da análise espectral e a publicação da tabela periódica, juntamente com o progresso da tecnologia de separação eletroquímica de elementos de terras raras, promoveram ainda mais a descoberta de novos elementos de terras raras. Em 1879, o químico sueco Svante Cliff descobriu o elemento hólmio e o batizou com o nome da capital sueca, Estocolmo.
O campo de aplicação do hólmio ainda precisa ser mais desenvolvido, e a quantidade utilizada não é muito grande. Recentemente, o Baotou Steel Rare Earth Research Institute utilizou a tecnologia de purificação por destilação de alta temperatura e alto vácuo para desenvolver o hólmio metálico de alta pureza com um teor muito baixo de impurezas de terras não raras, Ho/ΣRE>99,9%.
Atualmente, os principais usos do hólmio são:
(1) Foi usado como um aditivo para lâmpadas de haleto metálico. As lâmpadas de haleto metálico referem-se às lâmpadas de descarga de gás baseadas em lâmpadas de mercúrio de alta pressão. Sua característica é que o bulbo é preenchido com diferentes haletos de terras raras. Atualmente, são usados principalmente iodetos de terras raras, que, durante a descarga de gás, emitem várias cores de linhas espectrais. A fonte de luz das lâmpadas de hólmio é o iodeto de hólmio, que pode produzir uma concentração mais alta de átomos metálicos na zona do arco, aumentando consideravelmente a eficiência da radiação.
(2) O hólmio é um elemento que pode ser utilizado como aditivo para o ferro de ítrio ou para a granada de ítrio e alumínio.
(3) A granada de ítrio e alumínio dopada com hólmio (YAG) é um material que pode produzir luz laser em um comprimento de onda de 2μm. O tecido humano tem uma eficiência de absorção muito alta para a luz laser de 2μm, que é quase três ordens de magnitude maior do que o HD: YAG. Suponhamos que usemos lasers Ho: YAG para cirurgia médica. Um feixe sem hólmio gerado por cristais de hólmio pode eliminar a gordura sem produzir muito calor e, assim, é possível minimizar o dano térmico aos tecidos saudáveis.
(4) O hólmio em quantidades muito pequenas pode ser incorporado adicionalmente à liga magnetostritiva Terfenol-D para reduzir o campo externo necessário que corresponde à magnetização de saturação da liga.
(5) As fibras ópticas dopadas com hólmio são adequadas para a fabricação de vários componentes optoeletrônicos, como lasers de fibra óptica, amplificadores de fibra óptica, sensores de fibra óptica e dispositivos de comunicação óptica que serão mais significativos na atual comunicação por fibra óptica, que cresce rapidamente.
Érbio (Er)
Em 1843, o cientista sueco Mosander descobriu o elemento érbio. As propriedades ópticas do érbio são excepcionais e sempre foram uma preocupação para as pessoas:
(1) A emissão de luz do Er3+ a 1550nm é de especial importância porque esse comprimento de onda está exatamente no ponto de menor perda da fibra óptica na comunicação por fibra óptica. Depois de serem excitados por luz de comprimentos de onda de 980nm e 1480nm, os íons de érbio (Er3+) passam do estado fundamental 4I15/2 para o estado de alta energia 4I13/2. Quando o Er3+ no estado de alta energia faz a transição de volta para o estado fundamental, ele emite luz com comprimento de onda de 1550 nm. A fibra óptica de quartzo pode transmitir luz de vários comprimentos de onda, mas a taxa de atenuação da luz de diferentes comprimentos de onda é diferente. A luz na faixa de 1550 nm tem a menor taxa de atenuação de luz (0,15 dB/km) quando transmitida por fibra óptica de quartzo, que é quase o limite inferior da taxa de atenuação.
(2) Além disso, os cristais de laser dopados com érbio e seus lasers de saída de 1730 nm e 1550 nm são seguros para os olhos humanos, têm bom desempenho de transmissão atmosférica, grande capacidade de penetrar na fumaça do campo de batalha, boa confidencialidade, não são facilmente detectados pelo inimigo e têm alto contraste ao iluminar alvos militares. Eles foram transformados em telêmetros a laser portáteis que são seguros para os olhos humanos para uso militar.
(3) O Er3+ pode ser adicionado ao vidro para produzir materiais de vidro de terras raras, que atualmente são os materiais de laser sólido com a maior energia de pulso de saída e a maior potência de saída.
(4) O Er3+ também pode ser usado como um íon ativo para materiais de laser de conversão ascendente de terras raras.
(5) O érbio também pode ser usado para a descoloração e coloração de lentes de óculos, vidro e vidro cristalizado.
Túlio (Tm)
O túlio foi descoberto por Clive, da Suécia, em 1879, e recebeu o nome do antigo nome da Escandinávia, Thule.
Os principais usos do túlio são os seguintes: (1) O túlio é usado como fonte de radiação para máquinas portáteis de raios X para uso médico. Após a irradiação em um reator nuclear, o túlio produz um isótopo que pode emitir raios X. Ele pode ser usado para fabricar irradiadores de sangue portáteis. Esse irradiador pode converter o túlio-169 em túlio-170 sob a ação de feixes de nêutrons de alta pressão, emitindo raios X para irradiar o sangue e reduzir o número de glóbulos brancos. Esses glóbulos brancos causam a rejeição de transplantes de órgãos, reduzindo assim a rejeição precoce de órgãos.
(2) O túlio pode ser empregado clinicamente para diagnosticar e tratar neoplasias, pois apresenta maior afinidade hematopoiética pelo tecido tumoral. As terras raras pesadas possuem uma afinidade maior do que as terras raras leves, e o túlio está no topo da lista das maiores afinidades.
(3) O túlio é usado como um ativador, LaOBr: Br (azul), no fósforo usado em telas de intensificação de raios X para aumentar a sensibilidade óptica, reduzindo assim a exposição e os danos dos raios X aos seres humanos. Em comparação com as telas intensificadoras de tungstato de cálcio anteriores, ele pode reduzir a dose de raios X em 50%, o que tem um significado prático importante em aplicações médicas.
(4) O túlio também pode ser usado como um aditivo em novas fontes de iluminação, como as lâmpadas de haleto metálico.
(5) O Tm3+ pode ser adicionado ao vidro para produzir materiais a laser de vidro de terras raras, atualmente os materiais a laser sólidos com o maior volume de pulso de saída e a maior potência de saída. O Tm3+ também pode ser um íon ativador para materiais a laser de conversão ascendente de terras raras.
Itérbio (Yb)
Jean Charles e G. de Marignac encontraram um novo elemento de terras raras no "érbio" em 1878, que mais tarde foi chamado de Ytterbium em homenagem a Ytterby.
Os principais usos do itérbio são:
(1) como um material de revestimento de proteção térmica. O itérbio pode ser muito eficaz para melhorar a resistência à corrosão da camada de zinco galvanizado, e o revestimento com a adição de itérbio é de grão mais fino e mais uniforme e compacto do que o revestimento sem o elemento.
(2) como um material magnetostrictivo. Esse material tem a propriedade de supermagnetostricção, ou seja, expansão em um campo magnético. A liga compreende principalmente liga de itérbio/ferrita e liga de disprósio/ferrita, e uma certa proporção de manganês é adicionada para produzir supermagnetostricção.
(3) Os elementos de itérbio são usados para medir a pressão. Os experimentos mostraram que os elementos de itérbio têm alta sensibilidade dentro da faixa de pressão calibrada e, ao mesmo tempo, abriram um novo caminho para a aplicação do itérbio na medição de pressão.
(4) Preenchimentos à base de resina para cavidades molares, substituindo a liga de prata e mercúrio comumente usada anteriormente.
(5) Pesquisadores japoneses concluíram a preparação de lasers de guia de onda de circuito integrado de granada de gadolínio e gálio dopados com itérbio, o que é de grande importância para o desenvolvimento da tecnologia de laser. Além disso, o itérbio também é usado como ativador de fósforo, cerâmica de rádio, aditivo de elemento de memória de computador (bolha), fluxo de fibra de vidro e aditivo de vidro óptico.
Lutécio (Lu)
1907 Welsbach e Urbain pesquisaram e descobriram, de forma independente, um novo elemento a partir do "itérbio" usando diferentes métodos de separação. Welsbach deu a esse elemento o nome de Cp (Cassiopeium) e Urbain o nome de Lu (Lutetium), com base no antigo nome de Paris, Lutetia. Mais tarde, descobriu-se que o Cp e o Lu eram o mesmo elemento, por isso foram chamados coletivamente de lutécio.
(1) Fabricação de algumas ligas especiais. Por exemplo, a análise de ativação de nêutrons pode ser feita com uma liga de lutécio-alumínio.
(2) Os nuclídeos estáveis de lutécio catalisam reações de craqueamento, alquilação, hidrogenação e polimerização do petróleo.
(3) Adição de elementos à granada de ítrio, ferro ou alumínio para melhorar determinadas propriedades.
(4) Matérias-primas para armazenamento de bolhas magnéticas.
(5) Um cristal funcional composto, o tetraborato de alumínio dopado com lutécio (ítrio-neodímio), pertence ao campo técnico do crescimento de cristais por resfriamento de solução salina. Os experimentos demonstraram que os cristais NYAB dopados com lutécio são superiores aos cristais NYAB em termos de uniformidade óptica e desempenho do laser.
(6) Pesquisas realizadas por departamentos estrangeiros relevantes descobriram que o lutécio tem uso potencial em telas eletrocrômicas e semicondutores moleculares de baixa dimensão.
Além disso, o lutécio também é usado na tecnologia de baterias de energia e como ativador de fósforos.
Ítrio (Y)
Em 1788, Karl Arrhenius, um oficial militar sueco que era químico amador, mineralogista e colecionador de minérios, descobriu um mineral preto que parecia asfalto e carvão no vilarejo de Ytterby, nos arredores da Baía de Estocolmo. Ele o chamou de Ytterbite, em homenagem ao nome do lugar. Em 1794, o químico finlandês Johann Gadolin analisou uma amostra de itérbio. Ele descobriu que, além de óxidos de berílio, silício e ferro, ela também continha 38% óxidos de um elemento desconhecido, chamado de "solo novo". Em 1797, o químico sueco Anders Gustaf Ekeberg confirmou esse "novo solo" e o chamou de Yttria (óxido de ítrio).
(1) Um aditivo para aço e ligas não ferrosas. As ligas de FeCr normalmente contêm 0,5-4% de ítrio, o que pode melhorar a resistência à oxidação e a ductilidade desses aços inoxidáveis. A adição de uma quantidade adequada de terras raras mistas ricas em ítrio à liga MB26 melhora significativamente o desempenho abrangente da liga, e ela pode substituir algumas ligas de alumínio de resistência média para uso como componentes de suporte de carga de aeronaves. Uma pequena quantidade de terras raras ricas em ítrio adicionada à liga Al-Zr aumenta sua condutividade. A maioria das fábricas nacionais de fios adotou essa liga. A adição de ítrio na liga de cobre leva a uma melhora na condutividade e na resistência mecânica.
(2) Os componentes do motor podem ser desenvolvidos usando materiais cerâmicos de nitreto de silício contendo 6% de ítrio e 2% de alumínio.
(3) Use um feixe de laser de neodímio ítrio alumínio granada de 400 watts para realizar o processamento mecânico, como perfuração, corte e soldagem em componentes grandes.
(4) As telas fluorescentes de microscópio eletrônico compostas de monocristais de granada Y-Al têm alto brilho de fluorescência, baixa absorção de luz dispersa e boa resistência a altas temperaturas e ao desgaste mecânico.
(5) As ligas estruturais com alto teor de ítrio, contendo até 90%, podem ser usadas na aviação e em outras aplicações que exigem baixa densidade e alto ponto de fusão.
(6) Os materiais condutores de prótons de alta temperatura SrZrO3 dopados com ítrio, que atualmente estão atraindo muita atenção, são de grande importância para a produção de células de combustível, células eletrolíticas e sensores de gás que exigem alta solubilidade de hidrogênio. Além disso, o ítrio também é usado em materiais de pulverização resistentes a altas temperaturas, diluentes para combustível de reatores nucleares, aditivos para materiais de ímãs permanentes e como um getter no setor de eletrônicos.
Escândio (Sc)
1879 Os professores de química suecos L.F. Nilson (1840-1899) e P.T. Cleve (1840-1905) descobriram um novo elemento nos minerais raros gadolinita e silvatita. Eles chamaram esse elemento de "escândio", o elemento "semelhante ao boro" previsto por Mendeleev. Sua descoberta confirmou ainda mais a validade da tabela periódica e a previsão de Mendeleev.
Em comparação com o ítrio e os lantanídeos, o escândio tem um raio iônico muito menor e seu hidróxido é muito mais fraco em alcalinidade. Portanto, quando o escândio e os elementos de terras raras são misturados e tratados com amônia (ou álcali muito diluído), o escândio precipitará primeiro. Portanto, ele pode ser separado com relativa facilidade dos elementos de terras raras usando o método de "precipitação fracionada". Outro método é usar a decomposição de polarização de nitratos para a separação. Como o nitrato de escândio é o mais fácil de decompor, o objetivo da separação pode ser alcançado. O escândio metálico pode ser obtido por eletrólise.
Quando o escândio metalúrgico está sendo processado, três substâncias, ScCl3, KCl e LiCl, são misturadas e eletrolisadas usando zinco fundido como cátodo. O escândio se precipita no eletrodo de zinco e, em seguida, o zinco é evaporado, restando apenas o escândio metálico.
Além disso, o escândio é muito fácil de recuperar durante o processamento do minério para obter os elementos urânio, tório e lantanídeo.
Não se trata apenas de urânio, tório e elementos lantanídeos, mas também da recuperação de escândio associado de minérios de tungstênio e estanho, que são considerados uma importante fonte de escândio. O escândio está principalmente no estado trivalente em compostos e é muito suscetível à oxidação na forma de Sc2O3 pelo oxigênio no ar; o brilho do metal desaparece e a cor muda para cinza escuro.
Além disso, os principais usos do escândio são:
(1) O escândio pode reagir com água quente para liberar hidrogênio e também é facilmente solúvel em ácido. É um forte agente redutor.
(2) Os óxidos e hidróxidos de escândio são apenas alcalinos, mas suas cinzas salinas são quase insolúveis em água. O cloreto de escândio é um cristal branco que é facilmente solúvel em água e pode ser deliquescente no ar.
(3) Na indústria metalúrgica, o escândio é frequentemente usado na fabricação de ligas (aditivos de liga) para melhorar a força, a dureza, a resistência ao calor e o desempenho da liga. Por exemplo, adicionar uma pequena quantidade de escândio ao ferro fundido pode melhorar significativamente as propriedades do ferro fundido, e adicionar uma pequena quantidade de escândio ao alumínio pode melhorar sua força e resistência ao calor.
(4) O escândio é um elemento que encontra inúmeras aplicações na indústria de semicondutores. Um exemplo é o uso de sulfito de escândio nos semicondutores que se tornaram muito populares entre várias nações; além disso, as ferritas contendo escândio ainda são núcleos de computador promissores.
(5) Na indústria química, os compostos de escândio são usados como agentes de desidrogenação e desidratação de álcool e como catalisadores eficientes na produção de etileno e de cloro usando ácido clorídrico residual.
(6) Vidros especiais contendo escândio podem ser fabricados na indústria do vidro.
(7) No setor de iluminação elétrica, as lâmpadas de escândio-sódio, feitas de escândio e sódio, têm as vantagens de alta eficiência e cor de luz positiva.
(8) O escândio existe na natureza na forma de 45Sc. Além disso, o escândio tem nove isótopos radioativos, a saber, 40-44Sc e 46-49Sc. Entre eles, o 46Sc tem sido usado como rastreador na indústria química, metalurgia e oceanografia.
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