希土元素是典型的金属元素,为银白色金属,比较软,有延展性。它们的活泼性仅次于碱金属和碱土金属。因此,希土金属要保存在煤油里,否则与潮湿空气接触就被氧化而变色。金属活泼顺序:由Sc,Y,La递增;由La~Lu递减:即镧最活泼。
希土金属密度随着原子序数增加,从La(6.17g·cm-3)到Lu(9.84g·cm-3)逐渐增加。但Eu(5.26g·cm-3)和Yb(6.98g·cm-3)的密度较小,其原因前面提到过,由于其原子半径较大的缘故。
镧系元素是相当强的活泼金属,反应性可与铝比。其电极电势均约为-2.3V。轻希土金属的燃点很低,铈为438K,镨为563K,钕为543K,在燃烧时放出大量热。当以铈为主的混合轻希土金属在不平的表面擦摩时,其细末就会自燃,因此,可用来制造民用打火石和军用引火合金。引火合金用于子弹的引信或点火装置。
镧系金属的典型化学反应,见表23-7。
表23-7 镧系金属的典型化学反应
反应物 | 产物 | 反应条件 |
X2(=F2-I2) | LnX3 | 室温反应慢,573K以上燃烧 |
O2 | Ln2O3 | 室温反应慢:423~453K燃烧 Ce,Pr,Tb生成LnOx(x=1.5~2.0) |
O2+H2O | Ln2O3·xH2O | 室温轻希土反应快,重希土生成Ln2O3,Eu生成Eu(OH)2·H2O |
S3 | Ln2S3(某些Ln还生成LnS,LnS2,Ln3S4) | 在硫的沸点 |
N2 | LnN | 1273K以上 |
C | LnC2,Ln2C3 | 高温 |
H2 | LnH2,LnH3 | 573K以上反应快 |
H+(稀HCl,H2SO4,HClO4,HAc等) | Ln3+(+H2) | 室温下反应快 |
H2O | Ln2O3或Ln2O3·xH2O(+H2) | 室温下慢;较高温度时反应发生很快 |
虽然希土金属本身的机械性能很差,但用它来制造合金则可增加钢的硬度和强度。加到用于电阻丝的镍-铬合金中,可以延长使用寿命。我国已应用希土生产很多新钢种。此外,我国还利用希土生产希土球墨铸铁,可以达到或超过钢的性能,这样以铁代钢就大量节省钢材,降低产品成本。
在石油工业中,希土主要用作制备分子筛型裂化催化剂。希土催化剂还成功地用于合成异戊橡胶和顺丁橡胶。
长期以来希土就用于玻璃、陶瓷制造工业。近来在生产磨料、制造光学玻璃,用于原子能工业的玻璃、高温陶瓷及其它最新技术用的玻璃中,广泛地应用了希土。希土可使玻璃具有特种性能和颜色。也用来制特种玻璃如能通过红外线的玻璃,能吸收紫外线的玻璃,能耐X射线的玻璃以及特种光学性能的玻璃。
希土钴永磁材料用于高频管,多种微波设备、航空与宇宙航行器的仪表。希土激光材料应用于激光技术。近年来希土作为荧光材料用于彩色电视中。彩色电视能传播天然彩色是由于彩色显象管中发射红、绿、蓝光三种基色荧光粉,在电子束作用下发出不同亮度的三色光搭配而成的。三种基色荧光粉中,蓝色和绿色粉料的制取较早得到解决,唯独红粉达不到要求,1964年后相継使用钇铕化合物的红粉,彩色电视的红色基质才有了突破。希土还用于新的照明光源——金属卤素灯,例如镝灯用的工作物质是碘化镝,钬灯中用碘化钬。
根据近年来的统计,国外希土元素大部分(70%)使用在冶金和石油催化剂方面。