鲁超，赛先生 阅读原文 18 世纪，欧洲人破解了中国的陶瓷，长石矿的需求与日俱增。瑞典也不例外，1780 年，距离斯德哥尔摩 20 公里以外的于特比小岛上，一座新的长石矿动工了，谁都没有想到，这座小岛上的矿山竟然会带领人类进入一扇什么样的大门。 于特比小岛上的矿山。 1787 年，瑞典的一位兼职化学家阿伦尼乌斯（不是后来获得诺贝尔奖的那个）来到于特比小岛的矿山上考察，发现了一种坚硬的黑色石头，他以为是刚发现的钨。 阿伦尼乌斯只是一个小人物，他把这些黑色石头邮寄给了多位化学家，求他们帮忙鉴定一下。经过一番辗转，矿石到了芬兰化学家加多林手上。 加多林出生于科学世家，他的祖父是一位物理学教授兼教会的主教，父亲在神学方面就降格了一点，是一位物理学家兼神学教授，到了加多林，他响应当时的启蒙运动，彻底摆脱了神学，投奔到理性的怀抱。 芬兰化学家加多林，钇的发现者 年轻时代，加多林走遍了欧洲大陆，回国之后，他选择了一个叫图尔库的地方静心研究各种矿石，逐渐小有名气，欧洲各国的地质学家、化学家都开始给他邮寄一些不寻常的矿石，求他鉴定，瑞典的化学人当然也不例外。 加多林仔细研究了黑色石头，发现这绝不是钨，里面有 38% 是一种新元素的氧化物，性质部分跟氧化钙相似，部分跟氧化铝相似。他就用这些石头的「故居」于特比（Ytterby）来命名这种新元素——Yttrium，翻译成中文就是「钇」。1794 年，加多林发表了他完整的分析过程，虽然加多林并没有将钇分离出来，但大家都公认加多林是钇的发现者。 较纯的钇。 一直到 1828 年，维勒用钾还原氯化钇，得到了单质钇。然而，好戏才刚刚开始，维勒得到的钇并不是纯净的钇。1843 年，法国化学家莫桑德发现，氧化钇绝不像加多林想象的那样，是一种金属的氧化物，他竟然分离出来三种氧化物：白色的氧化钇，黄色的氧化铽，玫瑰色的氧化铒，一下子又有两种新元素被发现了。 在当时，习惯于将金属氧化物称为「土」，比如氧化铝是白土，氧化镁是苦土等等，而一开始化学家们也只能得到钇等元素的氧化物，在当时，它们算得上「稀有」，因此把它们称为「稀土」。 事实上，总共有 7 种元素跟于特比小镇有关，于特比小镇堪称元素小镇。 钇不过是第一种被发现的稀土元素，在这之后，化学家们花费了几十年，用了种种手段，化学分析、光谱分析、X 射线，终于发现了铈，镧，铽，铒，镱，钪，铥，钬，镝，钐，钆，镨，钕，铕和镥十几种元素。有人说，加多林抖了抖于特比的钱袋，一枚又一枚金币就这样落下来了。加多林和钇一起开启了稀土元素的大门！ 几种稀土元素的氧化物，后：钆、镨、铈（左起）；中：钐、镧（左起），前：钕 笔者亲笔「手绘」稀土元素的发现史，真是一场大片。 鲁超：【元素家族——连载 166】开启两扇大门的钇元素鲁超：【元素家族——连载 121】来自北欧半岛的元素鲁超：【元素家族 - 连载 197】打开稀土元素的四道门（上）鲁超：【元素家族 - 连载 198】打开稀土元素的四道门（下） 最后发现的稀土元素钷是放射性元素，在自然界几乎不存在，有人估计过，整个地壳里，总共存在着 572 克钷元素，却零星分布在各地，当然很难发现。 1947 年，美国田纳西州橡树岭国家实验室的三位研究人员：马林斯基、格伦丁宁、科里尔宣布他们两年前从铀的裂变产物中发现了 61 号元素钷。这是铀元素之前，人类发现的最后一种元素，至此，元素周期表上再也没有空白。在这之后，虽然还有人造元素不断被创造出来，但这已经具有新的意义了！ 钷元素的三位发现者：马林斯基、格伦丁宁、科里尔。（从左到右） 鲁超：【元素家族 - 连载 199】填补元素周期表最后的空白 为何稀土元素如此爱扎堆，总是形影不离，让化学家费尽千辛万苦？ 元素周期表上的每一行代表一个周期，每个周期从左到右，原子半径逐渐减小。主族元素间，原子序数增加 1，原子半径平均减小 10 pm；过渡元素间，原子序数增加 1，原子半径平均减小 5 pm；而镧系元素（从 57 号元素镧到 71 号元素镥）里，原子序数增加 1，原子半径平均只有 1pm 的减小，从镧到镥原子半径共减小了 14.3 pm，这在化学上被称为「镧系收缩」。 原子半径如此相似，造成这些镧系元素化学性质极其相似，成矿时经常出现在一起，也真难为了化学家们。钇离子和钬离子、铒离子的半径差不多，所以跟他们一起并称为稀土元素。（有些时候，还将钪元素也包括在内。） 理论上，锕系元素也会有这样的现象，但锕系元素多为放射性元素，化学性质忽略不计了。 稀土家族在元素周期表中的位置。 在这里不得不提一下我国的徐光宪院士，他在 wg 期间，难能可贵的进行稀土分离和萃取方面的研究，并获得突破，于 1975 年提出了稀土串级萃取理论。他的研究成果很快得到工业化应用，成为我国稀土产业的重要理论支柱！ 获奖的徐光宪院士 回过头来，将他们叫做「稀土」，是一个历史上的误会。后来人们发现，其实很多种稀土元素的蕴藏量根本不少，比如镧、铈、钕，地壳中跟铜也差不了多少，比铅还要多，最多的铈元素竟然是地壳中第 25 丰富的元素。因此它们的用途就相对广泛一点。 地壳元素丰度图，真正稀有的是贵金属元素：铑、钌、钯、锇、铱、铂和金、铼、碲等元素。稀土元素（蓝色）并不稀有 有一种金属合金叫做「打火石」，是含有镧和铈的合金，由于它们的燃点很低，铈甚至只有 165 度，因此只要轻微撞击，就会出现火花。 这种打火石最早被火枪兵和炮兵带在身上，开枪或开炮之前的打火都得靠它。后来烟民们手中的打火机里也有这玩意，每次用齿轮摩擦一下打火石，火星就会点燃挥发出的汽油。 传统的打火机里都有这种打火石。 在可充放电的镍氢电池里，阳极材料是一种镧钕合金，成分大致如此：La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1。 稀土元素是镍氢电池的阳极材料。 说到钕元素，这算是一个几乎家家都有的元素。有一种钕铁硼合金，是迄今为止我们所能得到的最强的永磁体，号称「磁王」。如果你手上有一小块钕铁硼（家用电器里的），几十公分以外放置一个，它俩的磁力会让你的手受到痛击。有人开玩笑说，如果有人相隔几小时吞下两块钕磁体，绝对可以导致肠穿孔。 把自己都夹碎的「磁王」。 「磁王」在我们身边可以说是到处都是，比如耳机、电吉他、硬盘、麦克风等，还有在墙上粘图纸、挂工具的那些小玩意里面也都有钕元素。甚至工地上回收废铁，也可以用磁王。 用一小块「磁王」可以吊起这么重的废铁。 1995 年，著名的美籍华人物理学家丁肇中提出，用阿尔法磁谱仪去探测反物质和暗物质，检验现有物理理论。阿尔法磁谱仪的原理就是用一个强大的磁场对通过磁谱仪的带电粒子施加洛伦兹力，让其偏转，根据偏转的路径可以计算出不同的带电粒子，学过高中物理的小朋友们都懂。 原本科学家们希望用超导磁体，但在太空环境下，用于冷却的液氦容易散逸，最后还是选择了永磁体，「磁王」钕铁硼当仁不让的扛下了这个艰巨的任务，这实际上是阿尔法磁谱仪的核心部件。它由我国的中科院电工所设计制，使用了 1.2 吨钕铁硼材料，可以产生 0.15 特斯拉的磁场强度。因此丁肇中说：「中国科学家为磁谱仪实验作出了决定性贡献。」 阿尔法磁谱仪外观。 钕的兄弟们磁性也都很强，比如钐钴磁体的居里温度比钕铁硼还高，可以在更高的温度下工作。而钆的化合物具有更好的顺磁性，因此经常备用来做核磁共振的造影剂。而所有元素中，钬的磁矩最大，氧化钬是顺磁性最强的物质。 2017 年 3 月，IBM 在《自然》杂志上发表论文，他们在氧化镁表层附着一粒一粒磁化的钬原子（Holmium），同时可以使原子磁极保持稳定，不会受到其他磁场干扰。因此每一颗钬原子可以存储一个比特的信息。这种「未来硬盘」技术可以让硬盘缩小 1000 倍。研发团队表示，利用这一技术，他们可以在一个银行卡大小的硬盘上存储 3500 万首音乐（整个 iTunes 音乐库）。 IBM 用钬原子存储信息，「未来硬盘」技术，还有什么不可能？ 由于篇幅限制，我们无法对所有稀土元素的神奇应用一一列举了，我们要相信，这些兄弟们真的都在我们身边发挥着各种各样的作用。甚至有人指出，21 世纪每 6 项新技术的发明，就有一项离不开稀土。 苹果手机里的稀土元素们。 鲁超：【元素家族——连载 200】谁是「磁王」？ 众多稀土元素虽然最早在瑞典小镇于特比被发现，主要还是因为当时的瑞典是化学分析最强的国家之一，不代表瑞典是稀土储量最大的地方。 后来，在印度、巴西和南非都发现了很大的稀土矿，但和中国矿山的生产规模相比，它们相形见绌。国务院新闻办 2012 年发布的《中国的稀土状况与政策》白皮书显示，我国稀土储量约占世界总储量的 23%，却承担了世界 90% 以上的市场供应。另据国外资料显示：2017 年，中国的稀土储量仅占全球的 36.7%，产量却贡献了全球的 81%，主要分布在内蒙古。 要知道，这些稀土在很长时间内都是以极低的「白菜价」出口出去的。 白云鄂博有世界上最大的稀土矿。 我国已经意识到了稀土资源的重要性，并宣布了有关出口和打击走私的规定，2009 年 9 月 1 日，中国宣布计划在 2010-2015 年将出口配额减少到每年 3.5 万吨，以节约稀缺资源和保护环境。这样的行动却被 WTO 裁定中国违反了自由贸易协定。中国被迫宣布将于 2014 年 9 月 26 日执行该裁决，但需要一些时间。到 2015 年 1 月 5 日，中国已经取消了所有稀土出口配额。 稀土元素氧化物的生产量变化图 与之相反，其他国家正在囤积稀土资源，例如加利福尼亚州的帕斯山煤矿，在中国低价出口时期关闭，之后中国紧缩出口，该煤矿于 2012 年 8 月 27 日宣布重启运营。与之类似的还有澳大利亚中部的诺兰项目、阿拉斯加的波坎山项目、加拿大北部海达斯湖项目等。 2010 年在格陵兰岛南部的 Kvanefjeld 发现了大量的稀土矿藏，欧盟已敦促格陵兰限制中国在那里开发稀土项目，但格陵兰政府表示没有实施此类限制的计划。 格陵兰岛此处发现了储量为 10 亿吨的稀土矿，有效含量约为 1.1%。 另据报道，朝鲜在 2014 年 5 月和 6 月向中国出口了价值 188 万美元的稀土矿石。有媒体表示，稀土元素可能是 2018 年朝鲜与美国关系解冻的原因之一。 谁能想到，稀土竟然是促使这次会谈的原因之一？ 阅读原文
