Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2003, № 11

М Г Г У 

:.и. ШАХОВА 

!.Ю. ЧЕРНЕГОВ 

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ 

КРАТКИЕ СВЕАЕНИЯ О РЕАКИХ 
И РАССЕЯННЫХ ХИМИЧЕСКИХ 
ЭЛЕМЕНТАХ И МИНЕРАЛЬНОМ СЫРЬЕ 

АЛЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ 

и з л А т е л ь с т в 
о 
МОСКОВСКОГО ГОСУААРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

УДК 622:621 
ББК 33:34.4 
Ш32 

Шахова К.И., Чернегов Н.Ю. 

Ш 32 
Материалы для горного машиностроения. Вып. 1. Сведения о редких и рассеянных химических элементах и минеральном сырье для их получения: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. — 2003. — №11. — 
40 с. — М: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 

Приведены основные свойства, способы получения редких и 
рассеянных элементов, области их использования. 

Для инженеров горного и машиностроительного профиля, а 
также студентов и аспирантов этих специальностей. 

УДК 622:621 
ББК 33:34.4 

ISSN 0236-1493 
© К.И. Шахова, Н.Ю. Чернегов, 2003 
© Издательство МГГУ, 2003 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2003 

ВВЕДЕНИЕ 

В природе существует 60 редких и редкоземельных химических элементов (не считая природных и искусственных изотопов, а также ядерных изомеров). 

Большинство из них в различных областях являются 
определяющими 
для 
современного 
научно-технического 
прогресса. 

Далее в табл. 1 приводится описание физико-химичес-ких 
свойств 45 из них. Остальные 15 ввиду очень кратких периодов жизни плохо поддаются изучению. 

Приводятся сведения о минеральном сырье и способах 
получения указанных элементов в чистом виде. Описаны области применения элементов в чистом виде и в виде сплавов. 

В обзоре сведения об элементах приводятся в составе общепринятых их классификационных групп. 

Таблица 1 

№ п/п 
Химическая 
Название 
Характеристика элемента 

формула 

1 
и 
Литий 
Легкие 

2 
Rb 
Рубидий 

3 
Cs 
Цезий 

4 
Be 
Бериллий 

5 
Ti 
Титан 
Тугоплавкие 

6 
Zr 
Цирконий 

7 
Hf 
Гафний 

8 
Nb 
Ниобий 

9 
Та 
Тантал 

10 
Mo 
Молибден 

11 
W 
Вольфрам 

3 

Продолжение табл. 1 

№ п/п 
Химическая 
формула 

Название 
Характеристика элемента 

12 
Ga 
Галлий 
Рассеянные 

13 
In 
Индий 

14 
n 
Таллий 

15 
Ge 
Германий 

16 
Se 
Селен 

17 
Те 
Теллур 

18 
Re 
Рений 

19 
Sc 
Скандий 
Редкоземельные и 

20 
Y 
Иттрий 
Лантаноиды 

21 
La 
Лантан 

22 
Ce 
Церий 

23 
Pr 
Празеодим 

24 
Nd 
Неодим 

25 
Pt 
Прометий 

26 
Sm 
Самарий 

27 
Eu 
Европий 

28 
Gd 
Гадолиний 

29 
Tb 
Тербий 

30 
Dy 
Диспрозий 

31 
Ho 
Гольмий 

32 
Er 
Эрбий 

33 
Tm 
Тулий 

34 
Yb 
Иттербий 

35 
Lu 
Лютеций 

36 
Po 
Полоний 
Радиоактивные 

37 
Tc 
Технеций 

38 
Fr 
Франций 

39 
Ra 
Радий 

40 
Ac 
Актиний 

4 

Окончание табл. 1 

№ п/п 
Химическая 
формула 

Название 
Характеристика элемента 

41 
Th 
Торий 
Радиоактивные 

42 
Ра 
Протактиний 

43 
и 
Уран 

44 
Ru 
Плутоний 

45 
Np 
Нептуний 

46 
Cm 
Кюрий 

47 
Cf 
Калифорний 

48 
Am 
Америций 

49 
Bk 
Берклий 

50 
Es 
Эйнштейний 

51 
Fm 
Фермий 

52 
Md 
Менделевий 

53 
No 
Нобилий 

54 
Lr 
Лауренсий (103) 

55 
He 
Гелий 
Инертные газы 

56 
Ne 
Неон 

57 
Ar 
Аргон 

58 
Кг 
Криптон 

59 
Xe 
Ксенон 

60 
Rn 
Радон 

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ 

Литий. Относится к щелочным металлам. В природе 
встречаются два стабильных изотопа —

 6 L i и

 7Li. Серебристо 
белый металл проявляет степень окисления +1. На воздухе 
покрывается пленкой L13N и LiiO, при нагревании горит голубоватым пламенем. Известен также пероксид Ы2О2. С водой реагирует с образованием гидроксида LiOH и водорода. 
Литий взаимодействует с галогенами, водородом, серой и 
т.д., дает соответственно галогениды, гидрид, сульфид и т.д. 
В специфических условиях могут быть получены различные 
фосфиды. Эти соединения и гидроксид очень реакционноспособны. Растворяясь в неорганических кислотах, литий дает 
соли, образует многочисленные литийорганические соединения. Известны твердые растворы лития с некоторыми металлами (Mg, Zn, А1), а со многими он образует интерметаллические соединения (напр., LiAg, LiHg). Попадая в организм, вызывает 
слабость, 
головокружение, 
сонливость, 
потерю 
аппетита. Кларк в земной коре 3,2-10"

3 %. Установлено 28 
минералов лития, среди них наиболее распространены сподумен, петалит, лепидолит, амблигонит. Близость ионных радиусов Li, Mg, Fe позволяет литию изоморфно входить в решетки железомагнезиальных силикатов. 

Металлический литий получают электролизом расплавленной смеси хлоридов лития и калия при 400—460 с последующей очисткой от примесей вакуумной дистилляцией, ректификацией или зонной плавкой. 

Важнейшая область использования лития — ядерная 
энергетика (изготовление регулирующих стержней в системе 
защиты реакторов). Жидкий Li применяется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. В металлургии литий используют для получения на основе Mg и А1 литийсодержащих 
сплавов, его добавление улучшает пластичность, повышает 
прочность, устойчивость к коррозии. 
6 

Рубидий. Относится к щелочным металлам. В природе 
встречается в виде смеси двух стабильных изотопов:

 8 5Rb и 

8 7Rb, последний радиоактивен и испуская 0-частицу, превращается в стабильный изотоп

 87Sr. Известно также 19 искусственных изотопов рубидия. 

Рубидий — мягкий серебристо-белый металл. Степень 
окисления +1. Мгновенно воспламеняется на воздухе, с кислородом рубидий соединяется бурно, давая пероксид рубидия R.DO2. С водой реагирует со взрывом, при этом выделяется водород и образуется раствор 
гидроксида 
рубидия 

(RbOH), который по своим свойствам похож на гидроксиды 
щелочных металлов. Рубидий реагирует со всеми неорганическими кислотами. Почти все соединения рубидия хорошо 
растворяются в воде. 

Рубидий в рассеянном состоянии довольно широко распространен в природе, однако, несмотря на относительно высокое содержание в земной коре, рубидий не образует собственных минералов. В качестве изоморфной примеси рубидий 
входит в минералы других щелочных металлов и прежде всего калия. К числу богатых рубидием минералов относятся 
минералы-концентраторы: поллуцит, лепидолит, циннвальбит, амазонит, биотит. 

Основные промышленные запасы рубидия сконцентрированы в слюдах, карналите и природных минерализованных водах. 

Соли рубидия получают как побочный продукт в производстве солей лития, магния и калия; металлический рубидий 
— металлотермически, восстанавливая его соли (например, 
RbCl) металлическим кальцием с последующей очисткой от 
примесей ректификацией и вакуумной дистилляцией. 

Рубидий применяют главным образом в производстве катодов фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, геттеров ртутных ламп. Соли рубидия используют в качестве катализаторов при органическом синтезе. Определение содержания

 
87Rb и

 
87Sr и в минералах горных пород — дает 
возможность установить их геологический возраст (т.н. рубидий — стронциевый метод). 

7 

Цезий. Относится к щелочным металлам. В природе 
встречается в виде стабильного изотопа

 133Cs; известно также 
18 искусственных изотопов цезия с массовыми числами от 123 
до 142. Мягкий серебристо-белый щелочной металл. Парамагнитен. 

Цезий имеет степень окисления +1. Обладает высокой реакционной способностью. На воздухе воспламеняется с образованием оксидов. С водой, галогенами и серой цезий реагирует со взрывом, давая гидроксиды, оксиды, галогены, сульфиды. При нагревании взаимодействует с фосфором, углеродами и кремнием. 

Цезий типично редкий и рассеянный элемент. 
Цезий геохимически тесно связан с гранитным расплавом 
концентрируется в магматитах вместе с Li, Be, Та и Nb. Известно несколько собственных минералов цезия, из них поллуцит и авогадрит имеют промышленное значение. 

Цезий получают из рудных концентратов методом вакуумного термического восстановления кальцием, магнием или 
алюминием. Соли цезия получают кристаллизацией из растворов. Перспективный промышленный источник цезиесодовая рапа, остающаяся при переработке нефелина в глинозем, а также природные минерализованные воды. 

Цезий применяют для изготовления эммитеров в термоэмиссионных и электронно-оптических 
преобразователях, 
фотокатодов, фотоэлементов и фото- электронных умножителей. Пары цезия — рабочее тело в МГД-генераторах, газовых лазерах. Иодид цезия используется в производстве сцинтилляционных детекторов излучения. Изотоп

 
137Cs применяется в медицине. 

Берилии. Легкий светло-серый металл. Обладает наиболее 
высокой среди всех металлов теплоемкостью 80 кДж/кгК, высокой теплопроводностью (78 Вт/мК при 50). При 50 °С низким удельным электрическим сопротивлением (3,6—4,8)-10"

8 

мкОм м. Хрупкий металл. 

Бериллий — типичный амфотерный элемент с высокой 
химической активностью. Компактный бериллий устойчив на 
воздухе благодаря образованию пленки ВеО; степень окисления +2. 

8 

При нагревании соединяется с кислородом, галогенами и 
другими металлами. С кислородом образует оксид ВеО, с 
азотом нитрид Be3N2, с углеродом — карбид ВегС с серой — 
сульфид BeS. Растворим в щелочах и большинстве кислот. 
При высоких температурах бериллий взаимодействует с 
большинством металлов, образуя бериллиды. Расплавленный 
бериллий взаимодействует с оксидами, нитридами, сульфидами, карбидами. Из соединений бериллия наибольшее промышленное значение имеют ВеО, Ве(ОН)г, фторбериллаты, 
например, Na2(BeF.t) и др. Летучие соединения бериллия и 
пыль, содержащая бериллий, и его соединения токсичны. 

Титан. Природный титан состоит из 5 стабильных изотопов: ^Ti,
 4 7Ti, ^Ti,
 4 9Ti,
 5 0Ti. Известно 5 искусственных радиоактивных изотопов титана с массовыми числами 41, 43—45 и 51. 

Титан — серебристо-белый металл, до температуры 
883 °С устойчива ос-форма, выше — Зя. Температура перехода 
в сверхпроводящее состояние 1,81 К; парамагнитен. 

Титан — химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степень окисления +4, реже +3, +2. До 500— 
550 титан коррозионно устойчив, что объясняется наличием 
на его поверхности тонкой, но прочной пленки оксидов. С 
кислородом взаимодействует при температурах свыше 600 °С 
с образованием ТЮг. Устойчив к действию разбавленных неорганических кислот, щелочей, галогенов (в присутствии паров ШО). Титан обладает способностью поглощать водород, 
азот и другие газы, образуя соответственно гидриды, нитриды и т.д. При взаимодействии с бором, углеродом, селеном, 
кремнием титан образует металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. 

Наиболее обогащены титаном пегматиты гранитов и щелочных пород. Известны 67 минералов титана, важнейшие из 
которых — рутил, перовскит, ильменит, титанит, титаномагнетит. Титан наибольшее геохимическое сходство имеет с 
марганцем. 

В промышленных масштабах титан получают хлорированием рудных концентратов (если сырьем служат ильменит 
или титаномагнетит, то хлорируют шлаки, отделяемые от 
расплавленного железа при плавке в электропечах). После
9 

дующим восстановлением TiCU, металлическим 
магнием 
(реже натрием) получают титановую губку. Переплавление 
губки в вакуумных дуговых печах дает компактный металл. 
Основная часть титана в виде сплавов расходуется на нужды 
авиационной и ракетной техники, а также судостроение, для 
изготовления узлов и агрегатов, используемых в химической 
и пищевой промышленности. Карбид титана, обладающий 
высокой твердостью, входит в состав твердых сплавов, применяемых для изготовления режущих инструментов. Губчатый титан широко используется в вакуумной технике. Оксид 
титана применяется в лакокрасочном производстве. Титан 
хорошо поддается полировке и другим методам отделки, обладая высокой коррозийной стойкостью, идет на изготовление различных художественных изделий, в т.ч. скульптуры. 

Цирконий. В природе 5 стабильных изотопов:

 9 0Zr,
 
9 iZr, 

9 2Zr,
 9 4Zr и

 9 6Zr. Известно 10 искусственных изотопов циркония с массовыми числами от 84 до 98. 

Компактный цирконий — блестящий серебристо-белый 
металл. Парамагнитен. Чистый металлический цирконий 
пластичен. Характерная степень окисления циркония +4, реже +3, +2, +1. При нормальных условиях цирконий устойчив 
к действию неорганических кислот и щелочей реагирует с кислородом, галогенами — поглощает водород и азот. При нагревании взаимодействует с царской водкой, фтористоводородной и серной кислотами. 

Известно около 27 минералов циркония; промышленное 
значение имеют циркон и бадделеит. Основным типом промышленных месторождений являются прибрежно-морские и 
аллювиально-делювиальные россыпи, а также щелочные и 
гранитные пегматиты. 

Цирконий получают в результате спекания рудного концентрата циркона cK2(SiFV), выщелачивания спека и последующего восстановления ZrF\4 магнием или натрием до губки 
либо хлорированием концентрата при температуре 900—1000 °С 
в присутствии кокса и затем металлотермического восстановления ZrCl до Zr. Компактный ковкий цирконий получают 
плавлением в вакуумных ионах Zr-губки. 

10