2011年4月1日

工業的維他命—稀土金屬

作者/陳登銘(任教交通大學應用化學系)

稀土金屬所衍生的材料向來與全球高科技產業的發展息息相關,由於其用途相當廣泛,舉凡光電、永磁體、催化、超導、綠能與陶瓷等領域之應用,因此稀土材料常被稱為「工業的維他命」、「新材料之母」或「二十一世紀黃金」等,稀土工業亦號稱為「朝陽工業」。

中國大陸從2006 年開始對稀土實施出口管制,執行開採總量控制的政策,除造成稀土價格一路攀升外,還造成缺貨嚴重、一物難求。稀土材料戰略意義明顯,在錯綜複雜的國際政治角力中,稀土更成為國際產業競合的熱門議題。歐美日等國家近期為反制大陸嚴控稀土出口的政策, 2010 年已向世貿組織(WTO)提出申訴,指控大陸限制出口政策有利國內廠商,不利國外競爭對手,一場無可避免的稀土資源大戰早已悄悄展開……。稀土金屬的特性、分布與稀有性

稀土元素是鑭系元素群的總稱,包含鈧(Sc)、釔(Y)及鑭系系列中的鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm,放射性形式)、釤(Sm)、銪(Eu)(上述原子序數較小者稱之為「輕稀土元素」)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)(上述原子序較大者又稱「重稀土元素」),共17個元素。稀土元素在地殼中的總蘊藏量並不稀少,但卻以極稀比例分散於地殼表層土壤中(圖一)。稀土元素在地殼中的含量僅為0.0153%,與鋅、錫、鈷等常見金屬相近,其中鈰在地殼中最多(約0.0046%)。 其次是釔、釹、鑭等,大多稀土富集量約在1%以下,而全球蘊藏量最富集的也只有4~9%,因此稀土礦的開採加工成本極高、獲取高純度稀土元素分離相當困難,除非其產品價格高昂,否則不符經濟效益。

有趣的是關於稀土是否真正「稀少」,一直是頗具爭議的話題,當稀土元素被發現時,許多人認為其在地殼中分布應該稀少。實際不然,例如:鈰是地殼中第25 豐富元素,較鉛含量還多;而稀土中最少的在地殼中含量比金高出200 倍,據稱這些事實促使國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)正考慮廢棄「稀土金屬」用詞。

稀土元素的電子組態由不含f 電子的鈧(3d14s2)、釔(4d15s2)與鑭(5d16s2)開始,自鈰(4f15d16s2)開始至(4f145d16s2)等14 個元素為止,電子逐一填入內殼層4f 軌域。我們可以清楚了解為何稀土離子常見的氧化態為3+或2+,其成因主要乃為外殼層6s與5d電子容易被游離所致。

稀土元素的物理性質(如:熔點、沸點與昇華熱)變化有一定規律,但因銪與鐿原子體積與原子序之相關性不大,故兩者呈現異常。稀土金屬因易被氧化故其外表通常呈現暗灰色;釤、銪、釔的熱中子吸收截面,比廣泛用於核反應爐控制材料的鎘、硼還大;稀土金屬具可塑性,以釤和鐿為最好。同時,其磁性與發光光譜特性十分豐富而複雜,相關的磁性材料與光電產業規模與產值不小,因此是大量產學研究聚焦的目標。

此外,稀土為典型的金屬元素,其原子半徑大,易失去外殼層6s 與5d 中的電子,因此其化學活性在週期表中僅次於鹼與鹼土金屬,故稀土也是強還原劑。一般而言,隨原子序增加,稀土金屬化學活性漸趨穩定,例如:鑭、鈰於空氣中易氧化,而釹、釤則作用比較和緩;同時,稀土金屬的鹼性一般也隨原子序增加而減弱。值得注意的是,稀土金屬能與個別的金屬元素形成許多氧化物、鹵化物、硫化物、氮化物、碳化物、硼化物與矽化物。由於稀土金屬能夠溶解於除了氫氟酸與磷酸之外的大部分無機酸,因此稀土通常以磷酸鹽類的獨居石(Ce, La, Th)PO4 與氟化物的氟碳鈰礦(Ce, La)(CO3)F 蘊藏於地殼中。

稀土資源是製作現代化高科技與綠能產品不可或缺的原料,也早被公認為重要的戰略資源,其主要分布在中國、美國、獨立國協聯盟(俄羅斯、白俄、烏克蘭等11國)等少數國家,而中國是唯一能供應全部17 種稀土金屬的國家,占稀土資源全球總儲量約三分之一,產量為世界第一。根據美國國家地質調查局(U.S. Geological Survey)在2008 年所公佈統計資料顯示,全球稀土礦蘊藏量中國大陸占30.86%,其中以內蒙古包頭的白雲鄂博區蘊藏輕稀土礦、鐵、鈮與江西贛州蘊藏離子型中重稀土礦為主要產地,前者被公認為全球最大的稀土礦區;其餘如廣東、廣西、江西、山東、湖南等地均有蘊藏。此外,稀土資源在全世界其他地區蘊藏分布為獨立國協聯盟(21.67%)、美國(14.88%)、澳洲(5.99%)、印度(1.30%)、巴西(0.10%)、馬來西亞(0.03%)及其他地區(25.17%)。【更詳細的內容,請參閱第496期科學月刊】

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