元素

57 镧 储氢合金的元素

本文作者 漂泊

镧是一种重要的稀土元素,添加氧化镧的镧光学玻璃是制造摄像机镜头的重要材料。而镧镍合金则是一种最为出名的储氢合金,在保存和利用洁净的氢能源以及发展高能量的镍氢电池等场合有着非常好的应用前景。

 

镧的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪金属(镧系元素)
原子序号原子量 57(138.905)
电子配置 5d16s2
密度 6.174g/cm 
熔点 921°C
沸点 3457°C
形状 银白色金属
丰度 18.3ppm(地壳)
发现者 Carl·Gustaf·Mosander
主要的同位素 138La, 139La
用途例 储氢合金、光学玻璃
前后的元素 钡-镧-铈

镧的发现

1751年,瑞典矿物学家Axel Fredrik CronstedtBastnäs的矿山发现了一种矿物,这种矿物后来命名为Cerite。三十年后,15岁的Vilhelm HisingerCerite矿山所有者的儿子,将Cerite的样品寄给了Carl Scheele这位著名的瑞典化学家进行分析,但是Scheele并没有在在这种矿物中找到任何新元素。

1803年,在Hisinger成为铁匠后,他与JönsJacobBerzelius一起重新研究了Cerite矿,在从这种矿物中并分离出了一种新的氧化物,他们用两年前发现的矮行星Ceres的名字将这种氧化物命名为二氧化铈。 二氧化铈同时也被德国 Martin Heinrich Klaproth分离了出来。在1839-1843年,瑞典化学家 Carl Gustaf Mosander证明氧化铈是多种氧化物的混合物,这意味着该混合物中可能还含有未知的新元素。后来他成功的从这个混合物体系中分离出了镧和didymium(镨钕混合物),是镧元素的第一个发现者。他通过在空气中焙烧硝酸铈样品来获得部分分解产生的氧化物,然后用稀硝酸处理所得的氧化物。尽管镧与铈一起共生,但由于镧的性质与铈的性质略有不同,故可以分离出来。他发现大多数氧化物的样本不可溶,而有些是可溶的,因而他推断这是一种新元素的氧化物。因此 Carl Gustaf Mosander古希腊语 λανθάνειν(意为隐藏)将其命名为 Lanthanein。同年,Axel Erdmann,一位来自卡罗林斯卡研究所的学生,也从一种来自位于挪威峡湾的Låven岛的新矿物中发现了镧。

1923年相对纯净的镧金属首次被分离出来。[1-5]

金属镧

储氢合金

20世纪60年代,研究人员发现一些金属和合金具有很强的捕获氢的能力,它们能将捕获氢分子,并将其分解成氢原子,再以氢原子的形式储存在它们的晶格空隙中,与它们发生反应形成金属氢化物。这些合金在吸收氢气时会放出大量的热量,在加热存满氢气的合金时,氢气又会被释放出来,并伴随明显的吸热效应,相当于一个储存氢气的“容器”,因此人们称这种合金为“储氢合金”。储氢合金的金属原子之间缝隙不大,但储氢能力却比普通的氢气钢瓶强很多。具体来说,相当于储氢钢瓶重量1/3的储氢合金,其体积不到钢瓶体积的1/10,但储氢量却是相同温度和压力条件下气态氢的1000倍。由此可见,储氢合金是一种更为简便易行的理想储氢方法。采用储氢合金来储氢,不仅具有储氢量大、能耗低,工作压力低、使用方便的特点,而且可免去庞大的钢制容器,从而使存储和运输更加方便,也更加安全。

储氢合金的代表就是LaNi5合金,20世纪70年代,LaNi5和Mg2Ni在荷兰Philips与美国Brookhaven实验室相继被发现具有可逆的吸放氢能力并伴随的一系列物理化学机理变化。由于其优异的储氢能力,因此LaNi5合金被考虑应用到镍氢电池负极上来储存氢气。镍氢电池已经逐渐取代有污染的镍镉电池。从电池电量来讲,相同大小的镍氢充电电池电量比镍镉电池高约1.5~2倍,且无镉的污染,现已经广泛地用于移动通讯、笔记本计算机等各种小型便携式的电子设备。目前,更大容量的镍氢电池已经开始用于汽油/电动混合动力汽车上,利用镍氢电池可快速充放电过程,当汽车高速行驶时,发电机所发的电可储存在车载的镍氢电池中,当车低速行驶时,通常会比高速行驶状态消耗大量的汽油,因此为了节省汽油,此时可以利用车载的镍氢电池驱动电动机来代替内燃机工作,这样既保证了汽车正常行驶,又节省了大量的汽油,因此,混合动力车相对传统意义上的汽车具有更大的市场潜力。1973年起,LaNi5开始被试图作为二次电池负极材料采用,但由于其循环性能较差,未能成功。1984年,荷兰Philips公司成功解决了LaNi5合金在循环中的容量衰减问题,为MH/Ni电池发展扫清了最后一个障碍。但由于镧是稀土金属,价格较高,因而与价格相对低廉,额定电压较高的可充电的锂离子电池相比,在小型电子产品中应用LaNi5合金的镍氢电池并没有太大优势,但在大容量电池领域,应用镧镍合金的镍氢电池还是有很大的发展空间。[6-9]

LaNi5合金 汽车用镍氢电池

 

光学玻璃

镧系光学玻璃,在其组分中含有较多的氧化镧(La2O3),具有高折射率低色散的特性,其折射率在1.72至1.88之间,是制作光电产品读写镜头和成像镜头必备的高品质光学玻璃。镧系光学玻璃能有效地扩大镜头的视场,改善仪器的成像质量,使镜头小型化、轻量化。因此,镧系玻璃被大面积用于数码摄相机、扫描仪、LCD投影仪、数码复印机、CD2ROM和DVD2ROM的镜头上。例如,一种含氧化镧60%,氧化硼40%的镧玻璃,是制造高级照相机的镜头和潜望镜的镜头的不可缺少的光学材料。

随着光电信息产业的迅猛发展,镧系光学玻璃已逐渐成为光学材料的主导产品。这种玻璃主要用于单反相机等有着高精密专业级光学镜头的设备上,对于投影机而言,镜头是非常关键的硬件,镜头的素质对于光线质量等的控制至关重要。此外,对于投影机而言,影像均匀度的关键因素是光学镜头的成像质量,更直接影响投影画面的均匀度。

三氟化镧则是ZBLAN氟玻璃的重要组分,该玻璃在红外范围内具有优异的透射率,因此广泛用于光纤通信系统。[10-11]

运用镧光学玻璃的摄像机镜头

 

镧的其他应用

氧化镧硼化镧常用在电子真空管中作为具有很强电子发射率的热阴极材料。硼化镧单晶也用作电子显微镜霍尔效应推进器的热电子发射源,它具有高亮度,并且可以延长使用寿命。铈掺杂的溴化镧氯化镧则是两种无机闪烁体,它们具有很宽的光域,最佳能量分辨率以及快速的响应能力。此外,在非常宽的温度范围内,它们的光输出都非常稳定而且非常高,使其特别适用于高温场合。这些闪烁体已经在商业上广泛用于中子伽马射线的探测器中。在钨中添加氧化镧可以用于气体钨电弧焊电极,这可以作为放射性钍电极的替代品。此外,氟化镧则可以用于荧光灯涂料中。与氟化铕混合后,也可用于制造氟离子选择性电极的晶体膜。

除此之外,镧以及其他稀土元素化合物也是各种催化剂的重要组分,可以用于石油催化裂化。[5,12-15]

LaB6热阴极含有氟化镧的氟离子选择性电极

 

 

参考文献

 

本文版权属于 Chem-Station化学空间, 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

Related post

  1. 81 铊 致命的元素
  2. 30 锌 海洋食物中富含的元素
  3. 58 铈 储量最多的稀土元素
  4. 16 硫黄 Sulfurー从大蒜,洋葱到硫化剂
  5. 52 碲 土地的元素
  6. 17 氯 Chlorine 漂白・杀菌剂与聚氯乙烯的成分
  7. 33 砷 剧毒却能治病的元素
  8. 61 钷 夜明珠的元素

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

PAGE TOP