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比稀土黃金更珍貴的四大稀有金屬

一、金屬銻——銻在地殼中的含量為0.0001%

 

銻,呈現銀白色有光澤硬而脆的金屬。有鱗片狀晶體結構。在潮濕空氣中逐漸失去光澤,強熱則燃燒成白色銻的氧化物。易溶于王水,溶于濃硫酸。相對密度6.68。熔點630℃。沸點1635℃(1440℃)。有毒,最小致死量(大鼠,腹腔)100mg/kg。有刺激性。值得一提的是,世界衛生組織規定,對水中銻含量和日攝入量應小于0.86微克/千克每日。日本限定寶特瓶中的銻含量應小于200ppm,對熱灌裝用的飲料,則禁用含銻的寶特瓶。歐盟則規定,食品中的銻含量應小于20ppb,環保級PET纖維中的銻含量不得大于260ppm。

銻是一種有毒的化學元素,元素符號為Sb,原子序數為51。它是一種有金屬光澤的類金屬,在自然界中主要存在于硫化物礦物輝銻礦(Sb2S3)中。已知銻化合物在古代就用作化妝品,金屬銻在古代也有記載,但那時卻被誤認為是鉛。約17世紀時,人類知道了銻是一種化學元素。

中國已成為世界上最大的銻及其化合物生產國,而其中大部分又都產自湖南省冷水江市的錫礦山。銻的工業制法是先焙燒,再用碳在高溫下還原,或者是直接用金屬鐵還原輝銻礦。

銻的作用非常明顯,比如鉛酸電池中所用的鉛銻合金板。銻與鉛和錫制成合金可用來提升焊接材料、子彈及軸承的性能。銻化合物是用途廣泛的含氯及含溴阻燃劑的重要添加劑,銻在新興的微電子技術中也有廣泛用途,比如AMD顯卡制造。

銻是氮族元素(15),電負性為2.05。根據元素周期律,它的電負性比錫和鉍大,比碲和砷小銻在室溫下的空氣中是穩定的,但加熱時能與氧氣反應生成三氧化二銻。

銻是一種帶有銀色光澤的灰色金屬,其莫氏硬度為3。因此,純銻不能用于制造硬的物件。比如貴州省曾在1931年發行銻制的硬幣,但因為銻很容易磨損,在流通過程損失嚴重。銻在一般條件下不與酸反應。

重要生產國:據英國地質調查局早在2005年的報告,中國是世界上銻產量最大的國家,占了全球的84%,遠遠超出南非、玻利維亞和塔吉克斯坦。尤其是湖南省冷水江市的錫礦山是世界最大銻礦,當時估計儲量為210萬噸。而根據美國地質調查局的報告(2010),中國生產的銻占全球的88.9%

 

根據英國洛斯基礦業咨詢公式之前估計。俄羅斯(4.14%,產量6,500)、緬甸(3.76%,產量5,897)、加拿大(3.61%,產量5,660)、塔吉克斯坦(3.42%,產量5,370)和玻利維亞(3.17%,4,980)。

重要用途:主要應用在新能源電池,航天材料。銻在合金中的主要作用是增加硬度,常被稱為金屬或合金的硬化劑。在金屬中加入比例不等的銻后,金屬的硬度就會加大,因此,可以用來制造軍火銻及銻化合物。是十分重要的戰略物資。它也用于玻璃纖維復合材料(俗稱玻璃鋼)工業中聚酯樹脂的添加劑,比如輕型飛機的發動機蓋。

另外,鉛銻合金可以用于給NPN型合金結晶體管的發射器和接收器上漆。銻化銦同時是用于制作中紅外探測儀的材料。銻的硫化物已被證實可以穩定汽車剎車片材料的摩擦系數。銻也用于制造子彈和子彈示蹤劑。

二、金屬錸——具有重要的"錸效應"

 

錸是一個真正稀有元素。它在地殼中的含量比所有的稀土元素都小,僅僅大于鏷和鐳這些元素。再加上它不形成固定的礦物,通常與其他金屬伴生。就使它成為存在于自然界中被人們發現的最后一個元素。錸,作為錳副族中的一個成員,早在門捷列夫建立元素周期系之時,就曾預言它的存在,把它稱為dwi-manganese(次錳),而把這個族中的另一個當時也沒有發現的成員稱為eka-manganese(類錳)。后來莫斯萊確定了這兩個元素的原子序數分別是7543。由于某個未知元素往往可以從和它性質相似的元素的礦物中尋找到,因此,科學家們一直致力于從錳礦、鉑礦以及鈮鐵礦(鉭和鈮的礦物)中尋找這兩個元素。直到1925年才由德國的諾達克、塔克和貝格利用X光譜從大量的礦物和巖石的濃縮產物中發現命名75號元素為rhenium,元素符號定為Re。

在自然界中,錸分布在輝鉬礦、稀土礦和鈮鉭礦中,含量都很低。在輝鉬礦中可能以二硫化錸ReS2或七硫化二錸Re2S7形式存在,含量略高些。錸有兩種天然同位素:Re-185穩定,Re-187 有放射性。

錸能夠同時提高鎢、鉬、鉻的強度和塑性,這種現象稱為"錸效應".添加少量(3%~5%)的錸能夠使鎢的再結晶起始溫度升高300℃~500℃---(Re)的上述作用被稱為錸效應W-ReMo-Re合金具有良好的高溫強度和塑性,可加工成板、片、線、絲、棒,用于航天、航空的高溫結構件(噴口、噴管、防熱屏等)、彈性元件及電子元件等。

重要生產國:在1978年和1979年期間,全球錸的總產量分別為72107260公斤。其中聯邦德國、智利、加拿大和前蘇聯是錸的主要生產國。全球錸資源主要分布在美洲和歐洲。據美國地質調查局2015年發布的數據,全球錸探明資源儲量約為1100噸,其中美國錸探明資源儲量約為500噸,其他國家為600噸。

 

全球錸資源量約為2500噸,智利的錸資源量最為豐富,為1300噸,其次為美國(390)、俄羅斯(310)、哈薩克斯坦(190)、亞美尼亞(95)、秘魯(45)以及加拿大(32),世界其他國家錸資源儲量的總和約為91噸。

智利同時為錸的最大生產國,2014年錸產量(26)約占全球產量的53%,其次為美國(7.9)、波蘭(7.6)、烏茲別克斯坦(5.0)和亞美尼亞(0.3)。美國是全球最大的錸消費國,智利和波蘭則是美國錸金屬的主要供應國。

我國錸資源的保有儲量為237噸(2013),錸礦有11處,分布在陜西(占全國錸儲量的44.3%)、黑龍江(31.6%)、河南(12.7%)、湖南、湖北、遼寧、廣東、貴州和江蘇9省。我國錸資源幾乎全部伴生于鉬礦床中,主要分布在陜西金堆城鉬礦、河南欒川鉬礦、吉林大黑山鉬礦和黑龍江多寶山銅()礦等礦床中,這些礦床中錸的儲量約占全國錸總儲量的90%。中國的錸產量不高,每年兩噸左右。

重要用途:由于價格昂貴,直到1950年才由實驗室珍品變為重要的新興金屬材料。錸廣泛用于現代工業各部門,主要用作石油工業和汽車工業催化劑,石油重整催化劑,電子工業和航天工業用錸合金等。錸的重要應用還包括以下幾個領域:

 

1、錸主要用作石油工業的催化劑,

2、錸具有很高的電子發射性能,廣泛應用于無線電、電視和真空技術中。

3、錸具有很高熔點,是一種主要的高溫儀表材料;同時含錸合金也用于航空發動機耐熱部件的制造,全球約80%的錸用于生產航空發動機。

4、錸和錸的合金還可作電子管元件和超高溫加熱器以蒸發金屬。

5、鎢錸熱電偶在3100℃也不軟化,鎢或鉬合金中加25%的錸可增加延展性能;錸在火箭、導彈上用作高溫涂層用,宇宙飛船用的儀器和高溫部件如熱屏蔽、電弧放電、電接觸器等都需要錸。

6、金屬錸及其合金可制自來水筆尖和高溫熱電偶;在醇類脫氫、合成氨等化工中作催化劑;含錸的合金可耐高溫;由于錸的存在分散,價格昂貴,實際應用尚待開發。還用來制造電燈絲、人造衛星和火箭的外殼、原子反應堆的防護板等。

三、金屬鎢——鎢是熔點最高的難熔金屬

鎢是一種金屬元素。原子序數74,原子量183.84。鎢的硬度高,熔點高,常溫下不受空氣侵蝕。中國是世界上最大的鎢儲藏國。

 

鎢原子質量為183.85,原子半徑為137皮米,密度為19.35/每立方厘米,屬于元素周期表中第六周期(第二長周期)VIB族。經過冶煉后的鎢是銀白色有光澤的金屬,熔點極高,硬度很大,蒸氣壓很低,蒸發速度也較小,化學性質也比較穩定。

鎢通常人們根據金屬的顏色和性質把金屬分成兩大類:黑色金屬和有色金屬。黑色金屬主要指鐵、錳、鉻及其合金,比如鋼、生鐵、鐵合金、鑄鐵等。黑色金屬以外的金屬稱為有色金屬。鎢則屬于有色金屬范疇。有色合金的強度和硬度一般比純金屬高,電阻比純金 屬大,電阻溫度系數小,具有良好的綜合機械性能。因此,作為一種有色金屬,鎢的強度和硬度非常高。由于這種特性,具有硬度高、耐磨性強的鎢硬質合金被大規模應用于切削工具、礦山工具中。

鎢是熔點最高的難熔金屬。一般熔點高于1650℃并有一定儲量的金屬以及熔點高于鋯熔點(1852℃)的金屬稱為難熔金屬。典型的難熔金屬有鎢、鉭、鉬、鈮、鉿、鉻、釩、鋯和鈦。作為一種難熔金屬,鎢最重要的優點是有良好的高溫強度,對熔融堿金屬和蒸氣有良好的耐蝕性能,鎢只有在1000℃以上才出現氧化物揮發和液相氧化物。但是,它同時也具有塑性-脆性轉變溫度較高,在室溫下難以塑性加工的缺點。

鎢是一種稀有金屬。稀有金屬通常指在自然界中含量較少或分布稀散的金屬。鎢是一種分布較廣泛的元素,幾乎遍見于各類巖石中,但含量較低。鎢在地殼中的含量為0.001%,在花 崗巖中含量平均為1.5×10,這種特性導致其提取難度非常大,通常只能用有機溶劑萃取法及離子交換法分離提取。鎢是一種戰略金屬。眾所周知,稀有金屬是國家的重要戰略資源,而鎢是典型的稀有金屬,具有極為重要的用途。鎢是當代高科技新材料的重要組成部分,比如一系列電子光學材料、特殊合金、新型功能材料及有機金屬化合物等均需使用獨特性能的鎢。用量雖說不大,但至關重要,缺它不可。

 

鎢屬于有色金屬,是十分重要的戰略金屬,鎢礦在古代被稱為"重石"。1781年由瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒發現白鎢礦,并提取出新的元素酸-鎢酸,1783年被西班牙人德普爾亞發現黑鎢礦也從中提取出鎢酸,同年,用碳還原三氧化鎢第一次得到了鎢粉,并命名該元素。鎢在地殼中的含量為0.001%。已發現的含鎢礦物有20種。鎢礦床一般伴隨著花崗質巖漿的活動而形成。經過冶煉后的鎢是銀白色有光澤的金屬,熔點極高,硬度很大。鎢是熔點最高的金屬。

1900年在巴黎世界博覽會上,首次展出了高速鋼。因此,鎢的提取工業從此得到了迅猛發展。這種鋼的出現標志了金屬切割加工領域的重大技術進步。鎢成為最重要的合金元素。

1900年,俄國發明家А.Н.Ладыгин首先建議在照明燈泡中應用鎢。在1909Кулидж制定基于粉末冶金法,采用壓力加工的工藝方法之后,鎢才有可能在電真空技術中得到廣泛的應用。

1927--1928年采用以碳化鎢為主成分研制出硬質合金,這是鎢的工業發展史中的一個重要階段。

鎢是稀有高熔點金屬,可提高鋼的高溫硬度,屬于元素周期表中第六周期(第二長周期)ⅥB族。鎢是一種銀白色金屬,外形似鋼。鎢的熔點高,蒸氣壓很低,蒸發速度也較小。鎢的化學性質很穩定,常溫時不跟空氣和水反應,不加熱時,任何濃度的鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸以及王水對鎢都不起作用,當溫度升至80°-100°C 時,上述各種酸中,除氫氟酸外,其它的酸對鎢發生微弱作用。

重要生產國:中國鎢礦資源十分豐富,鎢的產量和出口總量均占世界第一。很早以前中國的鎢產量就達到世界總產量的70%以上。

鎢在熾熱的煉鋼爐里,當溫度達到1600℃時,堅硬的鋼鐵都會化成沸騰的鋼水,金子也會變成流動的液體,而鎢卻紋絲不動,仍是固體。鎢的熔點為3410℃,沸點高達5927℃,它的熔點和沸點,在金屬中都是最高的。在鋼鐵生產中,它是不可缺少的添加料。它的化合物用于染料、油漆和化學試劑。近些年來,鎢還加入到尖端科學技術領域,如摻入銀10-15%的鎢,可用來制造火箭的燃料噴管。

 

重要用途:世界上開采出的鎢礦大約50%用于優質鋼的冶煉,約35%用于生產硬質鋼,約10%用于制鎢絲,約5%其他用于其他用途。鎢可以制造槍械、火箭推進器的噴嘴、穿甲彈、切削金屬的刀片、鉆頭、超硬模具、拉絲模等等,鎢的用途十分廣泛,涉及礦山、冶金、機械、建筑、交通、電子、化工、輕工、紡織、軍工、航天、科技、各個工業領域。

鎢尤其以純金屬狀態和以合金系狀態廣泛應用于現代技術中,合金系狀態中最主要的是合金鋼、以碳化鎢為基的硬質合金、耐磨合金和強熱合金。

四、金屬鎵——具有電子工業脊梁的美譽

鎵是一種低熔點高沸點的稀散金屬,具有電子工業脊梁的美譽,鎵是灰藍色或銀白色的金屬,符號Ga,原子量69.723。鎵的熔點很低,但沸點很高。純液態鎵有顯著的過冷的趨勢,在空氣中易氧化,形成氧化膜。

 

鎵是化學史上第一個先從理論預言,后在自然界中被發現驗證的化學元素。1871年,門捷列夫發現元素周期表中鋁元素下面有個間隙尚未被占據,他預測這種未知元素的原子量大約是68,密度為5.9 g/cm,性質與鋁相似,他的這一預測被法國化學家布瓦博得朗證實。

鎵在巴黎由布瓦博得朗于1875年發現。他在閃鋅礦礦石(ZnS)中提取的鋅的原子光譜上觀察到了一個新的紫色線。這意味著一種未知的元素出現了。在187511月,布瓦博得朗提取并提純了這種新的金屬,并證明了它像鋁。在187512月,他曾經向法國科學院宣布了它。

由于鎵在地殼中的濃度很低。在地殼中占總量的0.0015%。它的分布很廣泛,但不以純金屬狀態存在,而以硫鎵銅礦(CuGaS2)形式存在,不過很稀少,經濟上也不重要。

世界90%以上的原生鎵都是在生產氧化鋁過程中提取的,是對礦產資源的一種綜合利用,通過提取金屬鎵增加了礦產資源的附加值,提高氧化鋁的品質降低了廢棄物"赤泥"的污染,因此非常符合當前低碳經濟以最小的自然資源代價獲取最大利用價值的原則。

重要生產國:據美國地質調查局2015年數據,全球鋁土礦中鎵的儲量超過100萬噸。其中中國、德國和烏克蘭是當今世界三大粗鎵生產國。值得一提的是,中國鎵含量高的鋁土礦資源即將耗盡,可能最多能再維持10年開采時間。

 

重要用途:鎵目前主要應用于半導體、光電材料、太陽能電池、合金、醫療器械和磁性材料等領域。鎵-68會發射正電子,可以用于正電子斷層成像。鎵銦合金可用于汞的替代品。