稀土矿物之浅谈
作者：陶臻
上高中的时候，化学课学习门捷列夫的元素周期表，几乎能用唱歌的方式把主族和副族的元素都能背下来了。对于元素周期表最下面的镧系元素没有关注，老师说，知道是“稀土”元素就行了！大学的化学课也只是提一两句。到地质队工作的时候，了解了一些矿山的开采情况。像占全国铜矿6%的湖北大冶铜矿，冶炼出来的尾矿堆积成了一个特大的闪闪发亮的黑色泥沙“湖”。当时的矿山负责人告诉我，日本要买这些尾矿，想要提取里面残留的贵金属。内蒙包头市北的白云鄂博铁矿，据《中国自燃资源手册》1990年的资料，除铁外，主要有稀土元素，其储量占全国的98%，相当于世界各国储量的总和。当时听说，也在于日本人洽谈尾矿的买卖。那个年代，中国还没有认识到稀土的重要性，还没有下气力解决稀土的分离和提取难题。
这次中美贸易谈判，稀土成为一个重要的焦点话题，也成为了中方王级武器。因为没有稀土，美国许多高科技产品，如电动气车就要停产了。稀土成为中方谈判桌上的一张强有力的底牌筹码。
那么，为什么稀土如此重要呢？让我们谈谈有关稀土的一些基本知识、历史和现状吧。信息来自教科书、学习笔记和网络。
什么是稀土？
稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（英语：rare-earth element，REE），（简称稀土（RE或R）。也可叫做稀土金属。
稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是按当时的习惯，称不溶于水的物质，故称稀土。
根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组。
轻稀土（又称铈组）包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。
重稀土（又称钇组）包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。
称铈组或钇组，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇占优势而得名。
什么是稀土矿物？
如今，科学家已不使用铈组和钇组的分法，而是以原子序数作为分类的标准：原子序数较低者称为轻稀土元素（light rare-earth elements，LREE），高原子序数者则称为重稀土元素（heavy rare-earth elements，HREE），但对于两类的分界点尚无统一的标准。通常，原子序数从57（镧）到63（铕）者为轻稀土元素，原子序数大于63者则是重稀土元素。由于钇的离子半径及化学性质和重镧系元素非常相近，亦被归类为重稀土元素。因此轻稀土元素相当于过去的铈组，重稀土元素相当于钇组。
稀土矿物有那些?
稀土元素由于其原子结构、化学和晶体化学性质相近而经常共生在同一个矿物中，即铈族稀土和钇族稀土元素常共存在一个矿物中，但这类元素并非等量共存，有些矿物以含铈族稀土为主，有些矿物则以钇族为主。在已经发现的稀土矿物约有250种，但具有工业价值的稀土矿物只有50～60种，而具有开采价值的只有10种左右，用于工业提取稀土元素的矿物主要来源有四种—-氟碳铈矿、独居石矿、磷钇矿和风化壳淋积型的粘土矿，前三种矿占西方稀土产量的95%以上。独居石和氟碳铈矿中，轻稀土含量较高。
稀土是工业的“维生素’吗?
一个常用的比喻是,如果说石油是工业的血液,那稀土就是工业的维生素.稀土是宝贵的战略资源,广泛应用于尖端科技领域和军工领域,是"新材料之母",稀土在我们的日常生活中也无处不在,堪称"万能之土"。
化学家安德烈亚·赛拉认为：稀土元素与周期表中其他元素的不同之处在于：从原子结构上来看，它们彼此之间的化学性质几乎完全相同，几乎是无法相互分离的。然而，就其电子特性和磁性质而言，每种稀土元素在我们的科技产业中都占据著独一无二的岗位，没有任何其他的元素可以取代。例如：“镨（Pr）和钕（Nd）都可掺入玻璃中，以在吹制玻璃时，完全消除火焰中的眩光”。
稀土金属稀有吗？
稀有金属、稀有元素或稀土是同一物质的常用名称。与其名称暗示的不同，实际上稀土元素在地壳中的丰度并不低（放射性的钷除外），其中含量最高的铈在地壳元素丰度排名第25，占0.0068%，与铜相当。它们在地壳和地质沉积物中大量存在，但由于其地球化学特性，它们在地壳中的分布相当零散，而不是集中在某一个地方，很少有稀土元素富集到容许商业开采的程度。加之彼此之间具有非常相似的化学性质，总是在矿床中共生，与其他成分和矿物质混合，其彼此之间相似的化学性质导致它们倾向于两两或多种一起伴生于矿物中，而且化学性质相当稳定，因此很难分离、提取，需要更复杂、更昂贵的分离过程。因此“稀土”元素被赋予开采和提取上困难的含义，稀土元素并不稀有！
稀土对生态环境和人体健康有那些影响?
适量的稀土元素对植物生长具有广泛的促进作用，对动物机体功能有调节作用，对人体有抑制肿瘤的作用。在农业领域的应用，稀土起到提高产量、改善品质和提高农作物抗病能力等多重效应。而媒体一则《铁观音稀土超标，过量摄入对人体有害》的报道，稀土的负面效应开始进入人们的视野。由茶叶稀土超标话题所引发，人们想知道稀土接触的“安全剂量”。人的日允许摄入量一般以动物慢性毒性试验的最大无作用剂量除以安全系数得到。有研究者提出，对一个体重60公斤的成年人，每日从食物中摄入的稀土不应超过36毫克；也有人提出不管重稀土区和轻稀土区，成人居民的稀土摄入量为6.7毫克/天和6.0毫克/天的时候，会怀疑出现中枢神经系统检测指标异常。
稀土对生态环境的污染，对人体的伤害是相当严重的！开采稀土元素会对生产区周围的土壤和水造成污染，附近植被的叶绿素减少，光合作用受到影响，植物的生长受到抑制。植被中主要受到稀土元素污染影响的是农作物，其中苹果和甜菜最会吸收和储存稀土元素。稀土元素也会渗入水生环境而被水生植物吸收，并发生生物积累，有可能进入牲畜和人类的食物链。
当每一种矿产资源打上了商品的标签，想发大财的人们，都会蜂拥而上，对生态环境的破坏是想像不到的！例如，某地发现了矿物晶体，那片山地将是坑坑洼洼，一片狼藉。据说，当初，稀土的开采，在产地也是”车水马龙“、”热闹非凡“，当地村民挖一个大坑，放进含有稀土的矿石，倒进几桶强酸。这种土法提练出来的所谓”精矿“，一年也能赚十多万!这对稀土矿山的破坏，对生态环境的污染是不可言喻的，这是对稀土矿山和人民生命健康的犯罪！正是出于对生态环境和人民生命健康的考虑，对稀土市场的廉价，加之国情不同，稀土的生产国发展缓慢。
你知道17种稀土矿物在战略上的重要性和主要用途吗？
稀土是宝贵的战略资源,有"工业味精"、"新材料之母"之称,广泛应用于尖端科技领域和军工领域。据工业和信息化部介绍,目前稀土永磁、发光、储氢、催化等功能材料已是先进装备制造业、新能源、新兴产业等高新技术产业不可缺少的原材料。稀土元素已广泛应用于电子、石化、冶金、机械、能源、轻工、环保、农业等领域.应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等.可以说,稀土具有很大的发展前景！
早在1983年，日本就出台了稀有矿产战略储备制度，其国内83%的稀土来自中国。
再看美国，它的稀土储量仅次于中国，但是他的稀土都是轻稀土，稀土分为重稀土和轻稀土，重稀土是很贵重的，轻稀土开采起来很不合算，被业内人士成为假稀土，美国稀土进口量的80%来自中国。
邓小平曾说：“中东有石油，中国有稀土。”其话语的弦外之音不言而喻。稀土不但是世界上1/5高科技产品必备的“味精”，更是未来中国在世界谈判桌上的一张强有力的底牌筹码。
轻稀土元素，包括：
镨：用于制造磁铁和陶瓷染料。
钕：用于航空航天材料，制造磁铁和激光器。
钷：用于发光化合物，为卫星提供辅助能量。
钐：用于制造电动机、火箭和原子能反应堆
铈：用作催化剂，应用于汽车玻璃。
钪：用于制造合金、照明。
镧：用于合金材料、透镜、超导体和农用薄膜。
重稀土元素，包括：
铕：用于核反应堆、照明、地球化学，制造镜片和液晶显屏。
钆：用于阴极射线管、医疗核磁共振成像。
铽：用于超级磁体、飞机机翼调节器。
镝：用于混合电机、磁铁、电影、印刷等照明光源。
钬：用于激光、超导体，制作光通讯器件。
铒：用于核医学、光学、激光测距仪。
铥：用于X射线、激光和、超导体、临床诊断和治疗肿瘤。
镱：用于不锈钢、电脑记忆元件添加剂。
钇：用于燃料电池、磁铁、合金、超导体、电线和飞机受力构件。
镥：用于能源电池技术。
在月球上能够寻找到稀有金属吗？
答案是肯定的，据路透社报道，根据波音公司的研究，月球上存在稀土矿物和元素，包括钪、钇和十五种镧系元素。
世界银行估计，到2050年，对稀有和关键矿物的需求将增长500%，以满足对清洁能源技术日益增长的需求。
据英国《星期日泰晤士报》报道，争夺资源的竞赛正在加速，中国计划在未来进行深海采矿，甚至探索月球，而美国宇航局也计划这么做。
世界上稀土矿储量排名前十的国家有那些？
根据美国地质调查局的数据，2024年全球稀土矿储量约为9000万吨，分布如下：
1，中国：4400万吨
2，巴西：2100万吨
3，印度：690万吨
4，澳大利亚：570万吨
5，俄罗斯：380万吨
6，越南：350万吨
7，美国：190万吨
8，格陵兰岛：150万吨
9，坦桑尼亚：89万吨
10，南非：86万吨
世界上十大稀土生产国有那些？
美国地质调查局的数据显示，2024年中国稀土矿产量达到约27万公吨，中国遥遥领先于其他任何国家，是全球最大的稀土生产国，其次是美国，产量为4.5万公吨，是全球第二大稀土生产国。根据美国地质调查局的数据，以下是2024年十大稀土生产国名单：
1.中国：27万公吨
2.美国：45000公吨
3.缅甸：31000公吨（储量未知）
4.澳大利亚：13000公吨
5.尼日利亚：13000公吨（储量未知）
6.泰国：13000公吨
7.印度：2900公吨
8.俄罗斯：2500公吨
9.越南：300公吨
10，马来西亚：130公吨
在1948年以前，世界上大部分稀土都产自印度和巴西的漂砂沉积矿场。到1950年代，世界上的稀土则产自南非西开普省。
Steenkampskraal矿场内的独居石礁矿石。从1960年代到1980年代，位于美国加利福尼亚州的MountainPass矿场让美国成为主要的稀土生产国。印度和南非的矿场在今日仍然生产一些稀土精矿，但其规模无法与中国的生产规模相比。中国的储藏量占全世界的23%，但在2017年所生产的稀土数量占全世界的81%，主要生产地点在内蒙古。澳大利亚的产量占世界的15%，是世界第二大，也是中国以外唯一的主要生产国。世界上所有的重稀土元素（如镝）都产自中国，例如白云鄂博矿区（包含多种稀土金属矿物）。位于西澳大利亚州北部霍尔斯溪东南160公里处的布朗斯山脉矿山（Browns Range mine），目前正在开发中，并有望成为中国以外第一个重要的镝生产矿区。
世界银行估计，到2050年，对稀有和关键矿物的需求将增长500%，以满足对清洁能源技术日益增长的需求。
你知道曾经为稀土矿物（元素）作出过贡献的科学家吗？
1787年，稀土元素都是作为矿物成分之一，而不是以纯元素态被发现的。第一个被发现的稀土矿物是由瑞典军官（业馀地质学家和化学家）卡尔·阿克塞尔·阿列纽斯于1787年在瑞典伊特比村（Ytterby）的一个采石场发现的，以其发现地将该矿物命名为“ytterbite”（在1800年更名为gadolinite，中文称作矽铍钇矿）。这个第一种被人类发现的稀土矿物是硅铍钇矿，主要由铈、钇、铍、铁、矽等元素组成的黑色矿物。
从1787年开始，这些早期科学家，包括瑞典分析化学家、普鲁士王国化学家、俄罗斯化学家、英国物理学家及化学家、捷克化学家、匈牙利化学家和荷兰物理学家等，这些科学家主要是通过化学分析的方法反复沉淀或结晶来分离、萃取出个别的稀土金属，不但难度高、成本高且费时耗力，因此当时稀土金属在工业上的应用非常有限。历史上稀土元素的早期用途大多使用多种稀土混合而成的合金，例如混合稀土金属、铈铁合金等，以减少分离成本。至今混合稀土金属仍大量用于石油流化催化裂化等领域。
在1940年代，是使用分段沉淀或结晶来分离稀土的年代。美国的法兰克·史彼丁等人在曼哈顿计划执行期间开发出化学离子交换程序来分离和提纯锕系元素，从铀、钍、锕等核反应炉所产出的锕系元素混合物中，来分离出钸-239和錼。钸-239是一种可裂变物质，在军事及工业上有巨大的需求。该方法后来也被用于提取稀土元素。在离子交换和溶析法等高效的分离技术面世之后，稀土元素才开始在各个领域中展露头角，在产业中的重要性大幅提升。
近20年来稀土需求出现了紧张状况吗？
由于世界对于稀土元素的需求增加导致供应紧张，人们日益担心可能很快将会面临短缺的情况。从2009年起的几年之内，全球对稀土元素的需求预计每年造成超过40,000公吨的短缺，因此必须积极开发。根据2013年的报导，由于欧盟对这些元素的依赖、稀土元素又无法被其他元素替代，加上稀土元素的回收率低，世界对于这类元素的需求更会强化。
中国在稀土元素生产具有绝对优势地位，它在21世纪初期的几项行动加深世界对于稀土供应不足的忧虑。具体方面是中国宣布出口管制和打击走私
由于世界需求增加和中国对于出口的限制，一些国家正在储备稀土资源。不断在澳大利亚、巴西、加拿大、南非、坦桑尼亚、格陵兰、以及美国寻找替代来源。这些国家/地区的矿场在1990年代因为中国不断把稀土的价格压低而被迫关闭。由于重新生产需要克服很多困难，而进入壁垒，这些矿场需要几年的时间才能开始生产。
美国需要7---10年才能生产出自己急需的稀土来。
你知道中国的“稀土之父”徐光宪吗？
他是中国稀土化学研究领域的领军人物，中国科学院学部委员（院士）。
1972年，52岁的徐光宪“半路出家”，踏入稀土研究领域。
“这两种元素比孪生兄弟还要像，分离难度极大。但中国作为世界最大的稀土所有国，长期只能出口稀土精矿和混合稀土等初级产品，我们心里不舒服。所以，再难也要上。”徐光宪没有丝毫犹豫。
“我们要根据原料找到相应合适的工艺，更重要的是发现这种工艺方法背后的理论依据。”理科出身的徐光宪时时不忘，理论研究才是开辟创新之路的基石。
白天“摇漏斗”，晚上琢磨串级理论。有人开玩笑，说他们白天是体力劳动者，晚上是脑力劳动者。一周工作80个小时，没有节假日，徐光宪入迷了。
功夫不负有心人，串级萃取中的规律在徐光宪面前清晰呈现。他发现的“恒定混合萃取比规律”，使得串级萃取理论最终得以建立。
在此基础上，他和团队提取了包含100多个公式的数学模型，创建“稀土萃取分离工艺一步放大”技术，使原本繁难的稀土生产工艺“傻瓜化”，免除费时费力的“摇漏斗”步骤，可以直接应用到实际生产中。
徐光宪的萃取“流水线”，完成了这项曾被视为世界级难题的工作。 到上世纪90年代初，中国实现了由稀土资源大国向稀土生产大国、出口大国的飞跃。
由此，徐光宪被称为“稀土界的袁隆平”。直到今天，他的研究成果依然是我国稀土工业的基础，保持着世界领先地位。2008年，徐光宪获得国家最高科学技术奖。
200多年过去了！稀土在战略上的重要性越来越明显。未雨绸缪，防患于未来，有条件的国家都在积极地发展稀土工业。希望当前的各国之间的贸易谈判，各取所需，各得其所，取得双赢的结果！有了丰富、充足的稀土资源，世界高科技在各个领域的的发展，将是高速的、空前的和惊人的！