稀土金属与稀散金属——镓和锗不是稀土元素

本来不想写标题为“镓和锗不是稀土元素”的文章，因为这是中学化学的基本常识，但是看到那些很有些名气的媒体一次又一次地把镓和锗两个元素与稀土搞在一起。虽然搞混了也不算什么大事情，天也塌不下来，对于进出口也不会有任何影响，但是概念混淆总不是一件好事。另外，关于稀土金属和稀散金属倒还是可以有几句可以说的，所以还是写了这篇文章，以介绍稀土元素为主。

稀土是指一类金属元素。为什么称稀土？是不是指很稀少的土？最早还真的就是这个意思。

我们不要笑话我们的前辈，人们正确地认识世界是非常不容易的事情。人们对他们观察到的事实，一点一点去认识，总结出他们的看法，即形成了知识。后人学习和继承前人的知识，修正其不正确（即与后来发现的事实不符合）的部分，不断更新其知识。不断认识，不断更新，这就是科学的特征。如果有一种看法，不再更新，永远正确，也不允许怀疑和反对，那只能是宗教。

土，地上的土，是由岩石分化所得的，其成分主要是氧化物。比较纯洁的粘土，例如高岭土，其成分主要是氧化铝（Al2O3）和二氧化硅（SiO2）。所谓铝土矿，就是指氧化铝的矿藏。土中也常常含有其他金属氧化物，如氧化铁等。这些氧化物大都不容易溶解于水。

一些金属矿物以氧化物的形式存在，外形都与粘土差不多。于是早期的科学家便以土（earth）称呼它们。由于一些“土”的性质很稳定，便以为这些“土”都是不同的元素。后来，科学家发现这些“土”并不是不同的元素，而是不同的化合物，具体地说，是不同的金属氧化物，在一定的条件下，可以将它们还原成金属。这些金属才是化学元素。

例如，铍、镁、钙、锶、钡的氧化物都有类似的化学性质，而且都有很大的碱性，都是“碱土”（alkaline earth），还原后得到的这一类金属便称为碱土金属。在语言的实际应用中，碱土（alkaline earth）也往往就指碱土金属。在元素周期表中，碱土金属是第二列的元素，是第二主族。

其实，不光是“土”，就是“元素”、“原子”这些名词，也都是“历史名词”，元素并不“元”，原子也不“原”。一开始人们认为原子就是物质最基本的粒子了，atom就是不可分的。但是后来知道了，原子有原子核和电子，原子核有质子和中子。质子数与电子数相同，就是原子序数。

量子力学出来之后，人们又弄清楚了，原子中的电子可以处在不同能级的状态。这些状态被称为原子轨道。一开始，人们以为电子的运动真的如地球绕太阳转动那样有轨迹。后来知道了，所谓原子轨道，并没有轨迹，只是一种具有固定能量的状态。这些状态可以用主量子数、角动量量子数（简称角量子数）、磁量子数和自旋量子数来表示。所以原子轨道也是一个“历史名词”。科学就是这样在不断修正、不断发展的过程中。

稀土也是这样，如今一般形式的元素周期表第三列，即第三副族，由钪、钇以及镧系元素共17种元素组成。其中镧系15种元素镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥，在如今形式的元素周期表中合占一格，放在钇的下方一格。而这一格中的15种元素即所谓镧系元素，另外排出一行，放在周期表的下方。

如果不这样排列，让镧系元素都排在正表中，元素周期表就显得太长了，一般的书上难以排下而同时印刷得让人看清楚。在某种程度上，另外排出一行也实属无可奈何之举（同样的情况还有锕系元素）。

稀土的这17种元素，都是金属元素。它们的氧化物，当年早发现的那些，也被认为是一些土元素，它们又很稀少，所以被称为稀土（rare earth）。后来才弄清楚，原来这些氧化物都可以还原为金属。但是这个称呼就留下来了，这些金属元素被称为稀土元素。

稀土元素在工业制造业方面有着广泛的用途，但是，实际使用的量与那些主干材料相比，一般又显得很少。

后来发现，稀土元素在地壳中的含量实际上并不十分稀少。它们在地壳中的总含量约为万分之1.53，其中铈的含量最高，为万分之0.46，比常见元素锡的含量还高；而钇、钕、镧的含量与常见元素锌、钴、铅相近；就是含量比较少的铽、钬、铥、镥等也比铋、金、汞的含量多。

这17种元素，原子中的电子能级都有一个共同的特点。

上面所说的碱土金属，其基态原子中电子结构的最外层只有两个s电子。如20号元素钙的最外层是两个4s电子；38号元素锶，最外层是两个5s电子；56号元素钡，最外层两个6s电子。

紧跟着这些碱土金属的元素，第21号元素钪，它的外层电子是一个3d电子和两个4s电子；39号元素钇，其外层是一个4d电子和两个5s电子；57号元素镧，外层是一个5d电子和两个6s电子。这里，4s轨道与3d轨道的能级高度非常接近；5s与4d也非常接近。同样，6s、5d与4f轨道也是如此。

在57号元素镧的后面14个元素，从58号铈到71号镥，依次增加一个4f电子（由于5d、4f轨道能级高度相似，有时可以有交叉变化），到最后一个镥，其外层有14个4f电子、一个5d电子和两个6s电子。

这些稀土元素的原子中，最外层都是两个s电子，以及与s电子能级相近的d电子（对于镧系还有f电子）。由于原子中电子能级排布的相似，引起这些稀土元素的化学性质也有较大的相似性。

正由于这类元素化学性质相似，在自然界中常混杂在一起；这些矿藏比较分散，各元素混杂在一起但含量又大都不高；它们的化学性质都比较活泼，不易还原为金属；所有这些都使得稀土元素的分离制备有相当的难度。

以徐光宪院士为代表的中国科学家，对于稀土元素分离制备方面的理论和技术都有很大的贡献。中国科学家几十年的长期努力，使得我国在稀土处理方面走在了世界前列。

稀土金属是17种金属元素的总称，虽然是同一类元素，但毕竟是17种不同的元素，原子量、电子结构彼此都不相同，化学性质、工业应用也都不同，所以不可以一概而论。

我国是稀土矿产的资源大国，最近一些年，又是稀土矿产的最大进口国，有着最好的分离和提纯技术。

稀土的科学问题是很复杂的问题，其贸易、进出口更是非常复杂的问题。有些人（中外都有），并不了解稀土到底是什么，能够做些什么，就在网络上鼓噪所谓“稀土战争” ，是很无聊的事情。

最近，我国宣布依法对镓、锗相关物项实施出口管制，使得镓和锗这两种金属元素突然在媒体上受到特别的关注。

镓是第31号元素，在元素周期表中属于第三主族，其位置在铝的下面。早在1871年，门捷列夫预测，他的元素周期表中铝元素下面应当有个未知元素，他根据元素周期律，预测这个未知元素的原子量大约是68，密度为5.9g/cm3，性质与铝相似，他称它为类铝。1875年法国化学家布瓦博得朗发现并提纯了这种金属，并把它命名为镓。现在测得镓的原子量为69.7，密度为5.9g/cm3，与门捷列夫的预言非常接近。

镓原子的最外层电子有10个3d电子，2个4s电子和1个4p电子。与此相对照，铝的外层电子是2个3s电子和1个3p电子。所以它们有相似的化学性质就是很自然的事情。

锗是32号元素，比镓多一个质子，当然也多一个电子。它也是门捷列夫在1871年首先预言其存在的，门捷列夫把它称为类硅，14年后由德国化学家文可勒发现并命名为锗。

它是第四主族的元素，外层电子是10个3d电子，2个4s电子和2个4p电子。它与碳、硅是同一主族的元素。硅的外层电子是2个3s电子和2个3p电子。它们有相似的化学性质。在硅大规模成为做半导体集成电路之前，锗就已经大量应用在半导体中了。我记得60年代我们自己“焊”半导体收音机时，用的都是锗管。

从原子的电子结构可以看出，镓和锗与稀土元素的差别非常大，它们的物理性质、化学性质都有很大的差别。这两个元素都不是稀土金属。

那它们就没有什么共同之处了吗？当然不是。首先，它们都是金属；第二，它们在地壳中的含量都不多，都不容易得到，换句话说，都还比较“稀”，人们往往称镓和锗为“稀散金属”，这就容易跟“稀土金属”相混淆了。

镓和锗都属于稀散金属。所谓稀散，主要是说分散，就是说这些元素在地壳中的分布特别分散，难以找到略微富集一点的矿藏。如镓，就找不到值得可以称“镓矿”的矿，它一般都与铝、锌等在一起，然而含量又很少。锗也是如此，简直就是最分散的元素了，哪里都有它，哪里都非常少。

举一个例子，普通的金属矿藏，例如好的铁矿，含铁量可以在50%以上。而所谓“锗矿”含锗量达到万分之几就不错了。而普通的煤中间也有十万分之一左右的锗，所以燃煤锅炉的烟道灰中倒也“富集”了一些锗呢！

与镓同一族的铟和铊（音ta1），与硫一族的硒和碲等化学元素也被常常称为稀散金属。但是稀散金属并没有固定的“成员”，这些元素的化学性质也并不相同，用途也各异，只是说某些元素的性质有些相似，而其分布也都极其分散罢了。所以，稀散金属并不是像碱土金属、稀土金属那样有严格定义的科学分类名词。