稀土元素 ”[8]这样以石油来比稀土

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亲爱的读者，感谢您的阅读！这是我们在这里的第一篇文章。

我们创立这个新媒体团队的初衷已经写在slogan上了——“驱散化学迷雾，消除社会误解”，在这个谣言四起的社会中，我们希望可以带给大家最可信的同时又最亲民的科普，让大家轻轻松松看完，还能有所收获，甚至还能在未来与“亲友群”的科学谣言据理力争。

好了，废话不多说，直接开正文——

1 导语

很多同学到现在可能还不知道，我们今天要讲的稀土（Rare Earth）其实并不是一个单一的物质，而是元素周期表中的钪、钇及镧系（按顺序分别是镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥）一类性质相似的元素的总称，其中共有17个元素。

各元素字形、拼音、对应的元素缩写

下面我附上了一张元素周期表，熟悉化学的读者应该一眼就能看出来他们性质相似了。

元素周期表中稀土元素的位置一览

在新闻中，我们常会听到“稀土”是一种国家十分重视的战略资源，而在真正的生活中，我们却似乎见不到它们的影子。

钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷……这些看起来不能再生僻的字，所代表的元素究竟是什么？稀土的重要性体现在哪里？我国的稀土资源又是什么样的情况？这些问题将在本文中着重探讨。

2 什么是稀土？

如前文所述，稀土是17种性质相似元素的统称。

其中，又因为电子层不同导致的性质微小差别，分为轻稀土和中重稀土。

轻稀土包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆，又称“铈组”；中重稀土则包含钪、钇、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥，又称“钇组”，两组元素具有较为显著的性质差异。

稀土元素素有“工业维生素”的美称，这样的称号足以体现稀土在工业中的重要意义。

不论是在石油、化工、冶金、陶瓷这样的传统领域，还是在永磁材料、发光材料、催化材料、储氢材料等新材料领域，这些稀土元素都扮演着非常重要的角色。

2.1 稀土元素发现史

这些元素的发现并不是像“稀有气体”一样一蹴而就的，而是经历了几番波折。

了解稀土元素的发现史，对于更好理解这些元素的性质将有很大帮助。

稀土元素中第一个被发现的元素是钇（Yttrium），相信通晓外语的同学们一眼就能看出来，这个词明显不是英语词源。

这个词来源于它最初被发现的地方——伊特比（Ytterby），一个瑞典东部的村落。

发现这一元素的是卡尔·阿伦尼乌斯，当然，这不是那个整理了元素周期表、创立用字母代替一个元素的贝采里乌斯，也不是发现知名的阿伦尼乌斯公式的物理化学家。

这位阿伦尼乌斯是一位18世纪的瑞典军官，他作为军官，被调去实验室研究火药的性质，在那里培养了他对于化学和矿物学的极大兴趣。

Carl Axel Arrhenius

在1787年，在一个瑞典的采石场中，有一位包工头给了阿伦尼乌斯一个形似沥青的矿石，这块矿石几经辗转最终到了芬兰的一位科学家加多林手里，这位芬兰人在其中分离出了一种白色的新物质，他称其为“Yttria”（其实是钇的氧化物）。

然后，从18世纪末再到19世纪30年代，多位化学家先后发现了钇、铈、镧、Didymium (镨、钕的混合物) 、铽、铒，其中的发现历程具有很强的经验主义色彩，也具有较强的偶然性，毕竟当时的分析和检测手段都十分简陋。

[1]直到30年以后，光谱分析法的诞生才进一步催生了元素发现的“大爆发”，期间由于门捷列夫预言的周期律并没有预测究竟有多少个稀土元素，稀土元素一度达到70余种，虽然物理性质不尽相同，但是其中很多其实本质上就是多种稀土元素的混合物…

最晚被发现的是钷元素，这个元素之所以一直没有发现是因为它在自然界中实在是太少了。

不过人们早就找到了这个元素存在的证据——在1902年钕和钐都被发现后，人们发现这两个元素之间的性质差异在镧系中任何一对相邻元素中是最大的，当时就有科学家提出这两个元素之间一定存在一个中间的过渡元素。

这个元素的稀少导致人们只好尝试“人工合成”的法子。

有人率先尝试使用当时的小型“回旋加速器”撞出这一元素，但并没有成功。

提到回旋加速器学理科的读者们应该都懂了吧，这可是高考必考题嗷——

回旋加速器的加速原理（图源 百度）

直到1945年，随着核物理的发展，这一元素才最终在铀的裂变产物中被发现。

而直到发现，人们也从未在自然界中找到钷。

1972年，人们按照核裂变的发现逻辑，在铀矿中首次发现了自然界中的钷（147Pm）（多说一句，应该是铀的缓慢衰变产物）。

至此，17个稀土元素才最终被全部发现。

稀土元素虽然有个“稀”字，但是并不是其中的所有元素都很稀有。

其中含量最高的元素“铈”是地壳中总量第25的元素，丰度足有68 ppm（百万分之68），比铜的丰度（58 ppm）都高。

2.2 中国稀土资源的发现

讲完稀土元素的发现史，我们还是将视角转回国内，再看国内的稀土资源是如何被发现的。

提到稀土矿，不得不提到的是白云鄂博矿场。

而回溯白云鄂博的历史，大家就会发现白云鄂博起初并非是稀土矿，而是铁矿。

而这里有铁矿早在1927年就已经被当时的九三学社社员、地质学家丁道衡发现，并从此开启了“富饶的神山”白云鄂博的开采。

[2]八年以后，建国后担任中央研究院地质研究所研究员的何作霖对当地的矿石进行分析后，发现了轻稀土元素的存在。

[3]

白云鄂博矿区（图源 百度）

在何作霖发现稀土后，由于战争的影响，后续几年一直没有系统地对这个地方的矿物有更进一步的任何研究。

直到20世纪60年代，中国才开始对稀土的相关研究和勘查。

当时的发达国家早已意识到稀土资源作为不可再生资源的稀缺性，都纷纷将稀土资源作为战略资源进行封锁和保护，严格限制稀土的开发和出口。

而中国这时对稀土的认识才刚刚起步，对这一资源的利用和重要性仍然处于不明不白的境况。

直到现在还有很多媒体引用这样的故事：日本人在70年代曾花高价想要买白云鄂博的矿石，这事传到国务院，周总理凭借着敏锐的战略思维，指示中国科学院对白云鄂博的矿石进行细致分析，这才发现白云鄂博有着丰富且宝贵的稀土资源。

然而，在当时中国落后的科技水平下，想要提取、分离稀土矿石是一件很难的事情。

1972年，当时北京大学化学系的徐光宪教授（科学院院士）接到分离钕和镨的任务后，顶着巨大的压力，几乎是从零开始，历经四年发明了新的串级萃取理论，打破了西方的技术封锁，让我国从此开始了对稀土资源独立自主的提取和利用。

[4]

徐光宪院士（图源 百度）

3 稀土的重要性

稀土的重要性主要体现在两个方面：一是数量少，二是应用价值高。

这两个方面共同的因素塑造了这一资源在战略角度中的极高地位。

3.1 稀土的稀缺性

虽然上文中我曾提到稀土并非全“稀”，但作为一个整体来说，这一资源确实十分有限。

相比钢铁的十亿吨级年产量、铝的亿吨级年产量，稀土17个元素共计的几十万吨年产量实实在在是“小巫见大巫”了。

截至 2015 年，全球稀土矿储量1.3亿吨，储量前三的国家为中国、巴西、澳大利亚，分别占总储量的42.31%、6.92% 、2.46%。

2015年，全球的年产量则只有12.4万吨，其中中国的产量占比84.68%，澳大利亚和美国各占比8.06%和3.31%。

[5]

然而回顾2009年，仅日本一个国家对稀土的需求量就有超过2万吨[6]，这一数字势必还在不停地随科技的发展而逐年增长。

由此，可以看出稀土资源“供不应求”的本质，其稀缺性显而易见。

3.2 稀土的应用价值

稀土元素因其具有独特的电子层结构，使其具有优异的磁、光、电等物理和化学特性。

在新能源汽车、工业机器人、航空航天、国防军工等各行各业尤其是高新产业中发挥着重要的作用。

[7]（具体作用机理后续还会在未来进行更为深度的科普）

如果按功能分类，稀土功能材料主要有如下几种领域：以钕合金为代表的永磁材料、发光材料（可作LED中的发光成分）、催化材料等。

包括永磁材料和发光材料在内，稀土元素的优良性质已经逐渐凭借着自己的“优良性质”上位，逐渐取代传统材料，在高精尖的领域中占据了更大的市场。

4 我国对稀土资源的利用情况

我国对稀土资源一开始认识确实并不充分，管理方面相对发达国家在起初还是非常不完善的。

所以这一段我会给大家较为细致地介绍一下前期出现的问题和后期的解决方案、面对的挑战，让大家也能清楚看到国家在这方面做了什么事，为这个产业带来了什么样的改观。

4.1 前期管理不足

上文提到，20世纪70年代，我国已经具备了基本的矿石开采和冶炼、分离的能力，已经可以将稀土资源作为产品对外出口和对内销售。

但最开始，由于相关的法律法规还不够完善，导致对稀土这一资源的约束管理缺失。

1992年，小平同志在南巡讲话中，还特意提到了稀土元素的重要性：“中东有石油，中国有稀土，一定把我国稀土的优势发挥出来。

”[8]这样以石油来比稀土，足以见得当时政府已经将稀土视为重要的战略资源了，只是管理仍然欠缺。

那么，当年的管理不善有什么影响呢？

显而易见第一个就是会直接导致一些个人或企业开矿把稀土元素开采出来以后，大批大批地销售到国外，导致当时大量战略资源流失。

从前文的数据中也能看得出来，现在的稀土产量中国已经处于“垄断地位”，其实在1990年以前，美国都一直都是稀土的主要生产地，中国之前是不具有垄断地位的。

之所以直到现在都处于一定的垄断地位，正是因为中国在上世纪90年代利用廉价劳动力大量开采稀土资源，由于产量失控，在全球范围内一度导致供大于求，价格暴跌。

价格暴跌紧接着就导致美国开采的稀土卖不出去，滞销了。

产品滞销又进一步导致了相关企业的倒闭，从而直到现在都保证了我国稀土的垄断地位。

但这种垄断地位显然不是有意为之的，如此珍稀的资源就这样贱卖，可以想象蒙受的巨大经济损失是不言而喻的。

4.2 发挥大政府能力，宏观把控资源

在1989年，中国第一次仿照发达国家引入稀土资源的出口额度，在1998年又引进了稀土出口分配制度。

有兴趣的同学可以查一查当年的原文，如果仔细看的话，会发现当时引进的制度还是有些“水土不服”——当时的设计是工程和信息化部门（工信部）负责监督产量、国土资源部负责监督矿山开采量、商务部再负责监督出口量。

这样的分权体制同时导致了责任的分散，各政府部门独立发挥作用，仍然没有真正起到出口限制的效果。

直到2003年，《矿产资源政策白皮书》的发表才让稀土的出口限制落到了实处。

因为这一白皮书指出了国家新的出口方针——要通过将优势资源合理整合、增加附加值的方法来提高竞争力，而不再是靠廉价、大量无遮拦的出口来获取外汇。

除了对出口进行整治，还有就是对内部的结构进行重整。

稀土在我国虽然南北都有，但是北方的稀土矿明显要比南方集中。

而且北方主要是轻稀土矿，南方则是中重稀土偏多。

国家对内部的整治始于2006年，这一年国家为避免小规模企业乱开发扰乱价格，宣布停止发行采矿许可，以此严格控制矿石开采量。

不仅如此，由于北方尤其是内蒙古的矿坑尤为集中，国家干脆直接借助国营的包头钢铁集团公司直接将有实力的民营企业收购，推进完整的从开采到销售的一体化进程。

南方的产地因为矿坑规模都不大，而且位置较为分散，所以很难实现北方这种包钢一家包揽稀土的局面，不过国家仍在致力于利用多个国营企业逐渐实现产业集约化进程。

虽然经历了前期的资源浪费，但前期无意中获得的产业垄断其实为中国赋予了一定的“定价权”。

目前中国已经在年年缩减出口量，并且在通过各种稀土相关的专利提高附加值的前提下提高了产品的售价。

我们不再是靠廉价来赢得市场，现在已经是靠质量来赢得市场。

4.3 我们现在面临的挑战

环顾全球，目前稀土行业面临的最大的外部挑战可能还是在美国。

大家应该也注意到了，在过去一年的中美贸易摩擦中，国内外媒体常常提到“稀土”这个关键词。

究其原因，正是因为中国在稀土产业链的主导地位和稀土相关科技的发展速度让美国担忧。

美国试图通过“全面脱钩”的同时，煽动盟友也放弃应用中国的稀土材料这种手段来遏制中国在稀土领域快速的科技发展（和遏制华为的5G技术是一个套路）。

这是我们现在面临的第一大挑战。

第二大挑战是我国内部的挑战。

现在国内虽然在稀土科技上专利很多，但是大部分仍然是“改良型”专利，往往仅是对国内外已有的专利进行改良，而非完全原创性质的专利。

所以，归根结底我们还是需要进一步提高自主研发能力，在新材料领域开辟出自己的一片天地。

5 结语

在文章的最后，还是要强调“稀土是不可再生资源”，在资源日益紧缺的今日，合理利用资源、建立资源可持续发展的循环仍然是目前利用稀土的重中之重。

尽管我国相对二三十年前已经对资源的利用有了有效的把控和高效的处理，我们仍然处于探索稀土材料应用的初级阶段，未来在稀土科技的应用和创新方面我国还有很长的路要走。

让我们一起期待中国向世界稀土强国进发吧！

参考文献(References):[1]“万能之土”在中外发现史. 西部资源, 2013(01): 70-71.[2]白云鄂博矿区 - 百度百科.https://baike.baidu.com/item/%E7%99%BD%E4%BA%91%E9%84%82%E5%8D%9A%E7%9F%BF%E5%8C%BA/1646712?fr=aladdin[3]何作霖 - 百度百科.https://baike.baidu.com/item/%E4%BD%95%E4%BD%9C%E9%9C%96/3397941?fr=aladdin[4]徐光宪(中国科学院院士、物理化学家) - 百度百科.https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%90%E5%85%89%E5%AE%AA/461035?fr=aladdin[5]李振, 胡家祯. 世界稀土资源概况及开发利用趋势. 现代矿业, 2017, 33(02):97-101.[6]李丽琴. 稀土资源开发现状. 世界金属导报, 2011-09-06.[7]朱明刚, 孙旭, 刘荣辉, 等. 稀土功能材料2035发展战略研究. 中国工程科学, 2020, 22(05):37-43.[8]包头稀土高新区:从挖矿卖土到“点土成金”--地方--人民网.http://m.people.cn/n4/2018/1107/c1188-11856353.html

本文由“分子新天地”团队作者：刘肇汉 原创

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