化学美育作业 稀土之父_化学美育作业

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“稀土之父”徐光宪

*** 李琴

化学化工学院

摘要：徐光宪，浙江绍兴人，著名物理化学家，无机化学家，教育家，中国科学院院士，现任北京大学化学与分子工程学院教授，稀土材料化学国家重点实验室学术委员会名誉主任。一生致力于化学研究，尤其对稀土元素的分离提纯。他创建的 “串级萃取理论”解决了稀土分离的难题，在全国普遍推广应用后，使中国单一高纯稀土的生产世界前列。从事教育事业，育人无数，为我国培养出许多人才；更著有许多文集。

关键字：稀土元素；萃取；教育；

一、序言

徐光宪(1920年11月7日－)，浙江绍兴人，著名物理化学家，无机化学家，教育家，中国科学院院士，现任北京大学化学与分子工程学院教授，稀土材料化学国家重点实验室学术委员会名誉主任。

1957年，徐光宪被调往技术物理系工作，开展核燃料萃取化学的研究，1962年提出了被国内普遍采纳的萃取体系分类法。

1971年底徐光宪从江西农场返回北京大学化学系工作。当时化学系在搞稀土元素的分离提纯。他认为，稀土元素在我国有得天独厚的资源优势，应该让它在社 会主义建设中发挥更大作用，而萃取法用于稀土分离提纯是大有可为的，于是他积极参加这项工作，运用过去在络合物平衡和萃取化学基础研究中得到的成果和积累 的经验，很快就对稀土萃取分离工艺做出了突破性的改进。镨钕分离是稀土元素分离中的难点，当时又是一项急需完成的军工任务。他通过选择萃取剂和络合剂，配 成季铵盐——DTPA“推拉”体系，使镨钕分离系数从一般萃取体系的1.4—1.5高到4以上，这是当时国际上最高的数值。但这类体系直接用于工业生产 有困难。美国曾有过一个专利报道，提出用推拉体系萃取分离稀土，但从未用到实际生产中去，因为无法实现串级萃取过程。当时国际上流行的串级萃取理论是L． 阿尔德斯（Alders）提出来的，徐光宪仔细分析了在串级萃取过程中络合平衡移动的情况，发现阿尔德斯串级萃取理论的基本假定：“在串级过程中萃取比保 持恒定”，在稀土推拉体系串级萃取过程中是不成立的。于是他精心设计出一套化学操作流程，并导出与此相应的一套串级萃取理论公式，在此基础上设计出一种回 流串级萃取新工艺。

二、稀土情

1、接手稀土分离重任

1972年，北京大学化学系接到了一项紧急军工任务——分离镨钕。徐光宪接下了这个任务。

镨钕都属于稀土元素。稀土元素一共有17种，包括Sc(钪)、Y(钇)和15种镧系元素。它们的化学性质极为相似，尤其是15种镧系元素，犹如15个孪生兄弟一样，化学性质几乎一致，要将它们一一分离十分困难，而镨钕的分离又是难中之难。所以，选择一种合适的分离方法是问题的关键。

当时，国际上稀土分离的主流是离子交换法和分级结晶法。两种方法在过程上不连续，成本很高，提炼出的稀土元素纯度也较低，不能适应大规模的工业生产。徐光宪思索再三，决定还是采用自己曾经研究过多年的萃取法来完成这项艰巨的任务。

所谓萃取，是利用物质在不同溶剂中具有不同溶解度的特点，进行物质分离的一种方法。早在1957年，当徐光宪参加开创我国原子能事业时，就已开始涉足萃取这一领域了。当初核燃料的分离、提纯是原子能工业中与化学有关的核心问题之一。从1946年开始学习量子化学算起，已经研究了10年量子化学的徐光宪注意到萃取过程与络合作用的联系，以及萃取方法用于稀土分离的可能性及其优点。

当时，国际上萃取化学仍然是一门新兴学科，关于萃取体系的分类很不统一，在理论中存在很多与实际和实验不相吻合的假设，甚至对萃取机理的解释也相当混乱。徐光宪决定首先从系统整理资料入手。他做了上万张文献卡片，经过深入的思考、分析、归纳，于1962年提出了恰当而细致的萃取体系分类方法，随后又在此基础上阐明了若干典型体系的萃取机理，提出了几个关于萃取的一般规律。他还和黎乐民教授联手改进了研究萃取平衡的两相滴定法。他的这些研究成果很快在国际上得到了认同，并迅速运用到我国的原子能工业中去。

2、成功实现串级萃取

但徐光宪面临的分离镨钕的问题和困难远不是想象的那么简单。在他之前，还没有人将萃取法真正运用到分离稀土元素的实际生产过程中去，很多人都不相信萃取法能够适用于实际工业生产。这不仅是因为当时萃取化学这一学科分支尚未成熟，而且也因稀土元素本身的特性，17种元素要想提纯任何一种，在当时都是极大的挑战。

徐光宪没有因为前方的困难而畏缩。他凭借多年的经验积累及特有的学术敏感，敏锐地看到萃取法用于稀土分离是大有可为的。他信心十足地重复着用萃取法来分离镨钕元素的实验。在当时，一般萃取体系的镨钕分离系数只能达到1.4～1.5。徐光宪从改进稀土萃取分离工艺入手，通过选择萃取剂和络合剂，配成季铵盐——DTPA推拉体系。最终，他不仅出色地完成了这项紧急军工任务，而且使镨钕分离系数打破当时的世界纪录，达到了相当高的4。

但是徐光宪并没有满足于已经取得的成果停留在原地，而是希望能够设计一种新的、高效的稀土生产工艺。因为中国有着世界上储量最大的稀土资源，仅白云鄂博一地的储藏量就占整个世界的50%以上。而国内的稀土生产工艺和技术都十分落后，世界上一些国家却把稀土生产技术作为高度机密对中国实行封锁。长期以来，中国只能守着巨大的资源，只能向外国出口稀土矿然后再进口稀土制品。当时美国曾有过一个专利报道，提出用推拉体系萃取分离稀土，但从未用到实际生产中，因为无法实现串级萃取过程。国际上流行的串级萃取理论是L.阿尔德斯提出来的，徐光宪仔细分析了在串级萃取过程中络合平衡移动的情况，发现阿尔德斯串级萃取理论在稀土推拉体系串级萃取过程中是不成立的。于是，徐光宪重新设计了一套化学操作流程，并导出与此相应的一套串级萃取理论公式，并在此基础上设计出了一种新的回流串级萃取工艺。

1974年9月，徐光宪亲赴包头稀土三厂参加这一新工艺流程用于分离包头轻稀土的工业规模试验。这种试验短则一两个月，长则半年一年，需要极大的耐心，而且任何一个环节出了问题都会影响到最后的结果。一次失败就意味着不得不再等上几个月才能检验结果，那将是极大的损失。但徐光宪凭借多年的经验和踏实细致的工作作风，一次即获得成功，从而在国际上首次实现了用推拉体系高效率萃取分离稀土的工业生产。在这些工作的基础上，他随后陆续提出了可广泛应用于稀土串级萃取分离流程优化工艺的设计原则和方法、极值公式、分馏萃取三出口工艺的设计原则和方法，建立了串级萃取动态过程的数学模型与计算程序、回流启动模式等，并在上海跃龙化工厂实际生长中获得成功。

3、执着探索

徐光宪很注意总结实验资料。他认为，当一个分支学科的实验资料积累到 相当丰富的时候，应当及时总结，集其大成，进行深入的理论分析，总结规律性，提炼出新概念，提高理性认识的水平，再反过来指导实践，提出要研究的问题，以 推动该学科的发展。70年代初以来，金属有机化合物化学和原子簇化学迅速发展，有大量新化合物被合成出来，它们的结构及性质的研究也随之发展，因而金属有 机化合物和原子簇化合物的结构规律成为众多学者关心的问题。徐光宪通过总结大量实验资料和已有的各种理论，提出了一个更普遍的，同时适用于金属有机化合 物、原子簇化合物和一般分子的结构规则，取名为（ｎｘｃπ）格式。与此相关，还提出了原子共价的新定义。利用（ｎｘｃπ）结构规则，只要根据分子结构式即 可估计分子的稳定性，从而可以预测可能存在的新化合物。这一结构规则和定义，已经通过了大量实验结果和量子化学计算结果的检验，显示出正确性与广泛适用性。

近二三十年来，国内外对稀土的研究兴趣与日俱增，积累了大量实验资料，但对稀土化合物成键情况的研究还比较薄弱。从70年代末开始，徐光宪 主持开展了对稀土量子化学和稀土化合物结构规律性的研究。在建立适用于稀土元素电子结构研究的方法和计算程序的基础上，他对不同类型的稀土化合物进行了系 统的量子化学计算，结合（ｎｘｃπ）结构规则和共价的新定义，对其成键情况进行分析。研究结果表明，稀土化合物并不总是离子性的，在金属有机化合物中存在 的是带有离子性的共价键，而在很多无机化合物中存在带有很大共价成分的离子键。共价键主要通过其5d轨道生成，4f轨道贡献相当小，因此稀土的簇合物和金 属有机化合物服从推广的十八电子规律。目前他正在对稀土簇合物及多核、异核络合物的电子结构和立体结构规律性进行更深入的探索。

4、返璞归真

徐光宪和课题组因为在稀土化学方面的成就而获得了大量荣誉。1978年，他们的研究成果获全国科学大会奖，1985年又获国家经委颁发的奖励和荣誉证书；“串级萃取理论及其在稀土和金川钴镍分离中的应用”获得1985年国家教委科技进步奖一等奖，“串级萃取理论及其应用”获得1987年国家自然科学奖三等奖，“轻稀土三出口萃取分离工艺理论设计及其工业实践”获得1988年国家教委科技进步奖二等奖，1989年获冶金部和全国稀土推广应用领导小组颁发的科技进步奖二等奖，1990年获得广东省科技进步奖一等奖；“稀土萃取分离工艺的一步放大”获1991年国家科技进步奖三等奖，等等。

对于取得的成就，徐光宪没有丝毫的夸耀之辞。徐光宪说：“我的工作都是团队集体的工作，我只是其中的一名代表而已。他们早已青出于蓝而胜于蓝，工作能力和成就大大超过我了。这是我最大的安慰和自豪。”

桃李不言，下自成蹊。而今，徐光宪的许多学生都已成长为我国化学领域的专家。他的得意门生严纯华教授，现为北京大学稀土材料化学及应用国家重点实验室主任，对串级萃取理论进行了不断改进，提出了联动萃取技术，大幅度节省了稀土分离工业中酸、碱的用量。他的学生高松，是我国最年轻的院士之一。北京大学化学学院在院长高松的带领下，正在走上一条创新跨越之路。半个世纪来，徐光宪根据国家的需要，服从组织分配，几次变更科研方向，在物质结构、量子化学、配位化学、核燃料萃取化学和创建稀土分离的串级萃取理论等方面，开展了广泛的研究和教学工作。由于稀土串级萃取技术仍然属于国家机密，徐光宪和课题组在许多方面虽有成果却不能写成论文发表。对这个，徐光宪淡然处之，有人提起时只是微微一笑。

徐光宪对周围的人说，作为一名教师，尤其是党员教师，一定要坚持勤奋学习《保持共产党员先进性教育读本》，提高实现“三个代表”重要思想的本领，努力在教学中提高学生的全面素质，培养学生的时代幸福感、社会责任感、历史使命感。

而今已是高龄的徐光宪仍是身骨硬朗、处世达观。碰到院士工作局等单位组织书法笔会，徐光宪也常去参加，但大多静静地僻处一旁，聆听他人的经验心得。不过，徐光宪仍在为我国稀土事业四处奔波。看到我国在稀土资源方面存在严重的浪费现象，徐光宪多次和包头稀土研究院领导讨论研究，希望把稀土串级萃取理论推广到选矿过程中，大幅度提高选矿品位和回收率。

近两年，徐光宪又联合师昌绪等14位院士呼吁，保护我国白云鄂博宝贵的稀土和钍资源，避免包头市和黄河受放射性污染，并多次深入白云鄂博矿调查研究。同时又在和一些院士呼吁加快实现钍的资源利用。徐光宪说，我承诺将一如既往地认真做这些工作，不辜负党多年来对我的培养、教育、鼓励和期望。