Die Entdeckung der Seltenen Erden beginnt 1787 in der Grube Ytterby im Stockholmer Schärengarten in Schweden. Dort fand der Offizier Carl Axel Arrhenius einen ungewöhnlichen schwarzen Stein. Das neu entdeckte Erz bekam später den Namen Gadolinit, nach dem finnischen Chemiker Johan Gadolin, der darin 1794 das erste Seltenerdelement entdeckte, das er „Yttria“ nannte.

Im Laufe des nächsten Jahrhunderts wurden nach und nach die restlichen Seltenerdelemente identifiziert. 1803 isolierte Martin Heinrich Klaproth zeitgleich mit Jöns Jacob Berzelius und Wilhelm Hisinger das zweite Seltenerdelement in einer komplexen Oxidverbindung: Ceria. Erst später wurde klar, dass es sich bei diesen beiden Elementen um komplexe Verbindungen handelte, in denen mehrere Elemente stecken.

Ab 1839 begann der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander mit der systematischen Analyse der gemischten Seltenen Erden und isolierte aus Lanthan, Terbium, Erbium — letztere beide sind wie auch Ytterbium und Yttrium — nach ihrem ersten Fundort Ytterby benannt. Die große Herausforderung bei Seltenen Erden ist damals wie heute sie voneinander zu trennen.

Die Isolierung der Elemente geschah auf äußerst mühsame, monotone Weise durch chemische Fraktionierung. Eine Methode die bis zum Erfolg tausendfach wiederholt werden musste, weil sich chemische und physikalische Eigenschaften der Seltenen Erden untereinander stark ähneln.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entwickelten die Chemiker Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen mit der Spektroskopie eine neue Methode für die Identifizierung von Elementen, was die Isolierung weiterer Seltenerdeelemente voranbrachte. Lutetium, das letzte natürlich vorkommende Seltenerdelement wurde 1907 entdeckt.

Der österreichische Chemiker Carl Auer von Welsbach, ein Schüler von Bunsen, entdeckte 1885 die Elemente Neodym und Praseodym. Welsbach setzte als erster Seltene Erden kommerziell ein, nachdem er deren Glüheigenschaften erkannte. Er entwickelte den Gasglühstrumpf für Gaslampen, dessen helles Licht bisherige Leuchtmittel in den Schatten stellte und zudem kostengünstiger war.

Später legierte er Cer mit Eisen und erfand so 1903 den „Zündstein“, der bis heute in Feuerzeugen verwendet wird. 1898 gründete er die Treibacher Industrie AG, die bis heute existiert. Seine Rohstoffe bezog Welsbach aus Brasilien, Indien und den USA. 

Im Zweiten Weltkrieg gewannen einige Seltenerdmetalle für Leuchtstoffe in Radarschirmen und für Spezialgläser in optischen Systemen an Bedeutung. Die USA starteten ein strategisches Beschaffungsprogramm, um Versorgungsengpässe zu vermeiden.

Die Fortschritte in der Atomphysik und der Kalte Krieg im 20. Jahrhundert brachten auch die Erkenntnisse über Seltene Erden weiter. So wurde das nicht in der Natur vorkommende und einzige radioaktive und nicht natürlich vorkommende Seltenerdelement Promethium entdeckt. Wegen ihrer Atomprogramme suchten Länder intensiv nach Thorium und Uran. Dabei wurden viele der heute bedeutenden Seltenerd-Lagerstätten entdeckt, wie Mountain Pass in Kalifornien oder Bayan Obo in China.

Die Seltenen Erden Yttrium und Europium spielten eine zentrale Rolle bei der Entwicklung des Farbfernsehens, das in den 1960er eingeführt wurde.

Bei der Entwicklung von Anwendungen für Seltene Erden war auch das US-Militär maßgeblich beteiligt. Dazu gehören zum Beispiel Samarium-Kobalt(SmCo)-Magneten. SmCo-Magnete waren eine revolutionäre Erfindung in der Magnettechnologie. Als die ersten starken, leistungsstarken und miniaturisierten Seltenerd-Permanentmagnete waren sie für Anwendungen in der Militär- und Luftfahrtechnik, in Hochleistungsmotoren oder der Medizintechnik unverzichtbar.

In den 1980er Jahren wurden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) entwickelt, die stärker und kostengünstiger als SmCo-Magnete sind, allerdings thermisch nicht so stabil sind wie diese. 

In den 1960er und 70er Jahren war die  Mountain Pass-Mine in Kalifornien der unumstrittene Weltmarktführer. Neue chemische Trennverfahren (Ionenaustausch, später Flüssig-flüssig-Extraktion) machten die Produktion reinerer Oxide in großen Mengen und zu niedrigeren Kosten möglich.

Parallel dazu begann in der Inneren Mongolei bei Baotou die Förderung von Seltenen Erden, die als Beiprodukt der Eisenerzförderung anfielen. Die chinesische Förderung diente zunächst nur dem heimischen Bedarf.

In den 1980er und 1990er Jahren verschärften sich in den USA die Umweltgesetze. Die Förderung und vor allem die Aufbereitung von Seltenen Erden erzeugt radioaktive Abfallprodukte und umweltschädliche Säuren. Die Kosten für die Einhaltung der Vorschriften stiegen in Mountain Pass stark an. 1998 wurde bekannt, dass große Mengen radioaktives Wasser aus der Anlage in die Umwelt gelangten. Die Mountain Pass-Mine  wurde 2002 geschlossen.

Parallel baute China seine Produktion mit billigen Arbeitskräften und laxen Umweltgesetzen massiv aus. Minen und Separationsanlagen außerhalb Chinas konnten mit der billigen Konkurrenz aus China nicht mithalten und mussten schließen.

China hat sich bis heute nicht nur zum größten Produzenten entwickelt, sondern auch die gesamte Wertschöpfungskette übernommen: Förderung, Trennung, Herstellung von Legierungen und Magneten. Bis zur Jahrtausendwende kontrollierte China über 90 Prozent der weltweiten Produktion. 

In der Natur kommen die Seltenerdelemente bis auf Scandium gemeinsam vor, oft auch vergesellschaftet mit den radioaktiven Elementen Uran und Thorium. Dies macht den Abbau und vor allem die weitere Gewinnung heikel. Die wichtigsten Mineralien für den Abbau von Seltenen Erden sind Bastnäsit, Monazit, Loparit sowie Laterit-Tone (Ionen-Adsorptionstone).

Die wichtigsten Mineralien für den Abbau von Seltenen Erden sind Bastnäsit, Monazit, Loparit sowie Laterit-Tone. Anfangs war Monazit die wichtigste Quelle für die Gewinnung Seltener Erden, da die Konzentration an Seltenen Erden im Vergleich zu anderen Erzen recht hoch ist. Ein Nachteil von Monazit ist jedoch der deutlich höhere Anteil an radioaktivem Thorium.

Ab den 1960er Jahren begannen Bastnäsit-Lagerstätten zu dominieren. Dieses Mineral hat einen deutlich geringeren Gehalt an radioaktivem Thorium als Monazit, jedoch ist auch der Anteil an schweren Seltenen Erden kleiner. Mountain Pass war in dieser Zeit die bedeutendste Mine für den Abbau. Bastnäsit, ein Fluorcarbonat, ist heute die Hauptquelle für seltene Erden. Der Großteil der weltweit verwendeten seltenen Erden stammen aus Minen in China (in Bayan Obo, Innere Mongolei sowie den Provinzen Shandong und Sichuan) und den USA (Mountain Pass, Kalifornien).

Ab den 1970er Jahren steigerte China die Produktion Seltener Erden aus den reichen Bastnäsitvorkommen in der Bayan Obo Mine in der Inneren Mongolei und verdrängte nach und nach die US-Produktion aus der kalifornischen Mountain Pass-Mine, die mit den Preisen nicht mithalten konnte. Zudem mussten die US-Betreiber strengere Umweltauflagen erfüllen. Nachdem große Mengen an radioaktivem Wasser austraten, wurde die Mine 2002 geschlossen und erst 2018 wieder eröffnet.

Bis heute ist China der wichtigste Seltenerdproduzent und sitzt auch auf den mit Abstand größten Reserven der Welt. 

Daneben fördern die Mountain-Pass-Mine in den USA sowie Mount Weld in Australien große Mengen an Seltenen Erden. Bedeutende Seltenerd-Vorkommen gibt es auch in Brasilien, Indien, Australien, Russland und Vietnam. Seltene Erden auch in Myanmar, Australien, Nigeria und Thailand abgebaut.

Überproduktion 

Ein wirtschaftlich wichtiger Faktor ist die Zusammensetzung der Seltenerdelemente in Lagerstätten. Besonders wertvoll sind Lagerstätten mit einem höheren Gehalt an den selteneren schweren Seltenen Erden. Die leichten Seltenen Erden Cer und Lanthan machen in Seltenerdvorkommen in der Regel den größten Anteil aus (teilweise über 50 Prozent). Die Marktnachfrage nach einzelnen Seltenen Erden nicht ihre natürliche Häufigkeit widerspiegelt kommt es zu einer erheblichen und anhaltenden Überproduktion von Cer und Lanthan im Verhältnis zur Marktnachfrage.   

Ionenadsorptionstone sind für die Gewinnung der schweren Seltenen Erden wichtig und werden vor allem in Südchina in den Provinzen Jiangxi und Guangdong abgebaut. China importiert zudem vermehrt dieser Erze aus dem benachbarten Myanmar.

Potenzielle Lagerstätten für schwere Seltene Erden außerhalb Chinas befinden sich in Brasilien und Vietnam. Westliche Bestrebungen Seltene Erden selbst zu fördern, haben zu zahlreichen Explorations- und Erschließungsprojekten geführt, wie in Grönland, Schweden und Norwegen. Auch bislang nicht kommerziell erschlossene Minerale wie Eudialyt werden dabei nicht außer Acht gelassen (Grönland, Schweden).

Der Seltenerdgehalt von Mineralien ausgewählter Lagerstätten ist in der Tabelle unten dargestellt.

Der Gehalt der einzelnen Seltenerdelemente variiert stark von Mineral zu Mineral und von Lagerstätte zu Lagerstätte. Die Mineralien und Erze werden im Allgemeinen als „leicht“ oder „schwer“ eingestuft: In der erstgenannten Gruppe sind die leichtatomigen Elemente Scandium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium und Europium, während die schweratomigen Elemente Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium sowie Yttrium in der letztgenannten Gruppe sind.

Die Geochemie von Scandium unterscheidet sich deutlich von derjenigen der anderen Seltenerdelemente. Informationen über seine Erze und Mineralien sind im Artikel Scandium enthalten. Im Wesentlichen wird in keinem der unten aufgeführten Mineralien Scandium gefunden.

Das Element Promethium kommt in der Natur auf der Erde so gut wie nicht vor.

Von den etwa 160 Mineralien, von denen bekannt ist, dass sie Seltene Erden enthalten, werden derzeit nur vier zur Seltenerd-Gewinnung abgebaut: Bastnasit, Lateritton, Monazit und Loparit. Mit Ausnahme von Laterit-Ton sind diese Mineralien gute Quellen für leichte Lanthanide und Lanthan und machen etwa 95 Prozent der verwendeten Seltenen Erden aus. Laterit-Tone sind eine kommerzielle Quelle für die schweren Lanthanide und Yttrium.

Andere Mineralien, die als Quelle für seltene Erden verwendet wurden, sind Apatit, Euxenit, Gadolinit und Xenotime. Allanit, Fluorit, Perowskit, Sphene und Zirkon haben das Potenzial, zukünftige Quellen für seltene Erden zu sein. Darüber hinaus wurden in der Vergangenheit Uran- und Eisenrückstände als Quelle für die schweren Lanthanide plus Yttrium sowie für die leichten Lanthanide plus Lanthan verwendet.

Viele dieser Mineralien wie Apatit und Euxenit werden wegen anderer Elemente abgebaut und die seltenen Erden fallen als Nebenprodukt an.

Neben den Mineralien der Erdkruste sind Seltene Erden und andere kritische Metall auch am Meeresgrund in sogenannten Manganknollen zu finden. Japan plant 2026 nahe der Insel Minamitori die erste Probeförderung im Tiefseebergbau, trotz Befürchtungen von Wissenschaftern und Umweltschützern, dass dies irreversible Schäden und unbekannte Folgen für das Ökosystem bedeuten kann.

Die idealisierten chemischen Zusammensetzungen dieser 13 Mineralien, die Quellen für seltene Erden sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Zusammensetzung primärer Seltenerdgehalt

Zusammensetzung ausgewählter Seltenerdminerale

Bastnäsit ist ein Fluorcarbonat und eine der Hauptquellen für die Gewinnung Seltener Erden. Das Mineral wurde 1838 erstmals beschrieben. Sein Name leitet sich von der Bastnäs-Grube nahe der schwedischen Stadt Skinnskatteberg ab.

Die Gewinnung von Seltenen Erden aus Bastnäsit ist oft wirtschaftlicher und einfacher als aus anderen Mineralien wie Monazit, aufgrund des geringen Gehalts an radioaktivem Thorium. Das reduziert die Umwelt- und Entsorgungsprobleme bei der Aufbereitung.

Die Hauptbestandteile sind die Seltenen Erden Cer ), Lanthan und in geringeren Mengen Yttrium. Die Anteile können variieren.

Der Seltenerdgehalt von Mineralien ausgewählter Lagerstätten, einschließlich einiger Bastnäsiten, werden in der Tabelle unten dargestellt.

Die Gewinnung der einzelnen Seltenerdelemente gehört seit ihrer Entdeckung bis in die Gegenwart zur größten Herausforderung. China dominiert mit einem Weltmarktanteil von über 90 Prozent die Raffination von Seltenen Erden. Bei der Herstellung von schweren Seltenen Erden hat China sogar einen Weltmarktanteil von über 95 Prozent. Was das Knowhow über die komplexe Raffination und Veredelung von Seltenen Erden angeht, ist China anderen Ländern mittlerweile weit voraus. Es gibt spezialisierte Forschungseinrichtungen, die mit der Industrie und dem Staatsapparat eng verzahnt sind.

Die größten Seltenerd-Raffinerien in China:

1. Northern Rare Earth High-Tech, Tochter der staatlichen China Rare Earth Group in Baotou, Innere Mongolei; leichte Seltene Erden: Lanthanum (La), Cerium (Ce), Praseodymium (Pr), Neodymium (Nd)
2. China Southern Rare Earth Group in Ganzhou, Jiangxi; schwere Seltene Erden: Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Yttrium (Y), Europium (Eu)
3. Xiamen Tungsten in Fujian & Jiangxi: schwere Seltene Erden: Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Yttrium (Y)
4. Guangdong Rare Earth Industry Group, in Guangdong; leichte und schwere Seltene Erden
5. Shenghe Resources in Sichuan, Shandong:leichte und schwere Seltene Erden (NdPr, Dy, Tb)

Raffinerien für Seltene Erden außerhalb Chinas: 

1. Kuantan, Malaysien. Betreiber: Lynas Rare Earths; leichte Seltene Erden: Lanthanum (La), Cerium (Ce), Praseodymium (Pr), Neodymium (Nd); schwere Seltene Erden: Dysprosium, Terbium
2. Sillamäe, Estland. Betreiber: Neo Performance Materials; leichte Seltene Erden
3. Mountain Pass, USA. Betreiber: MP Materials; leichte Seltene Erden

Die USA, EU und andere Länder entwickeln aufgrund unsicherer Lieferketten und Spannungen mit China ihre Produktionskapazitäten. Eine Reihe weiterer Anlagen, vor allem in den USA und Australien, befinden sich im Aufbau oder Skalierung.

Seltenerderze enthalten weniger als 10 Prozent REO und müssen für die Weiterverarbeitung auf etwa 60 Prozent aufkonzentriert werden. Sie werden zunächst zu Pulver gemahlen und dann von den anderen Materialien im Erzkörper getrennt. Dies geschieht mithilfe von verschiedenen Standard­prozessen, zu denen Flotation, magnetische und/oder elektro­statische Trennung gehören.

Für die weitere Verarbeitung des aufkonzentrierten Erzes werden Trennverfahren angewendet, die kurz nach dem Zweiten Weltkrieg im Zuge der Nuklearprogramme in mehreren Labors der US-Atomenergiekommission entwickelt wurden. Die Arbeiten am Ionenaustauschprozess wurden im Oak Ridge National Laboratory unter Gerald E. Boyd sowie am Ames Laboratory (heute: Ames National Laboratory) unter Frank Harold Spedding durchgeführt. Beide Gruppen zeigten, dass der Ionenaustauschprozess zumindest im kleinen Maßstab zur Trennung von Seltenen Erden funktionieren würde. In den 1950er Jahren zeigte die Ames-Gruppe, dass damit auch kiloweise hochreine (>99,99 Prozent) einzelne Seltene Erden trennbar sind. Dies war der Beginn der modernen Seltenerd-Industrie. Erstmals standen größere Mengen an hochreinen Seltenerdelementen für elektronische, magnetische, phosphorbasierende und optische Anwendungen zur Verfügung.

Am Argonne National Laboratory und im Oak Ridge National Laboratory entwickelten die Forscher unter Donald F. Peppard und Boyd Weaver Mitte der 1950er Jahre die Flüssig-Flüssig-Lösungsmittelextraktionsverfahren (Liquid-Liquid Solvent Extraction) zur Trennung von Seltenen Erden. Mit dieser Methode gewinnen Hersteller aus Mischungen die einzelnen Seltenerdelemente mit Reinheiten von 95 bis 99,9 Prozent.

Der Ionenaustauschprozess ist zwar langsamer, aber es können höhere Reinheiten von mehr als 99,99999 Prozent (d.h. 5 Neunen oder besser) erreicht werden. Bei optischen und phosphorhaltigen Materialien, bei denen Reinheiten von 5 bis 6 Neunen erforderlich sind, wird das einzelne Seltenerdelement zunächst durch Flüssig-Flüssig-Extraktionsmethode bis zu einer Reinheit von etwa 99,9 Prozent gereinigt und anschließend durch Ionenaustausch zu der für die jeweilige Anwendung erforderlichen Reinheit weiterverarbeitet.

Beim Ionenaustauschprozess wird ein Metallion, R3+, ausgetauscht in Lösung mit drei Protonen auf einem festen Ionenaustauscher – einem natürlichen Zeolith oder einem Kunstharz, normalerweise als das Harz bezeichnet.

Die Zähigkeit, mit der das Kation vom Harz gehalten wird, hängt von der Größe des Ions und seiner Ladung ab. Eine Trennung der Seltenen Erden ist jedoch nicht möglich, da das Harz nicht selektiv genug ist. Durch die Einführung eines Komplexbildners ist eine Trennung möglich; wenn die Stärke des R3+-Ionen-Komplexes benachbarter Lanthanid-Ionen von einer Seltenen Erde zur anderen ausreichend variiert, erfolgt die Trennung.Zwei gängige Komplexbildner zur Trennung der Seltenen Erden sind Ethylendiamintetraacetat (EDTA) und Hydroxyethylendiamintriacetat (HEDTA).

Die Harzkugeln mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm (0,004 Zoll) werden in eine lange Säule gepackt, und das Harzbett wird durch Durchleiten einer Säure durch die Säule hergestellt. Anschließend wird sie mit einer gemischten Seltenerdsäurelösung beladen, die den Komplexbildner und ein Rückhalteion wie Cu2+ oder Zn2+ enthält. Das Rückhalteion wird benötigt, um zu verhindern, dass sich das erste Seltenerdion ausbreitet und während des Trennvorgangs verloren geht.

Ein Elutionsmittel, Ammonium (NH4), drückt die Seltenen Erden durch die Ionenaustauschkolonnen. Der stabilste Komplex entsteht zuerst, d.h. der Kupfer- oder Zinkkomplex, gefolgt von Lutetium, Ytterbium, den anderen Lanthaniden (und Yttrium, das je nach Komplexbildner meist in der Nähe von Dysprosium und Holmium auftritt) und schließlich Lanthan.

Die einzelnen Seltenerdkomplexe R3+ bilden rechteckige Bänder mit einer minimalen Überlappung benachbarter Bänder. Die gegebene Seltenerdlösung wird gesammelt, und das R3+-Ion wird mit Oxalsäure aus der Lösung ausgefällt. Das Seltenerd-Oxalat wird durch Erwärmen in Luft auf 800-1.000 °C (1.472-1.832 °F) in das Oxid umgewandelt.

Das Flüssig-Flüssig-Lösungsmittel­extraktions­verfahren verwendet zwei ganz oder teilweise nicht mischbare Lösungsmittel, die gelöste Seltene Erden enthalten. Die beiden Flüssigkeiten werden gemischt, die gelösten Stoffe werden zwischen den beiden Phasen verteilt, bis das Gleichgewicht hergestellt ist, und dann werden die beiden Flüssigkeiten getrennt.

Die Konzentrationen der gelösten Stoffe in den beiden Phasen hängen von der relativen Affinität zu den beiden Lösungsmitteln ab. Das Produkt (Flüssigkeit), das den gewünschten gelösten Stoff enthält, wird nach der Konvention „Extrakt“ genannt, während der in der anderen Phase zurückbleibende Rückstand als „Raffinat“ bezeichnet wird.

Die beste Möglichkeit, die Trennung der Seltenen Erden zu beeinflussen, besteht darin, einen mehrstufigen Gegenstromabscheider im Dauerbetrieb mit vielen Mischabsetzer-Tanks oder -Zellen einzusetzen. Für den Fall, dass A eine größere Affinität zur organischen Phase und B eine größere Affinität zur wässrigen Phase aufweist, wird die organische Phase an A und die wässrige Phase an B angereichert.

Für die Seltenen Erden ist es viel komplexer, da es oft mehrere Seltenerdelemente sind, die gleichzeitig voneinander getrennt werden, nicht zwei wie im obigen Beispiel. Tributylphosphat (TBP) wird als organische Phase verwendet, um das Seltenerd-Ion aus der stark sauren wässrigen Phase der Salpetersäure zu extrahieren. Andere Extraktionsmittel, wie Di-(2-äthylhexyl)-orthophosphorsäure und langkettige Amine, werden ebenfalls verwendet.

Je nach Schmelz- und Siedepunkt des jeweiligen Metalls und dessen für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Reinheit gibt es drei verschiedene Verfahren:

Um aus den niedrigschmelzenden Lanthaniden (Lanthan, Cer, Praseodym und Neodym) hochreine Metalle (99 Prozent oder besser) herzustellen, wird das kalziothermische und elektrolytische Verfahren verwendet.

Für die hochschmelzenden Seltenerdelemente (Scandium, Yttrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Lutetium) kommt das kalziothermische Verfahren zum Einsatz.

Für die Hochdruckmetalle (Samarium, Europium, Thulium und Ytterbium) wird das sogenannte lanthanothermische Verfahren verwendet.

Zur Herstellung von Seltenerd-Metallen in handelsüblicher Qualität (95-98 Prozent Reinheit) eignet sich jede der drei Methoden.

Das kalziothermische Verfahren wird für alle Seltenerdmetalle angewendet, mit Ausnahme der vier Hochdruckmetalle (Samarium, Europium, Thulium und Ytterbium).

Das Seltenerd-Oxid wird in sein Fluorid umgewandelt, indem es mit wasserfreiem Fluorwasserstoff (HF)-Gas erhitzt wird, um RF3 zu bilden. Das Fluorid kann auch hergestellt werden, indem man das Oxid zuerst in wässriger HCl-Säure löst und dann wässrige HF-Säure zusetzt, um die RF3-Verbindung aus der Lösung auszufällen.

Das Fluoridpulver wird mit Calciummetall gemischt, in einem Tantaltiegel je nach Schmelzpunkt von R (= jeweiliges Seltenerdelement) auf 1.450 °C (2.642 °F) oder höher erhitzt. Das Calcium reagiert mit dem RF3 zu Calciumfluorid (CaF2) und R. Da sich diese beiden Produkte nicht miteinander vermischen, schwimmt das CaF2 auf dem Metall. Bei Abkühlung auf Raumtemperatur wird das CaF2 leicht von R getrennt.

Das Metall wird dann im Hochvakuum in einem Tantaltiegel bis über seinen Schmelzpunkt erhitzt, um das überschüssige Kalzium zu verdampfen. An diesem Punkt kann R durch Sublimation oder Destillation weiter gereinigt werden.

In China wird die kalziothermische Reduktion im kommerziellen Maßstab häufig in Graphittiegeln durchgeführt. Dies führt zu einer starken Kontamination der produzierten Metalle mit Kohlenstoff, der sich in den geschmolzenen Seltenerdmetallen leicht auflöst. Herkömmliche Oxidtiegel wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Zirkonoxid (ZrO2) sind für die kalziotherme Reduktion der Seltenerdmetalle ungeeignet, da geschmolzene Seltene Erden Aluminium bzw. Zirkonium schnell aus ihren Oxiden reduzieren.

Die niedrigschmelzenden Metalle (Lanthan, Cer, Praseodym und Neodym) können aus dem Oxid zwei unterschiedlichen elektrolytischen Verfahren hergestellt werden.

Die erste Methode besteht darin, das Oxid in das Chlorid (oder Fluorid) umzuwandeln und dann das Halogenid in einer Elektrolysezelle zu reduzieren. Elektrischer Strom mit einer Stromdichte von etwa 10 A/cm2 wird durch die Zelle geleitet, um das RCl3 (RF3) bis Cl2 (F2)-Gas an der Kohlenstoffanode und das flüssige R-Metall an der Molybdän- oder Wolframkathode zu reduzieren. Der Elektrolyt ist ein geschmolzenes Salz, das aus RCl3 (RF3) und NaCl (NaF) besteht. Die elektrolytisch hergestellten Lanthanide sind jedoch nicht so rein wie die nach dem kalziothermischen Verfahren hergestellten.

Der zweite elektrolytische Prozess reduziert das Oxid direkt in einer RF3-LiF-CaF2 Salzschmelze. Das Hauptproblem bei diesem Prozess ist, dass die Oxidlöslichkeit recht gering ist und es schwierig ist, die Sauerstofflöslichkeit in der Flüssigsalzlösung zu kontrollieren.

Der elektrolytische Prozess beschränkt sich auf die Seltenerdmetalle, die unter 1.050 °C (1.922 °F) schmelzen, da diejenigen, die viel höher schmelzen, mit der Elektrolysezelle und den Elektroden reagieren.

Große kommerzielle Anwendungen nutzen die einzelnen Metalle Lanthan für Nickel-Metallhydrid-Batterien, Neodym für Nd2Fe14B-Dauermagnete und Mischmetall für Legierungsmittel und leichtere Feuersteine.
Mischmetall ist eine Mischung der Seltenerdelemente, die direkt aus einem Seltenerdkonzentrat reduziert wurde, bei dem das Verhältnis der einzelnen Elemente etwa gleich ist wie in den abgebauten Erzen (d.h. in der Regel etwa 50 Prozent Cer, 25 Prozent Lanthan, 18 Prozent Neodym und 7 Prozent Praseodym).

Die Lanthan- und Neodymmetalle werden größtenteils durch die direkte elektrolytische Reduktion der Oxide hergestellt. Mischmetall wird im Allgemeinen durch die Elektrolyse des gemischten RCl3 hergestellt.

Zur  Herstellung von Samarium, Europium, Thulium und Ytterbium wird das lanthanothermische Verfahren verwendet. Die zweiwertigen Metalle Europium und Ytterbium haben hohe Dampfdrücke – oder niedrigere Siedepunkte als die anderen Seltenerdelemente, was ihre Herstellung nach kalziothermischen oder elektrolytischen Verfahren erschwert. Samarium und Thulium haben auch niedrige Siedepunkte, verglichen mit den anderen Seltenerdelementen.

Diese vier Metalle werden durch Mischen von R2O3 (R = Samarium, Europium, Thulium und Ytterbium) mit feinen Spänen aus Lanthanmetall und Platzieren der Mischung am Boden eines hohen Tantaltiegels hergestellt. Das Gemisch wird je nach R auf 1.400-1.600 °C (2.552-2.912 °F) erhitzt. Das Lanthanmetall reagiert mit R2O3 zu Lanthanoxid (La2O3), und R verdampft und sammelt sich an einem Kondensator an der Oberseite des Tiegels, der etwa 500 °C kälter ist als das Reaktionsgemisch am Boden des Tiegels. Die vier Metalle können durch erneutes Sublimieren des Metalls weiter gereinigt werden.

Angesichts der begrenzten Reserven und des hohen Wertes der Seltenerdmetalle wird das Recycling dieser Elemente aus Konsumgütern, die das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen, voraussichtlich an Bedeutung gewinnen.

Der Chemiekonzern Solvay hat seine stillgelegte Recyclinganlage in La Rochelle, Frankreich, 2025 wieder in Betrieb genommen.

Das chemische, metallurgische und physikalische Verhalten der Seltenen Erden wird durch die Elektronenkonfiguration dieser Elemente bestimmt. Im Allgemeinen sind diese Elemente dreiwertig, R³⁺, aber einige von ihnen haben andere Valenzen. Die Anzahl der 4f-Elektronen jedes Lanthanids ist in der Tabelle der Anzahl der 4f-Elektronen und Ionenradien für das R³⁺-Ion angegeben. Die 4f-Elektronen haben niedrigere Energien als die äußeren drei Valenzelektronen und liegen radial innerhalb der äußeren drei Valenzelektronen (d.h. 4f-Elektronen sind „lokalisiert“ und Teil des Ionenkerns), und sind daher nicht direkt an der Bindung mit anderen Elementen beteiligt, wenn eine Verbindung gebildet wird. Deshalb sind die Lanthanide chemisch ähnlich und schwer zu trennen und kommen in verschiedenen Mineralien zusammen vor. Die äußeren oder Valenzelektronen für die 14 Lanthanide und Lanthan sind gleich, 5d6s²; für Scandium 3d4s²; und für Yttrium 4d5s². Es gibt einige Unterschiede in den chemischen Eigenschaften der Lanthanide aufgrund der Lanthanidkontraktion und der Hybridisierung oder Mischung der 4f-Elektronen mit den Valenzelektronen.

Die systematische und gleichmäßige Abnahme von Lanthan zu Lutetium wird als Lanthanidkontraktion bezeichnet. Es ist auf den Anstieg der Kernladung zurückzuführen, die nicht vollständig durch das zusätzliche 4f-Elektron abgeschirmt wird, wenn man von einem Lanthanid zum nächsten geht. Diese erhöhte effektive Ladung zieht die Elektronen (sowohl das Kern- als auch das äußere Valenzelektron) näher an den Kern heran, wodurch der kleinere Radius der Lanthanide mit höherer Ordnungszahl berücksichtigt wird. Die Lanthanidkontraktion trägt auch zur Verringerung der Basizität von Lanthan zu Lutetium bei und ist die Grundlage für verschiedene Trenntechniken.

Da die 4f-Elektronen hinzugefügt werden, wenn man sich durch die Lanthanidreihe von Lanthan über Cer bis Praseodym und so weiter bewegt, behalten die Elektronen, die aufgrund des Elektronenspins ein magnetisches Moment haben, die gleiche Drehrichtung bei und die Momente werden parallel zueinander ausgerichtet, bis die 4f-Ebene halb gefüllt ist, d.h. bei sieben 4f-Elektronen im Gadolinium. Das nächste Elektron muss nach dem Pauli-Ausschlussprinzip antiparallel ausgerichtet werden, so dass zwei 4f-Elektronen gepaart werden. Dies geht weiter, bis das 14. Elektron am Lutetium hinzugefügt wird, wo alle 4f-Elektronenspins gepaart sind und das Lutetium kein 4f-magnetisches Moment hat.

Die 4f-Elektronenkonfiguration ist äußerst wichtig und bestimmt das magnetische und optische Verhalten der Lanthanidelemente; z.B. sind die besonderen Eigenschaften starker Nd₂Fe₁₄B-Permanentmagnete auf die drei 4f-Elektronen in Neodym zurückzuführen, und die rote Farbe in optischen Displays, die Kathodenstrahlröhren verwenden, wird vom Europium-Ion in einer Wirtsverbindung bereitgestellt, während die grüne Farbe von Terbium bereitgestellt wird.

Wie bereits erwähnt, können mehrere Lanthanide einen anderen Valenzzustand aufweisen, R⁴⁺ für R = Cer, Praseodym und Terbium und R²⁺ für R = Samarium, Europium und Ytterbium. Diese zusätzlichen Valenzzustände sind ein eindrucksvolles Beispiel für Hundes Regel, die besagt, dass leere, halb gefüllte und vollständig gefüllte elektronische Niveaus in der Regel stabilere Zustände sind: Ce⁴⁺ und Tb⁴⁺ geben ein f-Elektron auf, um einen leeren bzw. halbgefüllten 4f-Pegel zu haben, und Eu²⁺ und Yb²⁺ gewinnen ein f-Elektron, um einen halbgefüllten bzw. vollständig gefüllten 4f-Pegel zu erhalten. Pr⁴⁺ und Sm²⁺ können durch Aufgeben oder Gewinnen eines f-Elektronen in seltenen Fällen zusätzliche Stabilität gewinnen. In diesen beiden Fällen neigen sie dazu, erreichen aber nicht den jeweils leeren oder halb gefüllten Füllstand. Durch die Aufgabe eines 4f-Elektrons zu einem R⁴⁺-Ion werden die Radien von Cer, Praseodym und Terbium kleiner, 0,80, 0,78 und 0,76 Å. Umgekehrt gewinnen Samarium, Europium und Ytterbium ein 4f-Elektron aus den Valenzelektronen zu einem R²⁺-Ion, und ihre Radien erhöhen sich auf 1,19, 1,17 bzw. 1,00 Å. Chemiker haben diese Valenzveränderungen genutzt, um Ce⁴⁺, Eu²⁺ und Yb²⁺ von den anderen dreiwertigen R³-Ionen durch relativ billige chemische Methoden zu trennen. CeO₂ (wobei Ce vierwertig ist) ist die normale stabile Oxidform, während die Oxide von Praseodym und Terbium die Stöchiometrie Pr₆O₁₁ und Tb₄O₇ aufweisen, die sowohl den tetra- als auch den dreiwertigen Zustand enthalten, d.h. 4PrO₂∙Pr₂O₃ und 2TbO₂∙Tb₂O₃. Die zweiwertigen Ionen Sm²⁺, Eu²⁺ und Tb²⁺ bilden Dihalogenide – z.B. SmCl₂, EuCl₂ und YbCl₂. Mehrere Europiumoxid-Stöchiometrien sind bekannt: EuO (Eu²⁺), Eu₂O₃ (Eu³⁺) und Eu₃O₄ (z.B. EuO∙Eu₂O₃).

Der Ionenradius von Scandium ist viel kleiner als der des kleinsten Lanthanoids, Lutetium: 0,745 Å gegenüber 0,861 Å. Der Radius von Scandium ist etwas größer als der der üblichen Metallionen, z.B. Fe³⁺, Nb⁵⁺, U⁵⁺ und W⁵⁺. Dies ist der Hauptgrund, warum Scandium in keinem der normalen Seltenerdminerale in wesentlichen Mengen enthalten ist, in der Regel nicht mehr als 0,01 Gewichtsprozent. Scandium wird jedoch als Nebenprodukt bei der Verarbeitung anderer Erze (z.B. Wolframit) und aus Bergbauabfällen (z.B. Uran) gewonnen. Andererseits ist der Radius von Yttrium, 0,9 Å, fast identisch mit dem von Holmium, 0,901 Å, und dies erklärt die Anwesenheit von Yttrium in den schweren Lanthanidmineralien.

Die meisten Seltenerdmetalle haben eine Wertigkeit von drei; die von Cer ist jedoch 3,2, und Europium und Ytterbium sind zweiwertig. Dies wird deutlich, wenn die metallischen Radien in Abhängigkeit von der Ordnungszahl dargestellt werden. Die metallischen Radien der dreiwertigen Metalle weisen die normale Lanthanidkontraktion auf, aber eine deutliche Abweichung tritt bei Cer auf, wo sein Radius unter die durch die dreiwertigen Metalle festgelegte Linie fällt, sowie bei Europium und Ytterbium, wo ihre Radien weit über dieser Linie liegen.

Die Schmelzpunkte für Europium und Ytterbium sind deutlich niedriger als die der benachbarten dreiwertigen Lanthanide, wenn sie gegen die Ordnungszahl aufgetragen werden, was auch mit der zweiwertigen Natur dieser beiden Metalle übereinstimmt. Anomalien sind auch bei anderen physikalischen Eigenschaften von Europium und Ytterbium im Vergleich zu den dreiwertigen Lanthanidmetallen zu beobachten (siehe unten Eigenschaften der Metalle).

Die folgende Tabelle zeigt die Anzahl der 4f-Elektronen und den Radius des R³⁺-Ions für die Seltenerdelemente.

Wie bereits erwähnt, sind sich die Seltenerdelemente – insbesondere die Lanthanide – recht ähnlich. Sie treten in der Natur zusammen auf und ihre vollständige Trennung ist schwer zu erreichen. Allerdings gibt es einige auffällige Unterschiede, insbesondere in den physikalischen Eigenschaften der reinen metallischen Elemente. So unterscheiden sich beispielsweise ihre Schmelzpunkte um fast den Faktor zwei und die Dampfdrücke um den Faktor mehr als eine Milliarde. Diese und andere interessante Fakten werden im Folgenden erläutert.

Alle Seltenerdmetalle außer Europium kristallisieren in einer von vier dicht gepackten Strukturen (Kristallgitter). Während die eine entlang der Lanthanidreihe von Lanthan bis Lutetium fortschreitet, ändern sich die Kristallstrukturen von flächenzentriert kubisch (face-centered cubic / FCC, auch „kubisch dichteste Kugelpackung“ oder Kupfer- bzw. Cu-Typ genannt) zu hexagonal dicht gepackt (hexagonal close packed / HCP, auch „hexagonal dichte Kugelpackung“ oder Mg-Typ), mit zwei Zwischenstrukturen, die aus einer Mischung von FCC- und HCP-Schichten bestehen, wobei eine zu 50 Prozent aus jeder Schicht besteht (double hexagonal close packed / DHCP) und die andere zu einem Drittel aus FCC und zwei Dritteln HCP besteht (close packed rhombohedral / Sm-Typ). Die beiden Zwischenstrukturen sind einzigartig unter den Kristallstrukturen aller metallischen Elemente, während die FCC- und HCP-Strukturen recht häufig sind.

Mehrere Elemente haben zwei dicht gepackte Strukturen: Lanthan und Cer haben die FCC- und DHCP-Strukturen, Samarium hat die Sm- und HCP-Strukturen, und Ytterbium hat die FCC- und HCP-Strukturen. Die Existenz dieser Strukturen hängt von der Temperatur ab. Neben den dicht gepackten Strukturen weisen die meisten Seltenerdmetalle (Scandium, Yttrium, Lanthan bis Samarium und Gadolinium bis Dysprosium) eine kubisch-innenzentrierte (body-centered cubic / BCC oder Wolfram- bzw. W-Typ) Hochtemperatur-Polymorphie auf. Die Ausnahmen sind Europium, das von 0 K (-273 °C oder -460 °F) bis zu seinem Schmelzpunkt bei 822 °C (1.512 °F) BCC ist, und Holmium, Erbium, Thulium und Lutetium, die mit der HCP-Struktur monomorph sind. Cer, Terbium und Dysprosium weisen Umwandlungen bei niedrigen Temperaturen auf (unterhalb Raumtemperatur). Die von Cer ist auf eine Valenzveränderung zurückzuführen, während die von Terbium und Dysprosium magnetischen Ursprungs sind.

Die Schmelzpunkte der Lanthanidmetalle nehmen mit zunehmender Ordnungszahl von 798 °C (1.468 °F) für Cer auf 1.663 °C (3.025 °F) für Lutetium rasch zu, was einer Verdoppelung entspricht, während die Schmelzpunkte von Scandium und Yttrium mit denen der letzten Elemente der dreiwertigen Lanthanidmetalle vergleichbar sind. Die niedrigen Schmelzpunkte für die leichten bis mittleren Lanthanide werden als Folge eines 4f -Elektronenbeitrags zur Bindung angesehen, der bei Cer ein Maximum ist und bei steigender Ordnungszahl auf etwa Null bei Erbium sinkt. Die niedrigen Schmelzpunkte von Europium und Ytterbium sind auf ihre Divalenz zurückzuführen.

Die Siedepunkte der Seltenerdmetalle variieren um fast den Faktor drei. Die von Lanthan, Cer, Praseodym, Yttrium und Lutetium gehören zu den höchsten aller chemischen Elemente, während die von Europium und Ytterbium in die Gruppe der Metalle mit den niedrigsten Siedepunkten eingeordnet werden können. Diese große Differenz ergibt sich aus dem Unterschied in den elektronischen Strukturen der Atome im Festmetall und im jeweiligen Gas. Für die dreiwertigen festen Metalle mit den höchsten Siedepunkten weist das Gasatom drei äußere Elektronen 5d¹6s² auf, während die zweiwertigen festen Metalle mit den niedrigen Siedepunkten Gasatome mit nur zwei äußeren Elektronen 6s² aufweisen. Die Lanthanide mit Zwischensiedepunkten sind dreiwertige Feststoffe, aber ihre gasförmigen Formen haben nur zwei äußere Elektronen, 6s². Dieser Unterschied in den elektronischen Zuständen der festen Metalle im Vergleich zu denen der entsprechenden gasförmigen Atome erklärt das beobachtete Verhalten.

Die elektrischen Widerstände der Seltenerdmetalle liegen zwischen 25 und 131 Mikroohm-Zentimeter (μΩ·cm), die in die Mitte der elektrischen Widerstandswerte der metallischen Elemente fallen. Die meisten dreiwertigen Seltenerdmetalle haben Werte bei Raumtemperatur von etwa 60 bis 90 μΩ·cm. Der niedrige Wert von 25 μΩ·cm ist für zweiwertiges FCC-Ytterbium-Metall, während die beiden größten Werte, Gadolinium (131 μΩ·cm) und Terbium (115 μΩ·cm), auf einen magnetischen Beitrag zum spezifischen elektrischen Widerstand zurückzuführen sind, der in der Nähe der magnetischen Ordnungstemperatur eines Materials entsteht.

Lanthanmetall ist das einzige bei Atmosphärendruck supraleitende (d.h. ohne elektrischen Widerstand leitende) Seltenerdmetall, während Scandium, Yttrium, Cer und Lutetium dies nur unter hohem Druck tun.
Die FCC-Modifikation von Lanthan wird bei einer Temperatur T_s = 6,0 K (-267,2 °C oder -448,9 °F) supraleitend, während der DHCP-Polymorph eine T_s = 5,1 K (-268,1 °C oder -450,5 °F) aufweist.

Die magnetischen Eigenschaften der Seltenerdmetalle, -legierungen und -verbindungen sind stark abhängig von der Anzahl der ungepaarten 4f-Elektronen. Die Metalle ohne ungepaarte Elektronen (Scandium, Yttrium, Lanthan, Lutetium und zweiwertiges Ytterbium) sind nur schwach magnetisch, wie auch viele der Nicht-Seltenerdmetalle. Der Rest der Lanthanide (Cer bis Thulium) ist stark magnetisch, da sie ungepaarte 4f-Elektronen haben. Damit bilden die Lanthanide die größte Familie der magnetischen Metalle. Die magnetische Ordnungstemperatur hängt in der Regel von der Anzahl der ungepaarten 4f-Elektronen ab. Sie liegt bei Cer mit einem ungepaarten Elektron bei etwa 13 K (-260 °C, oder -436 °F) und bei Gadolinium mit deren sieben (der maximal möglichen Anzahl) sogar bei Zimmertemperatur. Alle anderen magnetischen Ordnungstemperaturen der Lanthanide liegen zwischen diesen beiden Werten. Gadolinium ist das einzige Element, das sich bei Zimmertemperatur ferromagnetisch anordnet - außer den 3d-Elektronen-Elementen Eisen, Kobalt und Nickel. Die Magnetstärke, gemessen an ihrem effektiven magnetischen Moment, hat eine kompliziertere Korrelation mit der Anzahl der ungepaarten 4f-Elektronen, da sie auch von deren Orbitalbewegungen abhängt. Wenn man dies berücksichtigt, findet man das maximal effektive magnetische Moment in Dysprosium und Holmium innerhalb einer sehr engen Sekunde, 10,64 gegenüber 10,60 Bohr-Magneton; der Wert von Gadolinium beträgt 7,94.

Die Seltenerdmetalle weisen exotische (und manchmal komplizierte) magnetische Strukturen auf, die sich mit der Temperatur ändern. Die meisten Lanthanide haben mindestens zwei magnetische Strukturen. Bei Raumtemperatur hat Gadolinium die einfachste Struktur. Alle 4f-Spins sind in einer Richtung parallel zueinander ausgerichtet; diese Struktur wird als ferromagnetisches Gadolinium bezeichnet. Die meisten anderen Lanthanidmetalle haben 4f-Spins, die antiparallel zueinander ausgerichtet sind (also parallel, aber in entgegengesetzter Richtung), manchmal vollständig, oft aber nur teilweise. Sie werden alle als antiferromagnetische Metalle bezeichnet, unabhängig davon, ob die Spins vollständig oder teilweise kompensiert sind. In vielen der antiferromagnetischen Strukturen bilden die Spins spiralförmige Strukturen.

Beim Vergleich des linearen Ausdehnungskoeffizienten (LCTE / Linear Coefficient of Thermal Expansion) der hexagonal gepackten Metalle ist die thermische Ausdehnung in dicht gepackter Richtung immer größer als in den Ebenen (A-, B- und C-Schichten). Die anomal großen Ausdehnungswerte für Europium und Ytterbium bestätigen erneut den zweiwertigen Charakter dieser beiden Metalle.

Wie bei den meisten anderen Eigenschaften der Seltenerdmetalle fallen die Elastizitätskoeffizienten der Seltenerdmetalle in das mittlere Perzentil der anderen Metallelemente. Die Werte für Scandium und Yttrium sind etwa gleich hoch wie die der Endglieder der Lanthanide (Erbium bis Lutetium). Es gibt eine allgemeine Zunahme des Elastizitätsgrads mit zunehmender Ordnungszahl, mit den Elementen Cer (4f-Bindung) sowie Europium und Ytterbium (Divalenz) als Ausreisser nach unten.

Die Seltenerdmetalle sind mechanisch weder schwache noch besonders starke metallische Elemente, und sie weisen eine geringe Duktilität auf. Da diese Eigenschaften sehr stark abhängen von der Reinheit der Metalle und den Umgebungstemperaturen, denen sie in der Vergangenheit ausgesetzt waren, ist es schwierig, die in der Literatur angegebenen Werte untereinander zu vergleichen. Die Bruchfestigkeit variiert von etwa 120 bis etwa 160 MPa (Megapascal) und die Duktilität von etwa 15 bis 35 Prozent. Die Stärke von Ytterbium ist viel kleiner, 58 MPa, und die Duktilität ist höher, etwa 45 Prozent, wie es für zweiwertiges Metall zu erwarten wäre.

Die Reaktivität der Seltenerdmetalle mit Luft zeigt einen signifikanten Unterschied zwischen den leichten und den schweren Lanthaniden. Die leichten Lanthanide oxidieren viel schneller als die schweren (Gadolinium bis Lutetium) sowie Scandium und Yttrium. Dieser Unterschied ist zum Teil auf die Variation des gebildeten Oxidprodukts zurückzuführen.
Die leichten Lanthanide (Lanthan bis Neodym) bilden die hexagonale R₂O₃-Struktur vom A-Typ; die mittelschweren Lanthanide (Samarium bis Gadolinium) bilden die monokline R₂O₃-Phase vom B-Typ; während die schweren Lanthanide, Scandium und Yttrium die kubische R₂O₃-Modifikation vom C-Typ bilden.
Der A-Typ reagiert mit Wasserdampf in der Luft zu einem Oxyhydroxid, das die weiße Beschichtung abplatzen lässt und die Oxidation durch Freilegung der frischen Metalloberfläche ermöglicht.
Das Oxid vom C-Typ bildet eine dichte, zusammenhängende Beschichtung, die eine weitere Oxidation verhindert, ähnlich dem Verhalten von Aluminium. Samarium und Gadolinium, die die R₂O₃-Phase vom B-Typ bilden, oxidieren etwas schneller als die schwereren Lanthanide, Scandium und Yttrium, bilden aber dennoch eine dichte Beschichtung, die eine weitere Oxidation verhindert.
Aus diesem Grund müssen die leichten Lanthanide im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre gelagert werden, während die schweren Lanthanide, Scandium und Yttrium jahrelang ohne Oxidation im Freien stehen bleiben können.

Das Europiummetall mit BCC-Struktur ist das in feuchter Luft am schnellsten oxidierende Seltenerdmetall und muss daher jederzeit unter Schutzgasatmosphäre gehalten werden. Das Reaktionsprodukt von Europium mit feuchter Luft ist ungewöhnlicherweise ein Hydrat-Hydroxid, Eu(OH)₂–H₂O - alle anderen Seltenerdmetalle bilden Oxide.

Die Metalle reagieren mit allen Säuren außer Flusssäure (HF) heftig, geben H₂-Gas ab und bilden die entsprechenden Seltenerd-Anionverbindungen. Die Seltenerdmetalle bilden beim Einbringen in Flusssäure eine unlösliche RF₃-Beschichtung, die eine weitere Reaktion verhindert.

Die Seltenerdmetalle reagieren leicht mit Wasserstoffgas zu RH₂ und unter starken Hydrierungsbedingungen zur Phase RH₃, mit Ausnahme von Scandium, welches kein Trihydrid bildet.

Die Seltenerdelemente bilden zehntausende von Verbindungen mit allen Elementen der Gruppen 7 und grösser in der rechten Hälfte des Periodensystems der Elemente, darunter die Metalle Mangan, Technetium und Rhenium, sowie mit Beryllium und Magnesium, die ganz links in der Gruppe 2 liegen. Wichtige Verbindungsreihen und einige Einzelverbindungen mit einzigartigen Eigenschaften oder ungewöhnlichem Verhalten werden im Folgenden beschrieben.

Die größte Familie der bisher untersuchten anorganischen Seltenerdverbindungen sind die Oxide. Die gebräuchlichste Stöchiometrie ist die R₂O₃-Zusammensetzung, aber da einige wenige Lanthanidelemente neben 3+ auch andere Valenzzustände aufweisen, existieren andere Stöchiometrien – zum Beispiel Ceroxid (CeO₂), Praseodymoxid (Pr₆O₁₁), Terbiumoxid (Tb₄O₇), Europiumoxid (EuO) und Eu₃O₄. Der größte Teil der Diskussion wird sich auf die binären Oxide konzentrieren, aber auch ternäre und andere Oxide höherer Ordnung werden kurz behandelt.

Alle Seltenerdmetalle bilden das Sesquioxid (Oxide mit einem Verhältnis Sauerstoff zu Metall von 3 zu 2, von lateinisch sesqui = eineinhalb) bei Raumtemperatur, aber es ist möglicherweise nicht die stabile Gleichgewichtszusammensetzung. Für die R₂O₃-Phase gibt es fünf verschiedene Kristallstrukturen. Sie werden als A-, B-, C-, H- und X-Typen (oder Formen) bezeichnet, und ihre Existenz hängt vom Seltenerdelement und der Temperatur ab. Der A-Typ existiert für die leichten Lanthanide, und sie transformieren sich in den H-Typ bei über 2.000 °C (3.632 °F) und dann, bei weiteren 100-200 °C (180-360 °F) höheren Temperaturen, in den X-Typ. Der B-Typ existiert für die mittleren Lanthanide, und auch sie transformieren sich in den H-Typ bei über 2.100 °C (3.812 °F) und dann in den X-Typ nahe ihrem Schmelzpunkt. Die C-Struktur findet sich sowohl für schwere Lanthanide als auch für Sc₂O₃ und Y₂O₃. Die R₂O₃-Verbindungen vom C-Typ werden beim Erwärmen zwischen 1.000 und 2.000 °C (1.832 und 3.632 °F) in den B-Typ und dann, vor dem Schmelzen, in den H-Typ umgewandelt. Die R₂O₃-Phasen sind feuerfeste Oxide mit Schmelztemperaturen zwischen 2.300 und 2.400 °C (4.172 und 4.352 °F) für die leichten bzw. die schweren R-Oxide, haben aber aufgrund der vorstehend genannten strukturellen Umwandlungen nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten als feuerfeste Materialien.

Die Sesquioxide gehören zu den stabilsten Oxiden im Periodensystem; je negativer der Wert der freien Bildungsenergie (Gibbs-Energie, ΔG), desto stabiler das Oxid. Das Interessante sind die anomalen freien Bildungsenergien der Oxide von Europium (Eu₂O₃) und Ytterbium (Yb₂O₃). Man würde annehmen, dass sie sich im Wertebereich von trivalenten R₂O₃-Phasen benachbarter Lanthanidelemente befinden sollten, da Europium und Ytterbium beide dreiwertig sind in diesen Verbindungen. Diese weniger negativen ΔG-Werte sind darauf zurückzuführen, dass Europium und Ytterbium beide zweiwertige Metalle sind und bei der Reaktion mit Sauerstoff Energie benötigt wird, um sie in den dreiwertigen Zustand zu überführen.

Es gibt eine Reihe von wichtigen Anwendungen, die die R₂O₃-Verbindungen betreffen. Im Allgemeinen werden sie in Kombination mit anderen Verbindungen oder Materialien verwendet. Die Oxide ohne ungepaarte 4f-Elektronen, Lanthanoxid (La₂O₃), Lutetiumoxid (Lu₂O₃) und Gadoliniumoxid (Gd₂O₃) werden Gläsern zugesetzt, die als Linsen in der Optik-Industrie verwendet werden, wobei mit den R₂O₃-Verbindungen der Brechungsindex erhöht wird. Dieselben Oxide plus Yttriumoxid (Y₂O₃) werden als Trägermaterialien für Phosphore auf Seltenerdbasis verwendet, welche in der Regel mit anderen Oxidmaterialien gemischt werden, um optische Eigenschaften zu optimieren. Yttrium-Orthovanadat (YVO₄) gehört mit Yttrium-Oxysulfid (Y₂O₂S) zu den meistverwendeten Trägermaterialien.

Einige der Lanthanid-Ionen mit ungepaarten 4f-Elektronen haben elektronische Übergänge, die bei Anregung durch Elektronen oder Photonen intensive und leuchtende Farben ergeben und in Bildschirmen mit Kathodenstrahlröhren, optischen Displays und Leuchtstofflampen verwendet werden; dies sind Eu³⁺ (rot), Eu²⁺ (blau), Tb³⁺ (grün) und Tm³⁺ (blau). Die jeweiligen Aktivator-R₂O₃-Oxide werden dem Trägermaterial in Mengen von 1-5 Prozent zugegeben, um den entsprechenden Phosphor und das entsprechende Farblicht zu erzeugen. Das Eu³⁺-Ion verursacht eine intensive rote Farbe, und seine Entdeckung im Jahr 1961 führte zu einem großen Wandel in der TV-Branche. Vor der Einführung von Europium war das Farbbild im Fernsehen eher blass und dumpf. Nach Einführung des neuen Europium-Phosphors wurden die Farben viel heller und intensiver, was das Fernsehen in Farbe noch angenehmer machte. Diese Anwendung war der Beginn der modernen Seltenerd-Industrie. Die jährliche Produktionsrate einzelner Seltenerdelemente wuchs deutlich, die Produkte wiesen immer höhere Reinheiten auf, und die Menge der abgebauten Seltenen Erden nahm in den Folgejahren dramatisch zu.

Y₂O₃-Oxid wird ZrO₂ zugesetzt, um die kubische Form von ZrO₂ zu stabilisieren und Sauerstoffleerstellen einzubringen, was zu einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit führt. Diese Materialien (5-8 Prozent Y₂O₃ in ZrO₂) sind ausgezeichnete Sauerstoffsensoren. Sie werden zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in der Luft und zur Steuerung der Kraftstoff/Luft-Mischung in Verbrennungsmotoren verwendet.

Die Zugabe von etwa 2 Gewichtsprozenten R₂O₃ (R = Lanthan, Cer und unsepariertes R) zu Zeolithen (3SiO₂/Al₂O₃) hat die katalytische Aktivität von Fluid-Catalytic-Cracking-(FCC-)Katalysatoren um den Faktor zwei bis drei gegenüber Zeolithen ohne Seltene Erden verbessert. FCC-Katalysatoren sind seit ihrer Erfindung im Jahr 1964 zu einem der größten Anwendungsgebiete der Seltenen Erden geworden (15-18 Prozent). Die Hauptfunktionen der Seltenen Erden sind die Stabilisierung der Zeolithstruktur zur Erhöhung ihrer Lebensdauer und die Verbesserung der Selektivität und Wirksamkeit des FCC-Katalysators.

Eine der ältesten Anwendungen von Seltenerd-Oxiden aus dem Jahr 1912 ist die Färbung von Glas: Neodymoxid (Nd₂O₃) für Farben von einer zarten Rosafärbung in niedrigen Konzentrationen bis hin zu einem Blauviolett in hohen Konzentrationen, Samariumoxid (Sm₂O₃) für Gelb und Erbiumoxid (Er₂O₃) für Hellrosa. Didym-Oxid, Di₂O₃ (Di ist eine Mischung aus etwa 25 Prozent Praseodym und 75 Prozent Neodym), wird in Glasbläser- und Schweißerbrillen verwendet, da es das intensive gelbe Licht, das bei Glasbearbeitung und beim Schweissen erzeugt wird, sehr effektiv absorbiert. (Die Verwendung von CeO₂-Ce₂O₃ beim Entfärben von Glas wird im nächsten Abschnitt diskutiert.)

Infolge der Tendenz zu vollständig leeren oder halb gefüllten 4f-Spiegeln (siehe oben Elektronische Strukturen und Ionenradius) neigen Cer, Praseodym und Terbium dazu, vierwertige oder teilweise vierwertige Verbindungen zu bilden – nämlich CeO₂, Pr₆O₁₁ und Tb₄O₇. Die freien Bildungsenergien des R₂O₃ von Cer, Praseodym und Terbium liegen jedoch nahe bei denen der jeweils höheren Oxide, und eine ganze Reihe von Oxidzwischenphasen, RO_x (wobei 1,5 < x < 2), wurden beobachtet, abhängig von der Temperatur, dem Sauerstoffdruck und der thermischen Geschichte der Probe. Im CeO_x-System existieren mindestens fünf Zwischenphasen. Die CeO_x-Verbindungen wurden als tragbare Sauerstoffquelle eingesetzt. Der mit Abstand wichtigste Einsatz der CeO_x-Verbindungen erfolgt jedoch in Fahrzeugkatalysatoren, die die umweltschädlichen Abgase Kohlenmonoxid und Stickoxide aus benzinbetriebenen Fahrzeugen weitgehend eliminieren.

Eine weitere wichtige Anwendung von CeO₂ ist als Poliermittel für Glaslinsen, Frontplatten von Monitoren, Halbleitern, Spiegeln, Edelsteinen und Windschutzscheiben im Automobilbereich. CeO₂ ist viel effektiver als andere Poliermittel (z.B. Eisenoxid[Fe₂O₃], Zirkondioxid [ZrO₂] und Siliziumdioxid[SiO₂]), weil es drei- bis achtmal schneller ist, während die Qualität des Endresultats gleich oder besser ist als das der anderen Oxidpolituren. Der genaue Mechanismus des Poliervorgangs ist nicht bekannt, aber es wird angenommen, dass es sich um eine Kombination aus mechanischem Abrieb und chemischer Reaktion zwischen CeO_x und dem SiO₂-Glas handelt, wobei Wasser eine aktive Rolle spielt.

CeO₂ ist ein wichtiger Glaszusatzstoff, der für verschiedene Anwendungen geeignet ist. Er wird zum Entfärben von Glas verwendet. Er verhindert die Bräunung von Glas bei Röntgen-, Gamma- und Kathodenstrahlen und absorbiert ultraviolette Strahlung. Diese Anwendungen nutzen das Oxidations-Reduktionsverhalten von CeO₂-Ce₂O₃. Da Eisenoxid immer im Glas vorhanden ist, besteht die Rolle von CeO₂ darin, das Fe²⁺, das dem Glas einen bläulichen Farbton verleiht, zu Fe³⁺ zu oxidieren, das eine schwach gelbe Farbe hat. Selen wird dem Glas als Komplementärfarbstoff zugesetzt, um diese Fe³⁺-Farbe zu „neutralisieren“. Glas bräunt sich leicht durch die Bildung von Farbzentren, wenn es verschiedenen Strahlungen ausgesetzt ist. Die Ce⁴⁺-Ionen wirken wie Elektronenfallen im Glas und absorbieren die durch die energiereiche Strahlung freigesetzten Elektronen. Cer befindet sich in den nicht bräunenden Gläsern von Fernsehern und anderen Kathodenstrahlbildschirmen sowie in strahlungsabweisenden Fenstern in der Atomkraftindustrie. CeO₂ wird den Glasbehältern zugesetzt, um sie vor Alterung durch Langzeiteinwirkung von ultravioletter Strahlung im Sonnenlicht zu schützen, wiederum unter Verwendung des Oxidations-Reduktionspaares Ce⁴⁺-Ce³⁺.

In den Systemen PrO_x und TbO_x wurden sieben bzw. vier Zwischenphasen zwischen 1,5 < x < 2,0 gefunden. Einige der Zusammensetzungen und Kristallstrukturen sind die gleichen wie im CeO_x-System. Da der Anteil an Praseodym und insbesondere an Terbium in den gängigen Erzquellen jedoch viel geringer ist als der von Cer, wurden mit den Systemen PrO_x und TbO_x wenig oder keine kommerziellen Anwendungen entwickelt.

Eine NaCl-ähnliche RO-Phase wurde für praktisch alle Seltenerdelemente berichtet, aber es hat sich gezeigt, dass es sich hierbei um ternäre Phasen handelt, die durch Stickstoff, Kohlenstoff oder beides stabilisiert sind. Als einzig echte binäre RO-Verbindung hat sich Europiumoxid (EuO) erwiesen, welches unterhalb der Curie-Temperatur Tc = 77 K (-196 °C bzw. -321 °F) ein ferromagnetischer Halbleiter ist. Diese Entdeckung hatte einen prägenden Einfluss auf die Theorie des Magnetismus von Festkörpern, da es keine überlagernden Leitungselektronen gibt, die zuvor für das Auftreten von Ferromagnetismus als notwendig erachtet wurden. Es wird angenommen, dass der Ferromagnetismus in EuO auf den durch Sauerstoff vermittelten Kationen-Kationen-(Eu²⁺-Eu²⁺-)Superaustausch zurückzuführen ist. Anschließend wurde Ferromagnetismus auch in EuS und EuSe sowie Antiferromagnetismus in EuTe gefunden.

Europium bildet auch ein weiteres Suboxid, Eu₃O₄, das als Mischwert-Material betrachtet werden kann, welches Eu³⁺- und Eu²⁺-Ionen enthält - d.h. Eu₂O₃-EuO.

Die Seltenerd-Oxide bilden mit anderen Oxiden Zehntausende von ternären und höherwertigen Verbindungen, wie Aluminiumsesquioxid (Al₂O₃), Eisenoxid (Fe₂O₃), Kobaltsesquioxid (Co₂O₃), Chromsesquioxid (Cr₂O₃), Galliumsesquioxid (Ga₂O₃) und Mangansesquioxid (Mn₂O₃). Die beiden häufigsten Strukturen, die durch die ternären Oxide der Seltenen Erden gebildet werden, sind der Perowskit, RMO₃, und der Granat, R₃M₅O₁₂, wobei M ein Metallatom repräsentiert.

Die Perowskitstruktur ist ein geschlossenes Gitter, wobei sich das R an den acht Ecken der Einheitszelle befindet. Die M-Atome, die kleiner als die R-Atome und im Allgemeinen dreiwertig sind, befinden sich im Zentrum der Einheitszelle, und Sauerstoffatome belegen die Zentren der sechs Flächen. Die Grundstruktur ist ein primitiver Würfel, aber es gibt tetragonale, rhomboedrische, orthorhombische, monokline und trikline Verzerrungen. Andere Elemente können ganz oder teilweise ersetzt werden und ergeben mit M und R eine große Variation an Eigenschaften: Leiter, Halbleiter, Isolatoren, Dielektrika, Ferroelektrika, Ferromagnete, Antiferromagnete und Katalysatoren. Einige der interessanteren Anwendungen sind epitaktische Schichten von LaGaO₃, LaAlO₃ oder YAlO₃ für Hochtemperatur-Oxidsupraleiter, magnetoresistive Schichten und GaN-Schichten; Kathode und Verbindungen von (La,M)MnO₃ und (La,M)CrO₃ für Festoxid-Brennstoffzellen; lanthanmodifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat (allgemein bekannt als PLZT) als transparente ferroelektrische Keramik für Wärme- und Blitzschutzvorrichtungen, Datenrekorder und Schutzbrillen; und (Pr,Ca)MnO₃, das einen kolossalen Magnetwiderstand aufweist und in Schaltern verwendet wird.

Granate haben eine viel komplexere Kristallstruktur als die Perowskite: 96 Sauerstoffstellen, während die Metallatome 24 tetraedrische, 16 oktaedrische und 24 dodekaedrische Stellen (64 insgesamt) belegen. Die allgemeine Formel ist R₃M₅O₁₂, wobei R die tetraedrischen Stellen und M-Atome die beiden anderen Stellen einnehmen. M ist im Allgemeinen ein dreiwertiges Ion aus Aluminium, Gallium oder Eisen. Einer der wichtigsten Seltenerdgranate ist Yttrium-Eisen-Granat (YIG, von engl. Yttrium Iron Garnet), der in einer Vielzahl von Mikrowellengeräten wie Radaren, Dämpfern, Filtern, Zirkulatoren, Isolatoren, Phasenschiebern, Leistungsbegrenzern und Schaltern verwendet wird. YIG wird auch in integrierten Mikrowellenschaltungen eingesetzt, bei denen dünne Schichten auf Granatsubstraten aufgebracht werden. Die Eigenschaften dieser Materialien können durch den Ersatz von Gadolinium durch Yttrium und Aluminium oder Gallium durch Eisen verändert werden.

Das quaternäre Oxid YBa₂Cu₃O₇ ist das bekannteste der höherwertigen Oxide und weist eine geschichtete perovskitartige Struktur auf. Es wurde festgestellt, dass dieses Material 1987 bei 77 K (-196 °C oder -321 °F) Supraleitung zeigte (d.h. es hat keinen elektrischen Widerstand). Diese Entdeckung löste eine Revolution aus, denn die T_c von 77 K ermöglichte die Kühlung mit preiswertem Flüssigstickstoff (vor 1986 betrug die höchste bekannte supraleitende Übergangstemperatur 23 K [-250 °C]). YBa₂Cu₃O₇ (YBCO, auch bekannt als Y-123) brach einen Temperaturrekord, und dass es sich um ein Oxid handelte, war zudem wahrscheinlich eher eine Überraschung, da alle bisherigen guten Supraleiter metallische Materialien waren. Dieses Material wurde schnell kommerzialisiert und wird heute zur Erzeugung hoher Magnetfelder in Forschungsgeräten, Magnetresonanztomographen (MRT) und elektrischen Stromübertragungsleitungen eingesetzt.

Die Seltenerdmetalle reagieren leicht mit Wasserstoff zu RH₂, und durch Erhöhung des Wasserstoffdrucks bilden die dreiwertigen R-Metalle (außer Scandium) auch die RH₃-Phase. Sowohl die RH₂- als auch die RH₃-Phasen sind nicht-stöchiometrisch (d.h. die Anzahl der Atome der vorhandenen Elemente kann nicht als Verhältnis von kleinen Ganzzahlen ausgedrückt werden). Die RH₂-Phase hat die CaF₂-Fluoridstruktur für dreiwertiges R, und für zweiwertiges Europium und Ytterbium kristallisiert das Dihydrid in einer orthorhombischen Struktur, die die gleiche Struktur wie die Erdalkalidihydride aufweist. Die RH₃-Phasen weisen zwei verschiedene Kristallstrukturen auf. Für die leichten Lanthanide (Lanthan durch Neodym) hat der RH₃ die fluoridartige Struktur und bildet mit RH₂ eine kontinuierliche feste Lösung. Für die schweren Lanthanide (Samarium durch Lutetium) und Yttrium kristallisiert RH₃ mit einer hexagonalen Struktur. Die Seltenerd-Hydride sind luftsensitiv und müssen in Handschuhboxen behandelt werden.

Der elektrische Widerstand von RH₂ ist um etwa 75 Prozent geringer als bei reinen Metallen. Er nimmt jedoch zu, wenn mehr Wasserstoff über RH₂ hinaus zugegeben wird und nähert sich dem eines Halbleiters bei RH₃. Die Verbindungen mit Lanthanhydrid (LaH₃) sind diamagnetisch und zusätzlich Halbleiter. Die meisten RH₂-Verbindungen, bei denen R eine dreiwertige seltene Erde ist, sind entweder antiferromagnetisch oder ferromagnetisch. Das zweiwertige Europiumdihydrid EuH₂ ist jedoch bei 25 K (-248 °C oder -415 °F) ferromagnetisch.

Im Jahr 2001 wurde ein als umschaltbarer Spiegel (Switchable Mirror) bezeichnetes Phänomen beschrieben mit YH_x oder LaH_x, sobald x sich 3 annäherte:
Wenn ein dünner Film aus YH_x oder LaH_x, durch einen dünnen Film aus Palladiummetall geschützt, hydriert wurde, blieb die Metallphase mit x < 2,9 Licht-reflektierend, wurde aber transparent, sobald x sich 3,0 näherte. Durch die Reduzierung des Wasserstoffgehalts wurde die transparente YH_x (LaH_x)-Folie wieder zum Spiegel. Seitdem wurden eine Reihe weiterer wasserstoffhaltiger, schaltbarer Spiegelmaterialien entwickelt – alle dreiwertigen Seltenerdelemente und die R-Magnesium-Legierungen sowie die Magnesiumlegierungen mit Vanadium-, Mangan-, Eisen-, Kobalt- und Nickelzusätzen.

Die drei wichtigsten Stöchiometrien in den Halogenidsystemen (X = Fluor, Chlor, Brom und Jod) sind Trihalogenide (RX₃), Tetrahalogenide (RX₄) und reduzierte Halogenide (RX_y mit y < 3). Die Trihalogenide sind für alle seltenen Erden außer Europium bekannt. Die einzigen bekannten Tetrahalogenide sind die RF₄-Phasen, wobei R = Cer, Praseodym und Terbium ist. Die Dihalide RX₂, wobei R = Samarium, Europium und Ytterbium ist, sind seit langem bekannt; sie sind stabile Verbindungen und lassen sich leicht herstellen. Eine Reihe von vermeintlichen RX₂-Verbindungen wurden in der Literatur für die meisten Lanthanide berichtet, aber nachfolgende Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Phasen tatsächlich ternäre Verbindungen waren, die durch interstitielle Verunreinigungen wie Wasserstoff und Kohlenstoff stabilisiert wurden. Dies gilt auch für andere reduzierte Halogenide (2 < x < 3) - z.B. Gd₂Cl₃.

Die RF₃-Verbindungen verhalten sich ganz anders als RCl₃, RBr₃ und RI₃. Die Fluoride sind luftstabil, nicht hygroskopisch (d.h. sie absorbieren nicht leicht Wasser), unlöslich in Wasser und milden Säuren. Die Fluoride werden durch Umwandlung des Oxids in RF₃ durch Reaktion mit Ammoniumbifluorid (NH₄HF₂) hergestellt. Die RF₃-Phasen kristallisieren in zwei Modifikationen – der trigonalen LaF₃-Struktur (Lanthan bis Promethium) und der orthorhombischen YF₃-Struktur (Samarium bis Lutetium und Yttrium). Die RF₃-Verbindungen werden mit anderen erdfreien Fluoriden – nämlich ZrF₄ und ZrF₄-BaF₂ – legiert, die als Schwermetallfluoridgläser (HMFG) eingestuft werden. Viele HMFGs sind vom ultravioletten bis zum mittleren Infrarotbereich transparent und werden als faseroptische Materialien für Sensoren, Kommunikation, Fenster, Lichtleiter und Prismen verwendet. Diese Materialien zeichnen sich durch gute glasbildende Eigenschaften, chemische Beständigkeit und Temperaturbeständigkeit aus. Eine der wichtigsten Zusammensetzungen ist 57 Prozent ZrF₄, 18 Prozent BaF₂, 3 Prozent LaF₃, 4 Prozent AlF₃ und 17 Prozent NaF (mit einigen leichten Abweichungen von diesen Prozentsätzen) und ist bekannt als ZBLAN.

Die Verbindungen RCl₃, RBr₃ und RI₃ verhalten sich ganz anders als die Verbindungen RF₃, da sie hygroskopisch sind und in der Luft schnell hydrolysieren. Wie zu erwarten ist, sind die RX₃ (X = Chlor, Brom und Jod) gut in Wasser löslich. Die Trihalogenide werden im Allgemeinen aus dem jeweiligen Oxid hergestellt, indem R₂O₃ in einer HX-Lösung gelöst und die RX₃-Verbindung aus der Lösung durch Dehydrierung kristallisiert wird. Der Entwässerungsprozess muss sorgfältig durchgeführt werden, da die RX₃-Phase sonst etwas Sauerstoff enthält. Der Entwässerungsprozess wird mit zunehmender Ordnungszahl des Lanthanids und auch von X schwieriger. Die RCl₃- und RBr₃-Verbindungen weisen drei verschiedene Kristallstrukturen von den leichten bis zu den mittleren und schweren Lanthaniden (zu denen auch YX₃ gehört) auf, während die RI₃-Verbindungen nur zwei verschiedene Kristallstrukturen entlang der Serie aufweisen.

Unter den vielen intermetallischen Verbindungen der Seltenen Erden, die sich bilden, zeichnen sich einige durch ungewöhnliche Anwendungsmöglichkeiten oder interessante wissenschaftliche Fakten aus. Sechs dieser Anwendungen werden im Folgenden erläutert.

Die bekannteste intermetallische Verbindung der Seltenen Erden ist Nd₂Fe₁₄B, das ferromagnetisch ist und bei entsprechender Wärmebehandlung zum härtesten bekannten magnetischen Material wird. Daher wird diese intermetallische Verbindung als Permanentmagnet in vielen Anwendungen eingesetzt. Hauptanwendungsgebiete sind Elektromotoren (z.B. das moderne Automobil enthält bis zu 35 Elektromotoren), Spindeln für Computer-Festplattenlaufwerke, Lautsprecher für Mobiltelefone und tragbare Mediaplayer, direkt angetriebene Windturbinen (zur Vermeidung von Getrieben), Aktoren und MRT-Geräte. SmCo₅ und Sm₂Co₁₇ sind ebenfalls Permanentmagnete. Beide haben höhere Curie-Temperaturen (magnetische Ordnung) als Nd₂Fe₁₄B, sind aber nicht ganz so stark magnetisch.

Eine weitere wichtige Verbindung, nämlich ein Wasserstoffabsorber für grüne Energie, ist LaNi₅. Es ist eine Hauptkomponente in Nickel-Metallhydrid-Akkus, die in Hybrid- und vollelektrischen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. LaNi₅ absorbiert und löst Wasserstoff ziemlich leicht in der Nähe der Raumtemperatur und absorbiert sechs Wasserstoffatome pro LaNi₅-Molekül bei geringem Wasserstoffdruck. Dies ist einer der wichtigsten Märkte für Seltene Erden.

Die nächste Verbindung, Lanthanhexaborid (LaB₆), hat nur einen kleinen Markt, ist aber für die Elektronenmikroskopie von entscheidender Bedeutung. Es hat einen extrem hohen Schmelzpunkt (>2500 °C bzw. >4532 °F), einen niedrigen Dampfdruck und ausgezeichnete thermische Emissionseigenschaften und ist damit das Material der Wahl für die Elektronenkanonen in Elektronenmikroskopen.

Für die metallische Verbindung PrNi₅ existiert ebenfalls nur ein kleiner Markt, aber sie hat für einen Weltrekord gesorgt. Es hat die gleiche Kristallstruktur wie LaNi₅, ordnet sich nicht magnetisch sogar bis in den Mikrokelvinbereich (0,000001 K, das entspricht -273,14999999 °C bzw. -459,669998 °F) und ist daher ein ausgezeichneter Kandidat für die Kühlung durch nukleare adiabatische Entmagnetisierung. PrNi₅ wurde verwendet als erste Stufe, zusammen mit Kupfer als zweite Stufe, um eine Betriebstemperatur von 0,000027 K (-273,149973 °C oder -459,669951 °F) zu erreichen. Bei dieser Temperatur konnten erstmals experimentelle Messungen an anderen Materialien als dem magnetischen Kältemittel selbst durchgeführt werden.
PrNi₅ wird deshalb in vielen Niedertemperaturlaboren auf der ganzen Welt als Kältemittel verwendet.

Alle magnetisch geordneten Materialien, die einem angelegten Magnetfeld ausgesetzt sind, dehnen sich je nach Ausrichtung der Probe in Bezug auf die Magnetfeldrichtung aus oder ziehen sich zusammen. Dieses Phänomen wird als Magnetostriktion bezeichnet. Für die meisten Materialien ist der Effekt ziemlich klein, aber 1971 wurde festgestellt, dass TbFe₂ eine sehr große Magnetostriktion aufweist, etwa 1.000 mal größer als normale magnetische Substanzen. Heute ist eines der besten kommerziellen magnetostriktiven Materialien Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.9, genannt Terfenol D, das in Geräten wie Sonarsystemen, Mikropositionierern und Flüssigkeitssteuerungsventilen verwendet wird.
Magnetostriktion kann sich auch in hörbaren Brumm- oder Klickgeräuschen äussern.

Magnetische Materialien, die einen magnetischen Übergang durchlaufen, erwärmen sich in der Regel, wenn sie einem zunehmenden Magnetfeld ausgesetzt sind (obwohl sich einige wenige Substanzen auch abkühlen können). Wenn das Feld entfernt wird, geschieht das Gegenteil. Dieses Phänomen wird als magnetokalorischer Effekt (MCE) bezeichnet. 1997 wurde Gd₅(Si₂Ge₂) von den amerikanischen Materialwissenschaftlern Vitalij K. Pecharsky und Karl A. Gschneidner Jr. gefunden, um einen außergewöhnlich großen MCE zu zeigen, der als riesiger magnetokalorischer Effekt (GMCE, giant magnetocaloric effect) bezeichnet wurde. Der GMCE ist auf eine gleichzeitige kristallographische und magnetische Transition zurückzuführen, wenn sich Gd₅(Si₂Ge₂) magnetisch ordnet, was durch Variation des Magnetfeldes gesteuert werden kann. Diese Entdeckung gab einen großen Impuls für die Möglichkeit, GMCE zur magnetischen Kühlung einzusetzen. Seitdem wurden etwa sechs weitere GMCE-Materialien entdeckt, und eines der Vielversprechendsten ist eine weitere Lanthanidverbindung, La(Fe_xSi_x)₁₃.

Die magnetische Kühlung ist noch nicht kommerzialisiert, aber viele Testgeräte und Prototyp-Kühlmaschinen wurden gebaut. Sollte die magnetische Kühlung dereinst rentabel werden, kann sie den Energieverbrauch und die Kosten der Kühlung um etwa 20 Prozent senken. Diese Technologie ist auch deshalb umweltfreundlicher, weil sie umweltschädliche, ozonabbauende (Treibhaus-) Gase eliminiert, welche in der heutigen Gaskompressionskältetechnik noch immer verwendet werden.

Die Seltenerdelemente reagieren mit vielen organischen Molekülen und bilden Komplexe. Viele von ihnen wurden in den 1950er und 1960er Jahren als Hilfsmittel verwendet, um bei der Trennung der Seltenerdelemente durch Ionenaustausch- oder Lösungsmittel­extraktions­prozesse zu helfen. Seither wurden sie vermehrt als eigenständige Materialien und für andere Anwendungen wie Leuchtmittel, Laser und Kernspinresonanz untersucht. Die Magnetresonanz­tomographie (MRT, engl. MRI) ist eine wichtige medizinische Technologie zur Untersuchung von Patienten. Die wichtigsten Materialien zur Verbesserung des MRT-Bildes sind gadoliniumbasierte Komplexe, wie z.B. Gd(dtpa)^-1, wobei dtpa die Kurzschreibweise für Diethylentriamin-N,N,N′,N′,N′,N″-Pentaacetat ist. Millionen von Dosen werden als Kontrastmittel jährlich auf der ganzen Welt verabreicht. Jedes Fläschchen enthält 1,57 Gramm (0,06 Unze) Gadolinium.

Als Gruppe von Elementen besitzen die Seltenen Erden eine grosse Anzahl von Isotopen, von Scandium z.B. existieren deren 27 (davon 1 stabil), von Cer 42 (4 stabil), im Durchschnitt sind es etwa 35 pro Seltenerdelement, ohne Zählung der Kernisomere. Die Elemente mit ungeraden Ordnungszahlen haben nur ein oder höchstens zwei stabile (oder sehr langlebige) Isotope, aber diejenigen mit geraden Ordnungszahlen haben vier bis sieben stabile Isotope. Promethium hat gar keine stabilen Isotope; Promethium-145 hat die längste Halbwertszeit von 17,7 Jahren. Einige der instabilen Isotope sind schwach radioaktiv und haben eine extrem lange Halbwertszeit. Die instabilen radioaktiven Isotope werden auf vielfältige Weise erzeugt – z.B. durch Spaltung, Neutronenbeschuss, radioaktiven Zerfall benachbarter Elemente und Beschuss benachbarter Elemente mit geladenen Teilchen. Die Lanthanidisotope sind für Nuklearwissenschaftler von besonderem Interesse, da sie ein reiches Feld für die Untersuchung von Theorien über den Kern bieten, insbesondere weil viele dieser Kerne nicht-sphärisch sind, eine Eigenschaft, die einen entscheidenden Einfluss auf die nukleare Stabilität hat. Wenn entweder die Protonen oder die Neutronen eine Kernhülle vervollständigen (d.h. bestimmten festen Wert erreichen), ist der Kern außergewöhnlich stabil. Die Anzahl der Protonen oder Neutronen, die zur Vervollständigung einer Hülle benötigt werden, wird als Magische Zahl bezeichnet. Deren Wert ist einer von 2, 8, 20, 28, 50, 82, und 126. Die Magische Zahl in der Lanthanidreihe ist 82 für Neutronen.

Einige der Lanthanidelemente haben große Erfassungsquerschnitte für thermische Neutronen, d.h. sie absorbieren eine große Anzahl von Neutronen pro Flächeneinheit. Die Querschnittswerte für natürlich vorkommendes Samarium, Europium, Gadolinium und Dysprosium betragen 5.600b, 4.300b, 49.000b und 1.100b (barn, Masseinheit aus der Nukleartechnik: 1b = 10⁻²⁴cm² = 10⁻²⁸m²). Einige dieser Elemente sind daher in Steuerstäbe eingebaut, die den Betrieb von Kernreaktoren (Europium und Dysprosium) regeln oder abschalten, wenn sie außer Kontrolle geraten (Gadolinium). Natürlich vorkommendes Europium absorbiert 4,0 Neutronen pro Atom, Dysprosium 2,4, Samarium 0,4 und Gadolinium 0,3, bevor sie als Neutronenabsorber wertlos werden. Deshalb werden Europium und Dysprosium in Kontrollstäben verwendet und nicht Samarium oder Gadolinium. Darüber hinaus können die Lanthanide als brennbare Neutronenabsorber eingesetzt werden, um die Reaktivität des Reaktors nahezu konstant zu halten. Wenn Uran einer Spaltung unterzogen wird, produziert es einige Spaltprodukte, die Neutronen absorbieren und dazu neigen, die Kernreaktion zu verlangsamen. Wenn die richtigen Mengen an Lanthaniden vorhanden sind, verbrennen sie etwa so schnell wie die anderen Absorber. Die meisten anderen seltenen Erden sind ziemlich transparent für thermische Neutronen mit Querschnitten von 0,7b für Cer bis 170b für Erbium.

Einige der wichtigsten Radionuklide sind Yttrium-90 (Krebstherapie), Cer-144 und Promethium-147 (industrielle Messgeräte und Stromquellen), Gadolinium-153 (industrielle Röntgenfluoreszenz) und Ytterbium-169 (tragbare Röntgenquelle).

Die Seltenen Erden haben geringe Toxizitäten und können bei normaler Sorgfalt sicher behandelt werden. Lösungen, die in das Bauchfell bzw. dessen Organe (Peritoneum) injiziert werden, verursachen Hyperglykämie (ein Überschuss an Zucker im Blut), einen Abfall des Blutdrucks, Milzdegeneration und Fettleber. Werden Lösungen in den Muskel injiziert, bleiben etwa 75 Prozent der Seltenen Erden an der Stelle, während der Rest an Leber und Skelett geht. Bei oraler Einnahme wird nur ein kleiner Prozentsatz eines Seltenerdelements in den Körper aufgenommen. Organisch komplexierte Ionen sind etwas giftiger als Feststoffe oder anorganische Lösungen. Wie bei den meisten Chemikalien sollten Staub und Dämpfe nicht eingeatmet oder aufgenommen werden, Lösungs-Spritzer in den Augen sollten ausgewaschen und Metallsplitter entfernt werden.