KONCEPT

v dolní části periodické tabulky prvků, oddělené od hlavní části grafu, jsou dva řádky, z nichž první představuje lanthanoidy. Skládá se z lanthanu a 14 prvků lanthanide série, lanthanoidy byly kdysi tzv. „vzácných zemin“ kovů. Ve skutečnosti nejsou nijak zvlášť vzácné: mnoho z nich se objevuje v tolik hojnosti jako známější prvky, jako je rtuť., Jsou však obtížně extrahovatelné, což je charakteristika, která je definuje stejně jako jejich stříbřitá barva; někdy vysoká úroveň reaktivity; a citlivost na kontaminaci. I když některé lanthanoidy mají omezené použití, členové této skupiny se nacházejí v vše od zapalovače na TELEVIZNÍCH obrazovkách, a z barevného skla, aby kontrolní tyče v jaderných reaktorech.

JAK TO FUNGUJE

Definování Lanthanoidy

lanthanide série se skládá z 14 prvků s atomovými čísly 58 až 71, které následují lanthanu na periodické tabulky prvků., Tyto 14, spolu s aktinidy-atomová čísla 90 až 103 – jsou vyčleněny z periodické tabulky kvůli podobnostem ve vlastnostech, které definují každou skupinu.

konkrétně jsou lanthanidy a aktinidy jedinými prvky, které vyplňují F-orbitaly. Lanthanidy a aktinidy jsou ve skutečnosti „větve“ větší rodiny známé jako přechodné kovy. Ty se objevují ve skupinách 3 až 12 ve verzi periodické tabulky IUPAC, ačkoli nejsou očíslovány v severoamerické verzi.,

lanthanide série je obvykle v kombinaci s lanthanu, který má atomové číslo 57, pod obecný pojem lanthanoidy. Jak naznačuje jejich název, členové řady lanthanidů sdílejí určité vlastnosti s lanthanem; odtud kolektivní termín “ lanthanidy.“Těchto 15 prvků spolu s jejich chemickými symboly je:

většina z nich je v této eseji diskutována individuálně.

vlastnosti lanthanidů.

světlý a stříbřitý vzhled, mnoho lanthanidů—i když jsou to kovy—je tak měkké, že je lze řezat nožem., Lanthan, CER, praseodym, Neodym a europium jsou vysoce reaktivní. Při vystavení kyslíku tvoří oxidový povlak. (Oxid je sloučenina tvořená kovem s kyslíkem.) Aby se zabránilo tomuto výsledku, který je poškozujekov, těchto pět lanthanidů se uchovává v minerálním oleji.

reaktivní tendence ostatní lanthanoidy se liší: například, gadolinium a lutecium ne oxidovat, dokud byly vystaveny vzduchu po velmi dlouhou dobu. Nicméně, lanthanidy bývají spíše“ Temperamentní “ jako třída., Pokud jsou kontaminovány jinými kovy, jako je vápník, snadno korodují a pokud jsou kontaminovány nekovymi, jako je dusík nebo kyslík, stávají se křehkými. Kontaminace se také mění jejich body varu, které se pohybují od 1,506.2°F (819°C) pro ytterbium, aby 3,025.4°F (1,663°C) pro lutecium.

lanthanidy rychle reagují horkou vodou nebo pomaleji studenou vodou za vzniku vodíkového plynu. Jak již bylo uvedeno výše, jsou také docela reaktivní s kyslíkem a zažívají spalování snadno ve vzduchu., Když lanthanid reaguje s jiným prvkem za vzniku sloučeniny, obvykle ztrácí tři své vnější elektrony za vzniku tzv. tripositivních iontů nebo atomů s elektrickým nábojem +3. Jedná se o nejstabilnější iont pro lanthanidy, které někdy vyvíjejí méně stabilní +2 nebo +4 ionty. Lanthanoidy mají tendenci tvořit iontové sloučeniny nebo sloučeniny obsahující buď pozitivní, nebo negativní ionty, s jinými látkami, zejména fluoru.

jsou opravdu „vzácné“?,

Když byly kdysi známé jako kovy vzácných zemin, lanthanoidy byly tak nazvat, protože, jak uvidíme, jsou obtížné extrakt ze sloučenin, které obsahují další látky—včetně ostatními lanthanoidy. Jako rarita, nejvzácnějšího z lanthanoidy, thulium, je hojnější než arsen nebo rtuť, a jistě nikdo si myslí, že ty jako vzácné látky. Pokud jde o části na milion (ppm), thulium má přítomnost v zemské kůře ekvivalentní 0,2 ppm. Největší množství lanthanidů, ceru, má hojnost 46 ppm, větší než množství cínu.,

Pokud se, na druhou stranu, raritou je zřejmé, ne ve smyslu nedostatku, ale s ohledem na obtížnost při získávání prvek v jeho čisté formě, pak skutečně lanthanoidy jsou vzácné. Protože jejich vlastnosti jsou tak podobné, a proto mají tendenci shromažďovat se ve stejných látek, původní izolace a identifikace lanthanoidy byl náročný úkol, který trval přes sto let. Pokrok následoval společný vzor.,

za Prvé, chemik identifikovali nový lanthanide, pak o několik let později, jiný vědec přišel a další získané z lanthanide vzorek, že první chemik věřil být jeden prvek. Tímto způsobem se lanthanidy objevily v průběhu času, z nichž každá byla před ním, spíše jako ruská matryoshka nebo „hnízdící“ panenky.

extrakce lanthanidů.

ačkoli většina lanthanidů byla poprvé izolována ve Skandinávii, dnes se nacházejí ve výrazně teplejších zeměpisných šířkách: Brazílie, Indie, Austrálie, Jižní Afrika a Spojené státy., Hlavním zdrojem lanthanidů je monazit, těžký, tmavý písek, ze kterého bylo extrahováno asi 50% lanthanidové hmoty dostupné vědě a průmyslu.

aby se lanthanidy oddělily od jiných prvků, jsou ve skutečnosti kombinovány s jinými látkami—látkami s nízkou rozpustností nebo tendencí k rozpouštění. Oxaláty a fluoridy jsou látky s nízkou rozpustností, které jsou pro tento účel upřednostňovány. Jakmile jsou odděleny od non-lanthanidových prvků, iontová výměna se používá k oddělení jednoho lanthanidového prvku od druhého.,

při nárůstu atomového čísla dochází k výraznému poklesu poloměrů atomů lanthanidu: jinými slovy, čím vyšší je atomové číslo, tím menší je poloměr. Tento pokles, známý jako kontrakce lanthanidu, pomáhá v procesu separace iontovou výměnou. Lanthanidy jsou smíchány v iontovém roztoku a poté předány dlouhým sloupcem obsahujícím pryskyřici. Různé lanthanidové ionty se více či méně pevně spojují v závislosti na jejich relativní velikosti s pryskyřicí.

po tomto kroku se lanthanidy vymyjí ze sloupce iontové výměny a do různých roztoků., Jeden po druhém se zcela oddělí a pak se smíchají s kyselinou a zahřívají se za vzniku oxidu. Oxid se pak převede na fluorid nebo chlorid, který pak může být pomocí vápníku redukován na kovovou formu.

REAL-ŽIVOT APLIKACE

Historický Přístup

Při studiu lanthanoidy, jeden může jednoduše pohybovat po periodické soustavy prvků, od lanthanu celou cestu do lutecium., Nicméně, s ohledem na obtíže spojené s extrakcí lanthanidů, jeden od druhého, přístup podél historických linií pomáhá pochopit jedinečné místo, které každý lanthanid zaujímá v celkové rodině.

termíny „lanthanide série“, nebo dokonce „lanthanoidy“ nevznikl nějaký čas—jinými slovy, vědci však okamžitě vědět, že jsou co do činění s celou skupinou kovy. Jak je tomu často u vědeckého objevu, izolace lanthanidů následovala nepravidelný vzorec a nevyskytly se v pořadí atomového čísla.,

Cer byl ve skutečnosti objeven dlouho před samotným lanthanem, v druhé polovině osmnáctého století. O několik desetiletí později následoval objev minerálu zvaného ytterit, pojmenovaného po městě Ytterby ve Švédsku, poblíž kterého byl nalezen v roce 1787. Během příštího století, většina ze zbývajících lanthanoidy byly získány z ytterite, a muž nejvíce zodpovědný za to byl švédský chemik Carl Gustav Mosander (1797-1858).,

Protože Mosander měl více co do činění s identifikací lanthanoidy než jakýkoli jednotlivec, střední část tohoto historického přehledu je věnována jeho zjištění. Uznání a izolace lanthanoidy nezastavil s Mosander, nicméně; proto anothergroup z minerálních látek je diskutována v kontextu uvedeného období z lanthanide objev.

časné lanthanidy

CER.

V roce 1751, švédský chemik Axel Crönstedt (1722-1765) popsal, co si myslel, že je to nová forma wolframu, který byl nalezen na Bastnäs Důl u Riddarhyttan, Švédsko., Později, německý chemik Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) a švédský chemik Wilhelm Hisinger (1766-1852) nezávisle analyzoval materiál Crönstedt objevil, a jak dospěl k závěru, že to musí být nový prvek. To bylo jmenováno CER na počest Ceres, asteroid mezi Marsem a Jupiterem objevený v roce 1801. Až v roce 1875 bylo cerium skutečně extrahováno z rudy.

Mezi aplikacemi pro ceru je slitina názvem misch kovu, připravené fixační chloridy ceru, lanthanu, neodym a praseodym., Výsledná slitina se zapálí při pokojové teplotě nebo pod ní a často se používá jako „pazourek“ v zapalovači cigaret, protože jiskří při tření z kovového kola.

Ceru je také použit v části proudového motoru, jako katalyzátor na výrobu čpavku, a jako antidetonační činidlo do benzínu—to je chemická látka, která snižuje „klepání“ zní někdy vyrábí v motoru, tím nižší třídy paliva. V oxidu ceru (IV) nebo CeO2 se používá k extrakci barvy z dříve barevného skla a používá se také v smaltovaných a keramických nátěrech.

GADOLINIUM.,

V roce 1794, sedm let po objevu ytterite, finský chemik Johan Gadolina (1760-1852) dospěl k závěru, že ytterite obsahoval nový prvek, který byl později pojmenován gadolinite na jeho počest. Velmi podobné jméno by být aplikován na element, extrahované z ytterite, a let mezi Gadolina objev a identifikace tohoto prvku překlenul období nejplodnější činnost v lanthanide identifikace.,

v Průběhu příštího století, všechny ostatní lanthanoidy byly objeveny ve složení gadolinite, a pak, v roce 1880, Švýcarský chemik Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894) našel ještě další prvek, skrývá se v ní. Francouzský chemik Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) znovu objevil stejný prvek o šest let později a navrhl, aby se nazýval gadolinium.

stříbřité barvy, ale s někdy nažloutlým odlitkem má gadolinium vysokou tendenci oxidovat na suchém vzduchu. Protože je vysoce účinný pro zachycení neutronů,mohl by být užitečný v jaderných reaktorech., Dva ze sedmi izotopů jsou však v tak nízké hojnosti, že mají malou jadernou aplikaci. Používá se v luminofory pro barevné televizní přijímače, mimo jiné, gadolinium ukazuje nějaký příslib pro ultra hi-tech aplikace: při velmi nízkých teplotách se stává vysoce magnetické a může fungovat jako supravodič.

Mosanderovy lanthanidy

LANTHANUM.

mezi lety 1839 a 1848 byl Mosander spotřebován extrakcí různých lanthanidů z ytteritu, který se do té doby stal známým jako gadolinit., Když se mu poprvé podařilo extrahovat prvek, pojmenoval ho lanthana, což znamená „skrytý“.“Materiál, nakonec označovaný jako lanthan, nebyl připraven v čisté formě až do roku 1923.

stejně jako řada jiných lanthanidů je lanthan velmi měkký—tak měkký, že může být řezán nožem—a stříbřitě bílou barvou. Mezi nejvíce reaktivní lanthanidy se rychle rozkládá v horké vodě, ale pomaleji ve studené vodě. Lanthan také snadno reaguje s kyslíkem a rychle koroduje ve vlhkém vzduchu.

stejně jako u ceru se lanthanum používá v misch metalu., Protože lanthanové sloučeniny přinášejí ve skle speciální optické vlastnosti, používají se také k výrobě specializovaných čoček. Kromě toho se sloučeniny lanthanu s fluorem nebo kyslíkem používají při výrobě uhlíkových obloukových lamp pro filmový průmysl.

SAMARIUM.

při analýze oxidu vytvořeného z lanthanidu v roce 1841 se Mosander rozhodl, že má na rukou nový prvek, který nazval didymium., O čtyři desetiletí později, Boisbaudran se podívat na didynium, a dospěl k závěru, že to není prvkem; spíše, že obsahuje prvek, který pojmenoval samaria po minerální samarskite, ve které je našel. Ještě později, Marignac studoval samarskite, když zjistil, co se stalo známým jako gadolinium. Příběh však nekončí: ještě později, v roce 1901, našel francouzský chemik Eugén-Anatole Demarçay (1852-1903) v samarskite další prvek, europium.

Samaria je aplikován dnes v jaderné elektrárně kontrolní tyče, v uhlíkových obloukových lamp, a inoptical maserů a laserů., Ve slitinách s kobaltem se používá při výrobě nejvíce stálých dostupných elektromagnetů. Samarium se také používá při výrobě optického skla a jako katalyzátor při výrobě ethylalkoholu.

ERBIUM a TERBIUM.

pro návrat Do Mosander, byl zkoumá ytterite v roce 1843, kdy identifikoval tři různé „země,“ které také pojmenoval po Ytterby: yttria, erbia, a terbia. Erbium bylo první, které bylo extrahováno., Čistý vzorek jeho železitý byl připraven v roce 1905 francouzský chemik Georges Urbain (1872-1938) a Americký chemik Charles James (1880-1928), ale čistý kov sám byl pouze extrahuje v roce 1934.

Měkké a poddajné, lesklé stříbřité barvy, erbium vytváří soli (které jsou obvykle kombinací kovu s nekovové), které jsou růžové a růže, což je užitečné jako tónování agent. Jeden z jeho oxidů se používá například k zabarvení skla a porcelánu růžovým odlitkem. Používá se také v omezené míře v jaderném energetickém průmyslu.,

Mosander také identifikovány další prvek, terbium, v ytterite v roce 1839, a Marignac izolovaných to v čistší formě, téměř o půl století později, v roce 1886. Opakovat společné téma, to je stříbřitě šedá a dostatečně měkký, aby být řez s nožem. Při zasažení elektronovým paprskem vydává sloučenina obsahující terbium nazelenalou barvu, a proto se používá jako fosfor v barevných televizorech.

pozdější izolace lanthanidů

YTTERBIA, holmia a THULIA.,

Pro mnoho let po Mosander, tam byl malý pokrok v objevování lanthanoidy, a když to přišlo, bylo to v podobě třetí prvek, pojmenovaný po městě, kde tolik lanthanoidy byly objeveny. V roce 1878, při analýze toho, co Mosander nazval erbia, si Marignac uvědomil, že obsahuje jeden nebo možná dva prvky.

O rok později, švédský chemik Lars Frederik Nilson (1840-1899) dospěl k závěru, že to skutečně obsahují dva prvky, které byly pojmenovány ytterbium a skandium. (Skandium s atomovým číslem 21 není součástí řady lanthanidů.,) Urbain je někdy připočítán pro objevování ytterbium: v roce 1907, ukázal, že materiály Nilson studoval, byla ve skutečnosti směs dvou oxidů. V každém případě, Urbain řekl, že by měl být úvěr na Marignac, který je nejdůležitější postavou v historii lanthanoidy jiné než Mosander. Jako pro ytterbium, je vysoce tvárný, stejně jako ostatní lanthanoidy, ale nemá žádné významné aplikace v průmyslu.

švédský chemik Per Teodor Cleve (1840-1905), nalezený v roce 1879, že erbia obsahovala další dva prvky, které pojmenoval holmium a thulium., Thulium odkazuje na starověké jméno pro Skandinávii, Thule. Nejvzácnější ze všech lanthanidů, thulium je vysoce tvárné-a také velmi drahé. Proto má jen málo komerčních aplikací.

DYSPROSIUM.

pojmenované pro řecké slovo dysprositos nebo „těžko se dostat“, dysprosium bylo objeveno Boisbaudranem. Oddělující ytterit v roce 1886 našel gallium (atomové číslo 31—ne lanthanid); samarium (diskutováno výše); a dysprosium. Opět byl minerál extrahovaný z ytteritu pojmenován po dříve objeveném prvku a opět se ukázalo, že obsahuje několik prvků., Dotyčnou látkou bylo tentokrát holmium, které, jak Boisbaudran objevil, bylo ve skutečnosti složitou směsí terbia, erbia, holmia a prvku, který identifikoval jako dysprosium. Čistý vzorek byl získán až v roce 1950.

protože dysprosium má vysokou afinitu k neutronům, někdy se používá v řídicích tyčích pro jaderné reaktory,“ namáčení “ neutronů spíše jako houba nasává vodu. Měkký, s lesklou stříbrnou barvou jako ostatní lanthanidy, dysprosium se také používá v laserech, ale jinak má jen málo použití.

EUROPIUM a LUTETIUM.,

Vzhledem k tomu, že mnoho dalších lanthanoidy jsou pojmenovány pro regiony v severní Evropě, jméno pro europium se týká Evropského kontinentu jako celku, a to z lutecium je odkaz na staré Římské jméno pro Paříž. Jak již bylo zmíněno dříve, Demarçay našel europium v samarskite, objev, který učinil v roce 1901. Ve skutečnosti si Boisbaudran všiml toho, co se zdálo být novým prvkem asi před deseti lety, ale nesledoval to, a tak úvěr jde jeho krajanovi.

většina reaktivních lanthanidů, europium reaguje jak na studenou vodu, tak na vzduch., Kromě toho je schopen spontánně vznítit. Mezi nejúčinnější prvky pro zachycení neutronů se používá v řídicích systémech jaderných reaktorů. Kromě toho se jeho sloučeniny používají při výrobě fosforů pro televizory: jedna taková sloučenina například vydává načervenalou záři. K lepidlu na poštovních známkách se přidává další sloučenina europia, která umožňuje elektronické skenování známek.

Urbain, který objevil lutetium, pojmenoval ho po svém rodném městě., James také identifikoval formu lanthanidu, ale svůj objev oznámil až mnohem později. S výjimkou některých použití v katalyzátoru při výrobě ropy má lutetium jen málo průmyslových aplikací.

kde se dozvědět více

Bavlna, Simon. Lanthanidy a aktinidy. New York: Oxford University Press, 1991.

Heiserman, David L. zkoumání chemických prvků a jejich sloučenin. Blue Ridge Summit, PA: Tab Books, 1992.

„luminiscenční lanthanidy“ (webové stránky). < http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (16.května 2001).

Snedden, Robert. Materiál., Des Plaines, IL: Heinemann Library, 1999.

Oxlade, Chris. Kov. Chicago: Heinemann Library, 2001.

Stwertka, Albert. Průvodce po prvcích. New York: Oxford University Press, 1996.

Whyman, Kathryn. Kovy a slitiny. Ilustroval Louise Nevett a Simon Bishop. New York: Gloucester Press, 1988.

klíčové pojmy

slitina:

směs dvou nebo více kovů.

atomové číslo:

počet protonů v jádru atomu., Vzhledem k tomu, že toto číslo je pro každý prvek odlišné, jsou prvky uvedeny v periodické tabulce prvků v pořadí atomového čísla.

ION:

atom nebo atomy, které ztratily nebo získaly jeden nebo více elektronů, a tak mají čistý elektrický náboj.

kontrakce LANTHANIDU:

progresivní pokles poloměru atomů lanthanidu, jak se zvyšují v atomicnumber.

řada lanthanidů:

skupina 14 prvků s atomovými čísly 58 až 71, které následují lanthan na periodické tabulce prvků.,

lanthanidy:

řada lanthanidů spolu s lanthanem.

oxid:

sloučenina tvořená chemickým spojením kovu s kyslíkem.

periodická tabulka prvků:

graf znázorňující prvky uspořádané v pořadí atomového čísla, seskupující je podle společných charakteristik.

VZÁCNÉ KOVY:

starý název pro lanthanoidy, což odráží obtížnost, která je dělí od sloučenin obsahujících jiné lanthanoidy nebo jiných látek.,

přechodové kovy:

skupiny 3 až 12 na IUPAC nebo evropské verzi periodické tabulky prvků. Lanthanidy a aktinidy, které se objevují ve spodní části periodické tabulky, jsou „větvemi“ této rodiny.