KONCEPT

Langs bunden af den periodiske tabel af elementer, der er adskilt fra hoveddelen af diagrammet, er to rækker, hvoraf den første repræsenterer den lanthanider. Sammensat af lanthanum og de 14 elementer i lanthanid-serien blev lanthaniderne engang kaldt” sjældne jordarter ” metaller. Faktisk er de ikke særlig sjældne: mange af dem forekommer i så meget overflod som mere kendte elementer som kviksølv., De er imidlertid vanskelige at udtrække, en egenskab, der definerer dem lige så meget som deres sølvfarvede farve; undertiden høje reaktivitetsniveauer og følsomhed over for forurening. Selvom nogle lanthanider har begrænsede anvendelser, findes medlemmer af denne gruppe i alt fra cigarettændere til TV-skærme og fra farvet glas til kontrolstænger i atomreaktorer.

Sådan fungerer det

definition af lanthaniderne

lanthanid-serien består af de 14 elementer, med atomnummer 58 Til 71, der følger lanthanum på den periodiske tabel med elementer., Disse 14, sammen med actiniderne—atomnummer 90 til 103—er afsat fra det periodiske system på grund af ligheder i egenskaber, der definerer hver gruppe.

specifikt er lanthaniderne og actiniderne de eneste elementer, der fylder f-orbitalerne. Lanthaniderne og actiniderne er faktisk “grene” af den større familie kendt som overgangsmetaller. Sidstnævnte vises i grupper 3 til 12 på IUPAC-versionen af det periodiske system, selvom de ikke er nummereret på den nordamerikanske version.,

lanthanid-serien kombineres normalt med lanthan, som har et atomnummer på 57, under den generelle overskrift lanthanider. Som deres navn antyder, medlemmer af lanthanid-serien deler visse egenskaber med lanthanum; dermed det kollektive udtryk “lanthanider.”Disse 15 elementer sammen med deres kemiske symboler er:

de fleste af disse diskuteres individuelt i dette essay.

egenskaber af lanthanider.

lyse og sølvfarvede i udseende, mange af lanthaniderne—selvom de er metaller—er så bløde, at de kan skæres med en kniv., Lanthan, cerium, praseodym, neodym og europium er meget reaktive. Når de udsættes for ilt, danner de en O .idcoating. (Et O .id er en forbindelse dannet af metal med et O .ygen.) For at forhindre dette resultat, som smertermetal, holdes disse fem lanthanider opbevaret i mineralolie.

de reaktive tendenser hos de andre lanthanider varierer: for eksempel o .iderer gadolinium og lutetium ikke, før de har været udsat for luft i meget lang tid. Ikke desto mindre har lanthanider en tendens til at være temmelig “temperamentsfulde” som en klasse., Hvis de er forurenet med andre metaller, såsom calcium, korroderer de let, og hvis de er forurenet med ikke-metaller, såsom nitrogen eller ilt, bliver de sprøde. Forurening også ændrer deres kogepunkter, der spænder fra 1,506.2°F (819°C) for ytterbium at 3,025.4°F (1,663°C) for lutetium.

lanthanider reagerer hurtigt med varmt vand eller langsommere med koldt vand for at danne brintgas. Som tidligere nævnt er de også ret reaktive med ilt, og de oplever forbrænding let i luften., Når et lanthanid reagerer med et andet element for at danne en forbindelse, mister det normalt tre af dets ydre elektroner for at danne det, der kaldes tripositive ioner, eller atomer med en elektrisk ladning på +3. Dette er den mest stabile ion for lanthanider, som undertiden udvikler mindre stabile +2 eller +4 ioner. Lanthanider har tendens til at danne ioniske forbindelser eller forbindelser indeholdende enten positive eller negative ioner med andre stoffer—især fluor.

er de virkelig “sjældne”?,

selvom de engang var kendt som sjældne jordarters metaller, blev lanthanider såkaldte fordi, som vi skal se, de er vanskelige at ekstrahere fra forbindelser, der indeholder andre stoffer-herunder andre lanthanider. Hvad angår sjældenhed, er den knappeste af lanthaniderne, thulium, mere rigelig end enten arsen eller kviksølv, og bestemt tænker ingen på dem som sjældne stoffer. Million (ppm) har thulium en tilstedeværelse i jordskorpen svarende til 0, 2 ppm. Den mest rigelige af lanthaniderne, cerium, har en overflod på 46 ppm, større end tin.,

Hvis derimod sjældenhed forstås ikke med hensyn til knaphed, men med hensyn til vanskeligheder med at opnå et element i sin rene form, er lanthaniderne faktisk sjældne. Fordi deres egenskaber er så ens, og fordi de er tilbøjelige til at samles i de samme stoffer, var den oprindelige isolering og identifikation af lanthaniderne en vanskelig opgave, der tog godt over et århundrede. Fremskridtene fulgte et fælles mønster.,

først identificerede en kemiker et nyt lanthanid; så et par år senere kom en anden videnskabsmand sammen og ekstraherede et andet lanthanid fra den prøve, som den første kemiker havde troet at være et enkelt element. På denne måde opstod lanthaniderne over tid, hver fra den ene før den, snarere som russiske matryoshka eller “nesting” dukker.

ekstraktion af lanthanider.

selvom de fleste lanthanider først blev isoleret i Skandinavien, findes de i dag i betydeligt varmere breddegrader: Brasilien, Indien, Australien, Sydafrika og USA., Den vigtigste kilde til lanthanider er Mona .it, en tung, mørkt sand, hvorfra omkring 50% af lanthanid masse til rådighed for videnskab og industri er blevet udvundet.

for at adskille lanthanider fra andre elementer kombineres de faktisk med andre stoffer—stoffer med lav opløselighed eller tendens til at opløse. O .alater og fluorider er stoffer med lav opløselighed, der er favoriseret til dette formål. Når de først er adskilt fra ikke-lanthanidelementer, bruges ionbytning til at adskille et lanthanidelement fra et andet.,

Der er et udtalt fald i radier af lanthanid atomer som de stige i atomnummer: med andre ord, jo højere atomnummer, jo mindre radius. Dette fald, kendt som lanthanidkontraktion, hjælper i processen med adskillelse ved ionbytning. Lanthaniderne blandes i en ionisk opløsning og føres derefter ned en lang søjle indeholdende en harpiks. Forskellige lanthanidioner binder mere eller mindre tæt, afhængigt af deres relative størrelse, med harpiksen.

efter dette trin vaskes lanthaniderne ud af ionbytterkolonnen og ind i forskellige opløsninger., En efter en bliver de helt adskilt og blandes derefter med syre og opvarmes til dannelse af et O .id. O .idet omdannes derefter til et fluorid eller chlorid, som derefter kan reduceres til metallisk form ved hjælp af calcium.

virkelige applikationer

den historiske tilgang

når man studerer lanthaniderne, kan man simpelthen bevæge sig langs det periodiske bord, fra lanthan hele vejen til lutetium., Imidlertid, i lyset af de vanskeligheder, der er involveret i at udvinde lanthaniderne, den ene fra den anden, en tilgang langs historiske linjer hjælper med at forstå det unikke sted, som hvert lanthanid indtager i den samlede familie.

udtrykkene “lanthanid—serien” eller endda “lanthanider” dukkede ikke op i nogen tid-med andre ord vidste forskere ikke straks, at de havde at gøre med en hel gruppe metaller. Som det ofte er tilfældet med videnskabelig opdagelse, isolering af lanthanider fulgt en uregelmæssig mønster, og de gjorde ikke dukke op i rækkefølge atomnummer.,

Cerium blev faktisk opdaget længe før lanthan selv, i sidste halvdel af det attende århundrede. Der fulgte nogle få årtier senere opdagelsen af et mineral kaldet ytterit, opkaldt efter byen Ytterby, Sverige, hvor det blev fundet i 1787. I løbet af det næste århundrede blev de fleste af de resterende lanthanider ekstraheret fra ytterite, og den mand, der var mest ansvarlig for dette, var den svenske kemiker Carl Gustav Mosander (1797-1858).,da Mosander havde mere at gøre med identifikationen af lanthaniderne end noget individ, er den midterste del af denne historiske oversigt afsat til hans fund. Genkendelse og isolering af lanthanider stoppede dog ikke med Mosander; derfor diskuteres en anden gruppe mineraler i forbindelse med sidstnævnte periode med lanthanidopdagelse.

tidlige lanthanider

CERIUM.

I 1751, svensk kemiker Axel Crönstedt (1722-1765) beskrevet, hvad han troede var en ny form for wolfram, som han havde fundet på Bastnäs Mine nær Riddarhyttan, Sverige., Senere, tysk kemiker Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) og den svenske kemiker Wilhelm Hisinger (1766-1852) selvstændigt analyseret materiale Crönstedt havde opdaget, og begge konkluderede, at dette skal være et nyt element. Det blev navngivet cerium til ære for Ceres, en asteroide mellem Mars og Jupiter opdaget i 1801. Først i 1875 blev cerium faktisk ekstraheret fra en malm.

blandt ansøgningerne om cerium er en legering kaldet misch metal, fremstillet ved at smelte chlorider af cerium, lanthan, neodym, og praseodym., Den resulterende legering antændes ved eller under stuetemperatur og bruges ofte som “flint” i en cigarettænder, fordi den gnister, når friktion fra et metalhjul påføres.

Cerium bruges også i jetmotordele, som katalysator til fremstilling af ammoniak og som et anti-knock—middel i ben .in-det vil sige et kemikalie, der reducerer de “bankende” lyde, der undertiden produceres i en motor af ringere brændstofkvaliteter. I cerium (IV) O .id eller CeO2 bruges det til at udtrække farven fra tidligere farvet glas og påføres også i emalje og keramiske belægninger.

GADOLINIUM.,

I 1794, syv år efter opdagelsen af ytterite, finsk kemiker Johan Gadolin (1760-1852) konkluderede, at ytterite indeholdt et nyt element, som senere blev opkaldt nat i hans ære. Et meget lignende navn ville blive anvendt på et element ekstraheret fra ytterite, og årene mellem Gadolins opdagelse og identifikationen af dette element spænder over perioden for den mest frugtbare aktivitet i lanthanididentifikation.,

i Løbet af det næste århundrede, alle de andre lanthanider blev opdaget i sammensætningen af gældende; derefter, i 1880, Schweiziske kemiker Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) fandt endnu et element, der gemmer sig i det. Den franske kemiker Paul Emile Leco.de Boisbaudran (1838-1912) genopdagede det samme element seks år senere og foreslog, at det blev kaldt gadolinium.

sølvfarvet, men med en undertiden gullig støbning har gadolinium en høj tendens til at O .idere i tør luft. Fordi det er yderst effektivt til indfangning af neutroner, kan det være nyttigt i kernekraftreaktorer., Imidlertid, to af dens syv isotoper er i så lav overflod, at den har haft lidt nuklear anvendelse. Brugt i fosfor til farve-tv-apparater viser gadolinium blandt andet noget løfte om Ultra hightech-applikationer: ved meget lave temperaturer bliver det meget magnetisk og kan fungere som en superleder.

Mosanders lanthanider

lanthan.

mellem 1839 og 1848 blev Mosander konsumeret med ekstraktion af forskellige lanthanider fra ytterit, som på det tidspunkt var blevet kendt som gadolinit., Da han først lykkedes at udvinde et element, kaldte han det lanthana, hvilket betyder ” skjult.”Materialet, til sidst benævnt lanthanum, blev ikke forberedt i ren form før 1923.

som en række andre lanthanider er lanthan meget blødt—så blødt kan det skæres med en kniv—og sølvhvid farve. Blandt de mest reaktive af lanthaniderne nedbrydes det hurtigt i varmt vand, men langsommere i koldt vand. Lanthan reagerer også let med ilt og korroderer hurtigt i fugtig luft.

som med cerium anvendes lanthan i misch metal., Fordi lanthanforbindelser medfører særlige optiske kvaliteter i glas, bruges det også til fremstilling af specialiserede linser. Derudover anvendes forbindelser af lanthan med fluor eller ilt til fremstilling af kulstofbue lamper til filmindustrien.

SAMARIUM.

mens han analyserede et O .id dannet af lanthanid i 1841, besluttede Mosander, at han havde et nyt element på sine hænder, som han kaldte didymium., Fire årtier senere, Boisbaudran kiggede endnu et kig på didynium, og konkluderede, at det ikke var et element; snarere, det indeholdt et element, som han navngav samarium efter mineralet samarskite, hvor det findes. Endnu senere studerede Marignac samarskite, da han opdagede, hvad der blev kendt som gadolinium. Men historien sluttede ikke der: endnu senere, i 1901, fandt den franske kemiker Eugnene-Anatole Demar .ay (1852-1903) endnu et element, europium, i samarskite.

Samarium anvendes i dag i kernekraftværkets kontrolstænger, i kulbuelamper og inoptiske masere og lasere., I legeringer med kobolt anvendes den til fremstilling af de mest permanente elektromagneter, der er tilgængelige. Samarium anvendes også til fremstilling af optisk glas og som katalysator i produktionen af ethylalkohol.

ERBIUM OG TERBIUM.

for at vende tilbage til Mosander undersøgte han ytterit i 1843, da han identificerede tre forskellige “jordarter”, som han også opkaldte efter Ytterby: yttria, erbia og terbia. Erbium var den første, der blev ekstraheret., En ren prøve af dens o .id blev fremstillet i 1905 af den franske kemiker Georges Urbain (1872-1938) og den amerikanske kemiker Charles James (1880-1928), men selve det rene metal blev først ekstraheret i 1934.

blød og formbar, med en skinnende sølvfarvet farve, producerer erbium salte (som normalt er kombinationer af et metal med en ikke-metal), der er lyserød og rose, hvilket gør det nyttigt som toningsmiddel. Et af dets o .ider bruges for eksempel til at farve Glas og porcelæn med en lyserød støbning. Det anvendes også i begrænset omfang inden for atomkraftindustrien.,

Mosander identificerede også et andet element, terbium, i ytterite i 1839, og Marignac isoleret i en renere form næsten et halvt århundrede senere, i 1886. For at gentage et fælles tema er det sølvfarvet og blødt nok til at blive skåret med en kniv. Når den rammes af en elektronstråle, udsender en forbindelse indeholdende terbium en grønlig farve, og den bruges således som fosfor i farve-tv-apparater.

senere isolering af lanthanider

YTTERBIUM, HOLMIUM og THULIUM.,

i mange år efter Mosander var der ringe fremskridt med opdagelsen af lanthanider, og da det kom, var det i form af et tredje element, opkaldt efter byen, hvor så mange af lanthaniderne blev opdaget. I 1878, mens han analyserede, hvad Mosander havde kaldt Erbia, indså Marignac, at det indeholdt et eller muligvis to elementer.et år senere konkluderede den svenske kemiker Lars Frederik Nilson (1840-1899), at den faktisk indeholdt to elementer, der hed ytterbium og scandium. (Scandium, med et atomnummer på 21, er ikke en del af lanthanid-serien.,) Urbain er undertiden krediteret for at opdage ytterbium: i 1907 viste han, at materialerne Nilson havde studeret var faktisk en blanding af to O .ider. Under alle omstændigheder sagde Urbain detkredit bør gives til Marignac, som er den vigtigste figur i lanthanides historie bortset fra Mosander. Hvad angår ytterbium, er det meget formbart, ligesom andre lanthanider, men har ingen væsentlige anvendelser i industrien.Teodor Cleve (1840-1905) fandt i 1879, at erbia indeholdt yderligere to elementer, som han kaldte holmium og thulium., Thulium henviser til det gamle navn for Skandinavien, Thule. Sjældneste af alle lanthaniderne er thulium meget formbar – og også meget dyr. Derfor har det få kommercielle applikationer.

DYSPROSIUM.

opkaldt efter det græske ord dysprositos, eller “svært at komme på,” dysprosium blev opdaget af Boisbaudran. Adskillelse af ytterite i 1886 fandt han gallium (atomnummer 31-ikke et lanthanid); samarium (diskuteret ovenfor); og dysprosium. Endnu en gang var et mineral ekstraheret fra ytterit blevet opkaldt efter et tidligere opdaget element, og endnu en gang viste det sig at indeholde flere elementer., Det pågældende stof denne gang var holmium, hvilken, som Boisbaudran opdagede, var faktisk en kompleks blanding af terbium, erbium, holmium, og det element, han havde identificeret som dysprosium. En ren prøve blev først opnået i 1950.da dysprosium har en høj affinitet for neutroner, bruges den undertiden i kontrolstænger til atomreaktorer, “opsuger” neutroner snarere som en svamp opsuger vand. Blød, med en skinnende sølvfarve som andre lanthanider, anvendes dysprosium også i lasere, men ellers har det få anvendelser.

EUROPIUM og LUTETIUM.,

mens mange andre lanthanider er opkaldt efter regioner i Nordeuropa, henviser navnet europium til det europæiske kontinent som helhed, og lutetiums navn er en henvisning til det gamle romerske navn for Paris. Som tidligere nævnt fandt Demarayay europium i samarskite, en opdagelse han lavede i 1901. Rent faktisk, Boisbaudran havde bemærket, hvad der syntes at være et nyt element omkring et årti tidligere, men han forfulgte det ikke, og dermed går æren til sin landsmand.

mest reaktive af lanthaniderne reagerer europium både på koldt vand og på luft., Derudover er det i stand til at fange brand spontant. Blandt de mest effektive elementer til indfangning af neutroner anvendes den i styresystemerne for atomreaktorer. Desuden anvendes dets forbindelser til fremstilling af fosfor til TV-apparater: en sådan forbindelse udsender for eksempel en rødlig glød. Endnu en europium-forbindelse tilsættes limet på frimærker, hvilket muliggør elektronisk scanning af frimærker.urbain, der opdagede lutetium, opkaldte det efter sin hjemby., James identificerede også en form for lanthanidet, men meddelte ikke sin opdagelse før meget senere. Bortset fra nogle anvendelser på en katalysator i produktionen af råolie, lutetium har få industrielle anvendelser.

hvor kan man lære mere

Bomuld, Simon. Lanthanider og actinider. New York: Oxford University Press, 1991.

Heiserman, David L. undersøgelse af kemiske elementer og deres forbindelser. Blue Ridge Summit, PA: Tab bøger, 1992.

“luminescerende lanthanider” (Webebsted). <http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (16 Maj, 2001).Snedden, Robert. Materiale., Des Plaines, IL: Heinemann Bibliotek, 1999.o .lade, Chris. Metal. Chicago: Heinemann Bibliotek, 2001.

st .ertka, Albert. En Guide til elementerne. New York: Oxford University Press, 1996.yman, Kathryn. Metaller og legeringer. Illustreret af Louise Nevett og Simon Bishop. Ne Gl York: Gloucester Press, 1988.

nøgleord

legering:

en blanding af to eller flere metaller.

atomnummer:

antallet af protoner i kernen af et atom., Da dette tal er forskelligt for hvert element, er elementer opført på det periodiske system af elementer i rækkefølge af atomnummer.

ION:

et atom eller atomer, der har mistet eller opnået en eller flere elektroner, og dermed har en netto elektrisk ladning.

LANTHANIDKONTRAKTION:

et progressivt fald i radius af lanthanidatomer, når de øges i atomnummer.

LANTHANID serie:

en gruppe af 14 elementer, med atomnummer 58 gennem71, der følger lanthan på det periodiske system af elementer.,

lanthanider:

lanthanid-serien sammen med lanthanum.

O .id:

en forbindelse dannet ved kemisk binding af et metal med o .ygen.

periodisk tabel over elementer:

et diagram, der viser elementerne arrangeret i rækkefølge af atomnummer, grupperer dem efter fælles egenskaber.

sjældne jordarters metaller:

et gammelt navn på lanthaniderne, hvilket afspejler vanskeligheden ved at adskille dem fra forbindelser, der indeholder andre lanthanider eller andre stoffer.,

overgangsmetaller:

grupper 3 til 12 på IUPAC eller europæisk version af den periodiske tabel over elementer. Lanthaniderne og actiniderne, der vises i bunden af det periodiske bord, er “grene” af denne familie.