Serie de lantánidos

concepto

a lo largo de la parte inferior de la Tabla periódica de elementos, separados del cuerpo principal del gráfico, hay dos filas, la primera de las cuales representa los lantánidos. Compuesto por lantano y los 14 elementos de la serie de lantánidos, los lantánidos fueron llamados una vez los metales de la «tierra rara». De hecho, no son particularmente raros: muchos de ellos aparecen en tanta abundancia como elementos más familiares, como el mercurio., Sin embargo, son difíciles de extraer, una característica que los define tanto como su color plateado; a veces altos niveles de reactividad; y sensibilidad a la contaminación. Aunque algunos lantánidos tienen usos limitados, los miembros de este grupo se encuentran en todo, desde encendedores de cigarrillos hasta pantallas de televisión, y desde vidrio de colores hasta varillas de control en reactores nucleares.

cómo funciona

definiendo los lantánidos

la serie de lantánidos consiste en los 14 elementos, con números atómicos del 58 al 71, que siguen al lantánum en la Tabla periódica de elementos., Estos 14, junto con los actínidos—números atómicos del 90 al 103—se apartan de la Tabla periódica debido a las similitudes en las propiedades que definen a cada grupo.

específicamente, los lantánidos y actínidos son los únicos elementos que llenan los orbitales F. Los lantánidos y actínidos son en realidad «ramas» de la familia más grande conocida como metales de Transición. Estos últimos aparecen en los grupos 3 a 12 en la versión IUPAC de la Tabla periódica, aunque no están numerados en la versión norteamericana.,

la serie de lantánidos generalmente se combina con lantano, que tiene un número atómico de 57, bajo el título general de lantánidos. Como su nombre indica, los miembros de la serie de lantánidos comparten ciertas características con el lantano; de ahí el término colectivo «lantánidos».»Estos 15 elementos, junto con sus símbolos químicos, son:

La mayoría de estos se discuten individualmente en este ensayo.

propiedades de los lantánidos.

brillante y plateado en apariencia, muchos de los lantánidos-aunque son metales-son tan suaves que se pueden cortar con un cuchillo., El lantano, el cerio, el praseodimio, el neodimio y el europio son altamente reactivos. Cuando se exponen al oxígeno, forman una capa de óxido. (Un óxido es un compuesto formado por metal con un oxígeno.) Para evitar este resultado, que empaña elmetal, estos cinco lantánidos se mantienen almacenados en aceite mineral.

las tendencias reactivas de los otros lantánidos varían: por ejemplo, el gadolinio y el lutecio no se oxidan hasta que han estado expuestos al aire durante mucho tiempo. Sin embargo, los lantánidos tienden a ser bastante «temperamentales» como clase., Si están contaminados con otros metales, como el calcio, se corroen fácilmente, y si están contaminados con no metales, como nitrógeno u oxígeno, se vuelven frágiles. La contaminación también altera sus puntos de ebullición, que van desde 1,506.2°F (819°C) para el iterbio hasta 3,025.4°F (1,663°C) para el lutecio.

los lantánidos reaccionan rápidamente con agua caliente, o más lentamente con agua fría, para formar gas hidrógeno. Como se señaló anteriormente, también son bastante reactivos con el oxígeno, y experimentan combustión fácilmente en el aire., Cuando un lantánido reacciona con otro elemento para formar un compuesto, generalmente pierde tres de sus electrones externos para formar lo que se llaman iones tripositivos, o átomos con una carga eléctrica de +3. Este es el ion más estable para los lantánidos, que a veces desarrollan iones menos estables +2 o +4. Los lantánidos tienden a formar compuestos iónicos, o compuestos que contienen iones positivos o negativos, con otras sustancias, en particular, el flúor.

¿son realmente «raros»?,

aunque una vez fueron conocidos como los metales de tierras raras, los lantánidos se denominaron así porque, como veremos, son difíciles de extraer de compuestos que contienen otras sustancias, incluidos otros lantánidos. En cuanto a la rareza, el más escaso de los lantánidos, el Tulio, es más abundante que el arsénico o el mercurio, y ciertamente nadie piensa en ellos como sustancias raras. En términos de partes por millón (ppm), el Tulio tiene una presencia en la corteza terrestre equivalente a 0.2 ppm. El más abundante de los lantánidos, el cerio, tiene una abundancia de 46 ppm, mayor que la del estaño.,

si, por otro lado, la rareza no se entiende en términos de escasez, sino con respecto a la dificultad para obtener un elemento en su forma pura, entonces de hecho los lantánidos son raros. Debido a que sus propiedades son tan similares, y porque están inclinados a congregarse en las mismas sustancias, el aislamiento original y la identificación de los lantánidos fue una ardua tarea que tomó más de un siglo. El progreso siguió un patrón común.,

primero, un químico identificó un nuevo lantánido; luego, unos años más tarde, otro científico apareció y extrajo otro lantánido de la muestra que el primer químico había creído que era un solo elemento. De esta manera, los lantánidos surgieron con el tiempo, cada uno de los anteriores, más bien como matrioskas rusos o muñecas «anidadoras».

extrayendo lantánidos.

aunque la mayoría de los lantánidos se aislaron por primera vez en Escandinavia, hoy se encuentran en latitudes considerablemente más cálidas: Brasil, India, Australia, Sudáfrica y los Estados Unidos., La principal fuente de lantánidos es la monacita, una arena pesada y oscura de la que se ha extraído aproximadamente el 50% de la masa de lantánidos disponible para la ciencia y la industria.

para separar los lantánidos de otros elementos, en realidad se combinan con otras sustancias, sustancias que tienen una baja solubilidad o tendencia a disolverse. Los oxalatos y los fluoruros son sustancias de baja solubilidad favorecidas para este propósito. Una vez que se separan de los elementos no lantánidos, el intercambio iónico se utiliza para separar un elemento lantánido de otro.,

hay una disminución pronunciada en los radios de los átomos de lantánido a medida que aumentan en el número atómico: en otras palabras, cuanto mayor es el número atómico, menor es el radio. Esta disminución, conocida como contracción de lantánido, ayuda en el proceso de separación por intercambio iónico. Los lantánidos se mezclan en una solución iónica, luego se pasan por una larga columna que contiene una resina. Varios iones lantánidos se unen más o menos fuertemente, dependiendo de su tamaño relativo, con la resina.

después de este paso, los lantánidos se lavan fuera de la columna de intercambio iónico y en varias soluciones., Uno por uno, se separan completamente, y luego se mezclan con ácido y se calientan para formar un óxido. El óxido se convierte entonces en un fluoruro o cloruro, que luego se puede reducir a forma metálica con la ayuda de calcio.

aplicaciones de la vida real

El enfoque histórico

en el estudio de los lantánidos, uno puede simplemente moverse a lo largo de la Tabla periódica, desde el lantano hasta el lutecio., Sin embargo, a la luz de las dificultades involucradas en la extracción de los lantánidos, unos de otros, un enfoque a lo largo de líneas históricas ayuda a comprender el lugar único que cada lantánido ocupa en la familia global.

Los términos «serie de los lantánidos» o incluso «lantánidos» no surgió durante algún tiempo—en otras palabras, los científicos no saben inmediatamente que se trata de todo un grupo de metales. Como suele ser el caso con los descubrimientos científicos, el aislamiento de los lantánidos siguió un patrón irregular, y no surgieron en orden de número atómico.,

de hecho, el cerio fue descubierto mucho antes del propio lantano, en la segunda mitad del siglo XVIII. Siguió, unas décadas más tarde, el descubrimiento de un mineral llamado ytterita, el nombre de la ciudad de Ytterby, Suecia, cerca de la cual se encontró en 1787. Durante el siglo siguiente, la mayoría de los lantánidos restantes fueron extraídos de ytterita, y el hombre más responsable de esto fue el químico sueco Carl Gustav Mosander (1797-1858).,

debido a que Mosander tuvo más que ver con la identificación de los lantánidos que cualquier individuo, la parte central de esta visión histórica está dedicada a sus hallazgos. Sin embargo, el reconocimiento y aislamiento de los lantánidos no se detuvo con Mosander; por lo tanto, otro grupo de minerales se discute en el contexto del último período de descubrimiento de lantánidos.

lantánidos tempranos

cerio.

en 1751, el químico sueco Axel Crönstedt (1722-1765) describió lo que pensaba que era una nueva forma de tungsteno, que había encontrado en la mina Bastnäs cerca de Riddarhyttan, Suecia., Más tarde, el químico alemán Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) y el químico sueco Wilhelm Hisinger (1766-1852) analizaron independientemente el material que Crönstedt había descubierto, y ambos concluyeron que esto debía ser un elemento nuevo. Fue nombrado cerium en honor de Ceres, un asteroide entre Marte y Júpiter descubierto en 1801. Hasta 1875 no se extrajo cerio de un mineral.

entre las aplicaciones para el cerio se encuentra una aleación llamada metal misch, preparada mediante la fusión de los cloruros de cerio, lantano, neodimio y praseodimio., La aleación resultante se enciende a o por debajo de la temperatura ambiente, y a menudo se usa como el «pedernal» en un encendedor de cigarrillos, porque chispea cuando se aplica la fricción de una rueda de metal.

el cerio también se usa en piezas de motores a reacción, como catalizador en la fabricación de amoníaco y como agente Antidetonante en la gasolina, es decir, un producto químico que reduce los sonidos de «golpeteo» que a veces se producen en un motor por grados inferiores de combustible. En el óxido de cerio (IV), o CeO2, se utiliza para extraer el color del vidrio coloreado anteriormente, y también se aplica en esmaltes y recubrimientos cerámicos.

gadolinio.,

en 1794, siete años después del descubrimiento de la ytterita, el químico finlandés Johan Gadolin (1760-1852) concluyó que la ytterita contenía un nuevo elemento, que más tarde fue llamado gadolinita en su honor. Un nombre muy similar se aplicaría a un elemento extraído de ytterita, y los años entre el descubrimiento de Gadolin y la identificación de este elemento abarcaron el período de la actividad más fructífera en la identificación de lantánidos.,

durante el siglo siguiente, todos los otros lantánidos fueron descubiertos dentro de la composición de la gadolinita; luego, en 1880, el químico suizo Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) encontró otro elemento oculto en ella. El químico francés Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) redescubrió el mismo elemento seis años más tarde, y propuso que se gadolinio.

de color plateado, pero con un tono a veces amarillento, el gadolinio tiene una alta tendencia a oxidarse en el aire seco. Debido a que es altamente eficiente para capturar neutrones, podría ser útil en reactores de energía nuclear., Sin embargo, dos de sus siete isótopos están en tan baja abundancia que ha tenido poca aplicación nuclear. Utilizado en fósforos para televisores en color, entre otras cosas, el gadolinio muestra cierta promesa para aplicaciones de ultra alta tecnología: a temperaturas muy bajas se vuelve altamente magnético, y puede funcionar como un superconductor.

lantánidos de Mosander

lantano.

entre 1839 y 1848, Mosander fue consumido con la extracción de varios lantánidos de ytterita, que para entonces había llegado a ser conocido como gadolinita., Cuando por primera vez tuvo éxito en extraer un elemento, lo llamó lanthana, que significa «oculto».»El material, eventualmente referido como lantano, no fue preparado en forma pura hasta 1923.

al igual que otros lantánidos, el lantano es muy suave, tan suave que se puede cortar con un cuchillo, y de color blanco plateado. Entre los lantánidos más reactivos, se descompone rápidamente en agua caliente, pero más lentamente en agua fría. El lantano también reacciona fácilmente con el oxígeno y se corroe rápidamente en el aire húmedo.

al igual que con el cerio, el lantano se utiliza en el metal misch., Debido a que los compuestos de lantano producen cualidades ópticas especiales en el vidrio, también se utiliza para la fabricación de lentes especializadas. Además, los compuestos de lantano con flúor u oxígeno se utilizan en la fabricación de lámparas de arco de carbono para la industria cinematográfica.

samario.

mientras analizaba un óxido formado a partir de lantánido en 1841, Mosander decidió que tenía un nuevo elemento en sus manos, al que llamó didimio., Cuatro décadas más tarde, Boisbaudran volvió a echar un vistazo a didynium, y concluyó que no era un elemento; más bien, contenía un elemento, al que llamó samario por el mineral samarskita, en el que se encuentra. Aún más tarde, Marignac estaba estudiando samarskita cuando descubrió lo que llegó a ser conocido como gadolinio. Pero la historia no terminó allí: incluso más tarde, en 1901, el químico francés Eugéne-Anatole Demarçay (1852-1903) encontró otro elemento, el europio, en samarskita.

el samario se aplica hoy en día en barras de control de plantas de energía nuclear, en lámparas de arco de carbono, y máseres y láseres inópticos., En aleaciones con cobalto, se utiliza en la fabricación de los electroimanes más permanentes disponibles. El samario también se utiliza en la fabricación de vidrio óptico y como catalizador en la producción de alcohol etílico.

erbio y terbio.

para volver a Mosander, estaba examinando ytterita en 1843 cuando identificó tres «tierras» diferentes, a las que también nombró en honor a Ytterby: yttria, erbia y terbia. El erbio fue el PRIMERO en ser extraído., Una muestra pura de su óxido fue preparada en 1905 por el químico francés Georges Urbain (1872-1938) y el químico estadounidense Charles James (1880-1928), pero el metal puro en sí solo se extrajo en 1934.

suave y maleable, con un color plateado brillante, el erbio Produce sales (que generalmente son combinaciones de un metal con un no metal) que son rosadas y rosadas, lo que lo hace útil como agente de tintado. Uno de sus óxidos se utiliza, por ejemplo, para teñir el vidrio y la porcelana con un molde rosáceo. También se aplica, hasta cierto punto, en la industria de la energía nuclear.,

Mosander también identificó otro elemento, el terbio, en ytterita en 1839, y Marignac lo aisló en una forma más pura casi medio siglo más tarde, en 1886. Para repetir un tema común, es gris plateado y lo suficientemente suave como para cortarlo con un cuchillo. Cuando es golpeado por un haz de electrones, un compuesto que contiene terbio emite un color verdoso, y por lo tanto se utiliza como fósforo en los televisores de color.

aislamiento posterior de lantánidos

iterbio, holmio y Tulio.,

durante muchos años después de Mosander, hubo poco progreso en el descubrimiento de lantánidos, y cuando llegó, fue en la forma de un tercer elemento, llamado así por la ciudad donde se descubrieron tantos de los lantánidos. En 1878, mientras analizaba lo que Mosander había llamado erbia, Marignac se dio cuenta de que contenía uno o posiblemente dos elementos.

un año más tarde, el químico sueco Lars Frederik Nilson (1840-1899) concluyó que en efecto contenía dos elementos, que fueron llamados iterbio y escandio. (El escandio, con un número atómico de 21, no es parte de la serie de lantánidos., Urbain es a veces acreditado por descubrir iterbio: en 1907, demostró que los materiales que Nilson había estudiado eran en realidad una mezcla de dos óxidos. En cualquier caso, Urbain dijo que el crédito debe ser dado a Marignac, que es la figura más importante en la historia de los lantánidos con excepción de Mosander. En cuanto al iterbio, es altamente maleable, como otros lantánidos, pero no tiene ninguna aplicación significativa en la industria.

El químico sueco Per Teodor Cleve (1840-1905) encontró en 1879 que erbia contenía dos elementos más, a los que llamó holmio y Tulio., Thulium se refiere al antiguo nombre de Escandinavia, Thule. El más raro de todos los lantánidos, el Tulio es altamente maleable-y también muy caro. Por lo tanto, tiene pocas aplicaciones comerciales.

disprosio.

llamado así por la palabra griega dysprositos, o «difícil de alcanzar», disprosio fue descubierto por Boisbaudran. Separando ytterita en 1886, encontró galio (número atómico 31-no un lantánido); samario (discutido anteriormente); y disprosio. Una vez más, un mineral extraído de ytterita había sido nombrado después de un elemento previamente descubierto, y, una vez más, resultó contener varios elementos., La sustancia en cuestión esta vez era el holmio, que, como Boisbaudran descubrió, era en realidad una mezcla compleja de terbio, erbio, holmio, y el elemento que había identificado como disprosio. No se obtuvo una muestra pura hasta 1950.

debido a que el disprosio tiene una alta afinidad por los neutrones, a veces se usa en barras de control para reactores nucleares, «absorbiendo» neutrones en lugar de como una esponja absorbe el agua. Suave, con un color plateado brillante como otros lantánidos, el disprosio también se aplica en láseres, pero por lo demás tiene pocos usos.

europio y lutecio.,

mientras que muchos otros lantánidos son nombrados por regiones del norte de Europa, el nombre de europium se refiere al continente europeo en su conjunto, y el de lutecio es una referencia al antiguo nombre romano de París. Como se mencionó anteriormente, Demarçay encontró europio en samarskita, un descubrimiento que hizo en 1901. En realidad, Boisbaudran había notado lo que parecía ser un elemento nuevo alrededor de una década antes, pero no lo persiguió, y por lo tanto el crédito va a su compatriota.

más reactivo de los lantánidos, el europio responde tanto al agua fría como al aire., Además, es capaz de incendiarse espontáneamente. Entre los elementos más eficientes para la captura de neutrones, se aplica en los sistemas de control de reactores nucleares. Además, sus compuestos se utilizan en la fabricación de fósforos para televisores: uno de estos compuestos, por ejemplo, emite un brillo rojizo. Se añade otro compuesto de europio al pegamento de los sellos postales, lo que hace posible el escaneo electrónico de los sellos.

Urbain, que descubrió el lutecio, lo llamó así por su ciudad natal., Jacobo también identificó una forma del lantánido, pero no anunció su descubrimiento hasta mucho más tarde. A excepción de algunos usos en un catalizador en la producción de petróleo, el lutecio tiene pocas aplicaciones industriales.

dónde aprender más

Cotton, Simon. Lantánidos y actínidos. New York: Oxford University Press, 1991.

Heiserman, David L. Exploring Chemical Elements and Their Compounds. Blue Ridge Summit, PA: Tab Books, 1992.

«Luminescent Lanthanides» (sitio Web). <http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (16 de mayo de 2001).Snedden, Robert. Material., Des Plaines, IL: Heinemann Library, 1999.Oxlade, Chris. Metal. Chicago: Heinemann Library, 2001.

Stwertka, Albert. A Guide to the Elements (en inglés). New York: Oxford University Press, 1996.

Whyman, Kathryn. Metales y aleaciones. Ilustrado por Louise Nevett y Simon Bishop. New York: Gloucester Press, 1988.

TÉRMINOS CLAVE

ALEACIÓN:

Una mezcla de dos o más metales.

NÚMERO ATÓMICO:

El número de protones en el núcleo de un átomo., Dado que este número es diferente para cada elemento, los elementos se enumeran en la Tabla periódica de elementos en orden de número atómico.

ION:

un átomo o átomos que han perdido o ganado uno o más electrones, y por lo tanto tiene una carga eléctrica neta.

contracción de lantánido:

una disminución progresiva en el radio de los átomos de lantánido a medida que aumentan en número atómico.