Série de lanthanides

CONCEPT

Au bas du tableau périodique des éléments, séparés du corps principal du graphique, se trouvent deux lignes, dont la première représente les lanthanides. Composés de lanthane et des 14 éléments de la série des lanthanides, les lanthanides étaient autrefois appelés les métaux « terres rares ». En fait, ils ne sont pas particulièrement rares: beaucoup d’entre eux apparaissent en autant d’abondance que des éléments plus familiers tels que le mercure., Ils sont cependant difficiles à extraire, une caractéristique qui les définit autant que leur couleur argentée; des niveaux parfois élevés de réactivité; et la sensibilité à la contamination. Bien que certains lanthanides aient des utilisations limitées, les membres de ce groupe se trouvent dans tout, des briquets aux écrans de télévision, et du verre coloré aux barres de commande dans les réacteurs nucléaires.

COMMENT ÇA MARCHE

Définition des lanthanides

La série des lanthanides se compose des 14 éléments, de numéros atomiques 58 à 71, qui suivent le lanthane sur le tableau périodique des éléments., Ces 14, ainsi que les actinides—numéros atomiques 90 à 103—sont mis de côté du tableau périodique en raison de similitudes dans les propriétés qui définissent chaque groupe.

plus Précisément, les lanthanides et les actinides sont les seuls éléments qui remplissent le f-orbitales. Les lanthanides et les actinides sont en fait des « branches » de la grande famille connue sous le nom de métaux de transition. Ces derniers apparaissent dans les groupes 3 à 12 de la version IUPAC du tableau périodique, bien qu’ils ne soient pas numérotés dans la version nord-américaine.,

La série des lanthanides est généralement combinée avec le lanthane, qui a un numéro atomique de 57, sous la rubrique générale des lanthanides. Comme leur nom l’indique, les membres de la série des lanthanides partagent certaines caractéristiques avec le lanthane; d’où le terme collectif « lanthanides. »Ces 15 éléments, ainsi que leurs symboles chimiques, sont:

La plupart d’entre eux sont discutés individuellement dans cet essai.

PROPRIÉTÉS DES LANTHANIDES.

D’apparence brillante et argentée, beaucoup de lanthanides—bien qu’ils soient des métaux—sont si mous qu’ils peuvent être coupés avec un couteau., Le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme et l’europium sont très réactifs. Lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène, ils forment un revêtement d’oxyde. (Un oxyde est un composé formé par le métal avec un oxygène.) Pour éviter ce résultat, qui ternit lemétal, ces cinq lanthanides sont conservés stockés dans de l’huile minérale.

Les tendances réactives des autres lanthanides varient: par exemple, le gadolinium et le lutétium ne s’oxydent pas avant d’avoir été exposés à l’air pendant très longtemps. Néanmoins, les lanthanides ont tendance à être plutôt « capricieux » en tant que classe., S’ils sont contaminés par d’autres métaux, tels que le calcium, ils se corrodent facilement et s’ils sont contaminés par des non-métaux, tels que l’azote ou l’oxygène, ils deviennent fragiles. La contamination modifie également leurs points d’ébullition, qui vont de 1 506,2°F (819°C) pour l’ytterbium à 3 025,4°F (1 663°C) pour le lutétium.

Les lanthanides réagissent rapidement avec l’eau chaude, ou plus lentement avec l’eau froide, pour former de l’hydrogène gazeux. Comme indiqué précédemment, ils sont également très réactifs avec l’oxygène et ils se brûlent facilement dans l’air., Lorsqu’un lanthanide réagit avec un autre élément pour former un composé, il perd généralement trois de ses électrons externes pour former ce que l’on appelle des ions tripositifs, ou des atomes avec une charge électrique de +3. C’est l’ion le plus stable pour les lanthanides, qui développent parfois des ions +2 ou +4 moins stables. Les lanthanides ont tendance à former des composés ioniques, ou des composés contenant des ions positifs ou négatifs, avec d’autres substances—en particulier le fluor.

Sont-Ils Vraiment « Rares »?,

Bien qu’ils aient été autrefois connus comme les métaux des terres rares, les lanthanides ont été ainsi appelés parce que, comme nous le verrons, ils sont difficiles à extraire des composés contenant d’autres substances—y compris d’autres lanthanides. En ce qui concerne la rareté, le plus rare des lanthanides, le thulium, est plus abondant que l’arsenic ou le mercure, et personne ne les considère certainement comme des substances rares. En termes de parties par million (ppm), le thulium a une présence dans la croûte terrestre équivalente à 0,2 ppm. Le plus abondant des lanthanides, le cérium, a une abondance de 46 ppm, supérieure à celle de l’étain.,

Si, en revanche, la rareté ne s’entend pas en termes de rareté, mais en ce qui concerne la difficulté à obtenir un élément sous sa forme pure, alors en effet les lanthanides sont rares. Parce que leurs propriétés sont si similaires, et parce qu’ils sont enclins à se rassembler dans les mêmes substances, l’isolement initial et l’identification des lanthanides était une tâche ardue qui a pris plus d’un siècle. Les progrès ont suivi un schéma commun.,

Tout d’abord, un chimiste a identifié un nouveau lanthanide; puis quelques années plus tard, un autre scientifique est venu et a extrait un autre lanthanide de l’échantillon que le premier chimiste avait cru être un seul élément. De cette façon, les lanthanides ont émergé au fil du temps, chacun de celui qui l’a précédé, un peu comme la matriochka russe ou les poupées « nicheuses ».

EXTRACTION DES LANTHANIDES.

Bien que la plupart des lanthanides aient d’abord été isolés en Scandinavie, on les trouve aujourd’hui sous des latitudes considérablement plus chaudes: Brésil, Inde, Australie, Afrique du Sud et États-Unis., La principale source de lanthanides est la monazite, un sable lourd et sombre dont environ 50% de la masse de lanthanides disponible pour la science et l’industrie a été extraite.

Afin de séparer les lanthanides des autres éléments, ils sont en fait combinés avec d’autres substances—substances ayant une faible solubilité, ou tendance à se dissoudre. Les oxalates et les fluorures sont des substances à faible solubilité favorisées à cet effet. Une fois qu’ils sont séparés des éléments non lanthanides, l’échange d’ions est utilisé pour séparer un élément lanthanide d’un autre.,

Il y a une diminution prononcée des rayons des atomes de lanthanides à mesure qu’ils augmentent en nombre atomique: en d’autres termes, plus le numéro atomique est élevé, plus le rayon est petit. Cette diminution, connue sous le nom de contraction des lanthanides, facilite le processus de séparation par échange d’ions. Les lanthanides sont mélangés dans une solution ionique, puis transmis une longue colonne contenant une résine. Divers ions lanthanides se lient plus ou moins étroitement, en fonction de leur taille relative, avec la résine.

Après cette étape, les lanthanides sont lavés hors de la colonne échangeuse d’ions et dans diverses solutions., Un par un, ils sont complètement séparés, puis mélangés avec de l’acide et chauffés pour former un oxyde. L’oxyde est ensuite converti en fluorure ou chlorure, qui peut ensuite être réduit en forme métallique à l’aide de calcium.

APPLICATIONS RÉELLES

L’approche historique

En étudiant les lanthanides, on peut simplement se déplacer le long du tableau périodique, du lanthane jusqu’au lutétium., Cependant, à la lumière des difficultés liées à l’extraction des lanthanides les uns des autres, une approche selon des lignes historiques aide à comprendre la place unique que chaque lanthanide occupe dans la famille globale.

Les termes « série de lanthanides » ou même « lanthanides » n’ont pas émergé pendant un certain temps—en d’autres termes, les scientifiques ne savaient pas immédiatement qu’ils avaient affaire à tout un groupe de métaux. Comme c’est souvent le cas avec la découverte scientifique, l’isolement des lanthanides a suivi un schéma irrégulier, et ils n’ont pas émergé par ordre de numéro atomique.,

Le cérium a en effet été découvert bien avant le lanthane lui-même, dans la seconde moitié du XVIIIe siècle. Il s’ensuit, quelques décennies plus tard, la découverte d’un minéral appelé ytterite, du nom de la ville d’Ytterby, en Suède, près de laquelle il a été trouvé en 1787. Au cours du siècle suivant, la plupart des lanthanides restants ont été extraits de l’yttérite, et l’homme le plus responsable de cela était le chimiste suédois Carl Gustav Mosander (1797-1858).,

Comme Mosander avait plus à voir avec l’identification des lanthanides qu’avec n’importe quel individu, la partie centrale de cet aperçu historique est consacrée à ses découvertes. La reconnaissance et l’isolement des lanthanides ne se sont pas arrêtés avec Mosander, cependant; par conséquent, un autre groupe de minéraux est discuté dans le contexte de la dernière période de découverte des lanthanides.

Lanthanides précoces

CÉRIUM.

En 1751, le chimiste suédois Axel Crönstedt (1722-1765) a décrit ce qu’il pensait être une nouvelle forme de tungstène, qu’il avait trouvé à la mine de Bastnäs près de Riddarhyttan, en Suède., Plus tard, le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) et le chimiste suédois Wilhelm Hisinger (1766-1852) ont analysé indépendamment le matériau découvert par Crönstedt et ont tous deux conclu qu’il devait s’agir d’un nouvel élément. Il a été nommé cérium en l’honneur de Cérès, un astéroïde entre Mars et Jupiter découvert en 1801. Ce n’est qu’en 1875 que le cérium a été réellement extrait d’un minerai.

Parmi les applications pour le cérium se trouve un alliage appelé misch metal, préparé par fusion des chlorures du cérium, du lanthane, du néodyme et du praséodyme., L’alliage résultant s’enflamme à température ambiante ou inférieure et est souvent utilisé comme « silex » dans un allume-cigare, car il étincelle lorsque le frottement d’une roue métallique est appliqué.

Le cérium est également utilisé dans les pièces de moteurs à réaction, comme catalyseur dans la fabrication de l’ammoniac et comme agent antidétonant dans l’essence-c’est—à-dire un produit chimique qui réduit les bruits de « cognement » parfois produits dans un moteur par des qualités de carburant inférieures. Dans l’oxyde de cérium (IV), ou CeO2, il est utilisé pour extraire la couleur du verre autrefois coloré, et est également appliqué dans l’émail et les revêtements céramiques.

GADOLINIUM.,

En 1794, sept ans après la découverte de l’yttérite, le chimiste finlandais Johan Gadolin (1760-1852) a conclu que l’yttérite contenait un nouvel élément, qui a ensuite été nommé gadolinite en son honneur. Un nom très similaire serait appliqué à un élément extrait de l’yttérite, et les années entre la découverte de Gadolin et l’identification de cet élément ont duré la période de l’activité la plus fructueuse dans l’identification des lanthanides.,

Au cours du siècle suivant, tous les autres lanthanides ont été découverts dans la composition de la gadolinite; puis, en 1880, le chimiste suisse Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) a trouvé un autre élément qui s’y cachait. Le chimiste français Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) a redécouvert le même élément six ans plus tard, et a proposé qu’il soit appelé gadolinium.

De couleur argentée, mais avec une fonte parfois jaunâtre, le gadolinium a une forte tendance à s’oxyder à l’air sec. Parce qu’il est très efficace pour capturer les neutrons, il pourrait être utile dans les réacteurs nucléaires., Cependant, deux de ses sept isotopes sont en si faible abondance qu « il a eu peu d » application nucléaire. Utilisé entre autres dans les phosphores pour les téléviseurs couleur, le gadolinium est prometteur pour les applications ultra high-tech: à très basse température, il devient hautement magnétique et peut fonctionner comme supraconducteur.

Lanthanides de Mosander

LANTHANE.

Entre 1839 et 1848, Mosander a été consommé pour extraire divers lanthanides de l’yttérite, qui était alors connue sous le nom de gadolinite., Quand il a réussi pour la première fois à extraire un élément, il l’a nommé lanthana, ce qui signifie « caché. »Le matériau, finalement appelé lanthane, n’a été préparé sous forme pure qu’en 1923.

Comme un certain nombre d’autres lanthanides, le lanthane est très doux si doux qu’il peut être coupé avec un couteau et argenté de couleur blanche. Parmi les plus réactives des lanthanides, il se décompose rapidement dans l’eau chaude, mais plus lentement dans l’eau froide. Le lanthane réagit également facilement avec l’oxygène et se corrode rapidement dans l’air humide.

Comme pour le cérium, le lanthane est utilisé dans le métal misch., Parce que les composés de lanthane apportent des qualités optiques spéciales dans le verre, il est également utilisé pour la fabrication de lentilles spécialisées. En outre, des composés de lanthane avec du fluor ou de l’oxygène sont utilisés dans la fabrication de lampes à arc au carbone pour l’industrie cinématographique.

SAMARIUM.

En analysant un oxyde formé à partir de lanthanide en 1841, Mosander a décidé qu’il avait un nouvel élément sur ses mains, qu’il a appelé didymium., Quatre décennies plus tard, Boisbaudran a jeté un autre regard sur didynium, et a conclu que ce n’était pas un élément; plutôt, il contenait un élément, qu’il a nommé samarium d’après le minéral samarskite, dans lequel il se trouve. Plus tard encore, Marignac étudiait la samarskite lorsqu’il découvrit ce qui allait être connu sous le nom de gadolinium. Mais l’histoire ne s’arrête pas là: plus tard encore, en 1901, le chimiste français Eugène-Anatole Demarçay (1852-1903) trouve un autre élément, l’europium, dans la samarskite.

Le samarium est aujourd’hui utilisé dans les barres de commande des centrales nucléaires, dans les lampes à arc au carbone, les masers optiques et les lasers., Dans les alliages avec le cobalt, il est utilisé dans la fabrication des électroaimants les plus permanents disponibles. Le Samarium est également utilisée dans la fabrication de verre optique, et comme catalyseur dans la production d’alcool éthylique.

ERBIUM ET TERBIUM.

Pour revenir à Mosander, il examinait l’yttérite en 1843 lorsqu’il a identifié trois « terres » différentes, qu’il a également nommées d’après Ytterby: yttria, erbia et terbia. L’Erbium a été le premier à être extraites., Un échantillon pur de son oxyde a été préparé en 1905 par le chimiste français Georges Urbain (1872-1938) et le chimiste américain Charles James (1880-1928), mais le métal pur lui-même n’a été extrait qu’en 1934.

Doux et malléable, avec une couleur argentée brillante, l’erbium produit des sels (qui sont généralement des combinaisons d’un métal avec un non-métal) qui sont roses et roses, ce qui le rend utile comme agent de teinture. L’un de ses oxydes est utilisé, par exemple, pour teinter le verre et la porcelaine avec une fonte rosée. Il est également appliqué, dans une mesure limitée, dans l’industrie nucléaire.,

Mosander a également identifié un autre élément, le terbium, dans l’yttérite en 1839, et Marignac l’a isolé sous une forme plus pure près d’un demi-siècle plus tard, en 1886. Pour répéter un thème commun, il est gris argenté et assez doux pour être coupé avec un couteau. Lorsqu’il est frappé par un faisceau d’électrons, un composé contenant du terbium émet une couleur verdâtre et est donc utilisé comme phosphore dans les téléviseurs couleur.

Isolement ultérieur des Lanthanides

YTTERBIUM, HOLMIUM ET THULIUM.,

pendant De nombreuses années après Mosander, il y avait peu de progrès dans la découverte de lanthanides, et quand il est venu, c’était sous la forme d’un troisième élément, nommé d’après la ville où tant de lanthanides ont été découverts. En 1878, en analysant ce que Mosander avait appelé erbia, Marignac réalisa qu’il contenait un ou peut-être deux éléments.

Un an plus tard, le chimiste suédois Lars Frederik Nilson (1840-1899) a conclu qu’il contenait bien deux éléments, qui ont été nommés ytterbium et scandium. (Le scandium, de numéro atomique 21, ne fait pas partie de la série des lanthanides.,) Urbain est parfois crédité pour la découverte de l’ytterbium: en 1907, il a montré que les matériaux étudiés par Nilson étaient en fait un mélange de deux oxydes. En tout cas, Urbain a dit quele crédit devrait être accordé à Marignac, qui est la figure la plus importante de l’histoire des lanthanides autre que Mosander. Quant à l’ytterbium, il est très malléable, comme les autres lanthanides, mais n’a aucune application significative dans l’industrie.

Le chimiste suédois Per Teodor Cleve (1840-1905) a découvert en 1879 qu’erbia contenait deux autres éléments, qu’il a nommés holmium et thulium., Thulium fait référence à l’ancien nom de la Scandinavie, Thulé. Plus rare de tous les lanthanides, le thulium est très malléable-et aussi très cher. Par conséquent, il a peu d’applications commerciales.

DYSPROSIUM.

Nommé d’après le mot grec dysprositos, ou « difficile à atteindre », dysprosium a été découvert par Boisbaudran. En séparant l’yttérite en 1886, il a trouvé du gallium (numéro atomique 31—pas un lanthanide), du samarium (discuté ci-dessus) et du dysprosium. Encore une fois, un minéral extrait de l’yttérite avait été nommé d’après un élément précédemment découvert, et, encore une fois, il s’est avéré contenir plusieurs éléments., La substance en question cette fois était l’holmium, qui, comme Boisbaudran a découvert, était en fait un mélange complexe de terbium, erbium, holmium, et l’élément qu’il avait identifié comme dysprosium. Un échantillon pur n’a été obtenu qu’en 1950.

Parce que le dysprosium a une forte affinité pour les neutrons, il est parfois utilisé dans les barres de contrôle des réacteurs nucléaires, « absorbant » les neutrons plutôt qu’une éponge absorbe l’eau. Doux, avec une couleur argentée brillante comme d’autres lanthanides, le dysprosium est également appliqué dans les lasers, mais sinon il a peu d’utilisations.

EUROPIUM ET LUTÉTIUM.,

Alors que de nombreux autres lanthanides sont nommés pour des régions d’Europe du nord, le nom d’europium fait référence au continent européen dans son ensemble, et celui de lutetium est une référence à l’ancien nom romain de Paris. Comme mentionné précédemment, Demarçay a trouvé de l’europium dans la samarskite, une découverte qu’il a faite en 1901. En fait, Boisbaudran avait remarqué ce qui semblait être un élément nouveau environ une décennie auparavant, mais il ne l’a pas poursuivi, et le mérite en revient donc à son compatriote.

Le plus réactif des lanthanides, l’europium réagit à la fois à l’eau froide et à l’air., De plus, il est capable de prendre feu spontanément. Parmi les éléments les plus efficaces pour la capture des neutrons, il est appliqué dans les systèmes de contrôle des réacteurs nucléaires. En outre, ses composés sont utilisés dans la fabrication de phosphores pour les téléviseurs: un de ces composés, par exemple, émet une lueur rougeâtre. Encore un autre composé d’europium est ajouté à la colle sur les timbres-poste, rendant possible la numérisation électronique des timbres.

Urbain, qui a découvert le lutétium, nommé d’après sa ville natale., James a également identifié une forme du lanthanide, mais n’a annoncé sa découverte que beaucoup plus tard. À l’exception de certaines utilisations à un catalyseur dans la production de pétrole, le lutétium a peu d’applications industrielles.

OÙ EN SAVOIR PLUS

Cotton, Simon. Lanthanides et Actinides. New York: Oxford University Press, 1991.

Heiserman, David L. Explorer les Éléments Chimiques et Leurs Composés. Blue Ridge Summit, PA: Onglet Livres, 1992.

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Stwertka, Albert. Un guide des éléments. New York: Oxford University Press, 1996.

Whyman, Kathryn. Les métaux et les Alliages. Illustré par Louise Nevett et Simon Bishop. New York: Gloucester Press, 1988.

TERMES CLÉS

ALLIAGE:

Un mélange de deux métaux ou plus.

NUMÉRO ATOMIQUE:

Nombre de protons dans le noyau d’un atome., Comme ce nombre est différent pour chaque élément, les éléments sont répertoriés dans le tableau périodique des éléments par ordre de numéro atomique.

ION:

Un atome ou des atomes qui ont perdu ou gagné un ou plusieurs électrons, et ont donc une charge électrique nette.

CONTRACTION DES LANTHANIDES:

Diminution progressive du rayon des atomes de lanthanides à mesure qu’ils augmentent en nombre atomique.