Lantanid sorozat

koncepció

az elemek periódusos táblázatának alján, a diagram fő testétől elválasztva, két sor, amelyek közül az első a lantanidokat képviseli. A lantanumból és a lantanid-sorozat 14 eleméből álló lantanidokat egykor “ritkaföldfémeknek” nevezték. Valójában nem különösebben ritkák: sokan annyira bőségesen jelennek meg, mint az ismertebb elemek, például a higany., Ezeket azonban nehéz kivonni, olyan tulajdonság, amely meghatározza őket, mint ezüstös színük; néha magas reaktivitás; és a szennyeződésre való érzékenység. Bár néhány lantanidnak korlátozott felhasználása van, ennek a csoportnak a tagjai mindenben megtalálhatók a cigarettagyújtóktól a TV-képernyőkig, a színes üvegtől az atomreaktorokban lévő vezérlő rudakig.

HOGYAN MŰKÖDIK

Meghatározó a Lantanidák

Az anyag jelentősen sorozat áll a 14 elemek atomi számok 58 keresztül 71, hogy kövesse lantán a periódusos rendszerben., Ezek a 14, valamint az aktinidok-atomi számok 90-103-félre a periódusos miatt hasonlóságok tulajdonságok, amelyek meghatározzák az egyes csoportok.

konkrétan a lantanidok és aktinidok az egyetlen elemek, amelyek kitöltik az f-orbitákat. A lantanidok és aktinidok valójában az átmeneti fémek néven ismert nagyobb család “ágai”. Ez utóbbi a periódusos rendszer IUPAC verziójában a 3-12. csoportban jelenik meg, bár az észak-amerikai változatban nincsenek számozva.,

a lantanid sorozatot általában lantanummal kombinálják, amelynek atomszáma 57, a lantanidok általános címe alatt. Ahogy a nevük is jelzi, a lantanid sorozat tagjai bizonyos jellemzőket osztanak meg a lantanummal; ezért a “lantanides” kollektív kifejezés.”Ez a 15 elem a kémiai szimbólumokkal együtt a következő:

Ezek nagy részét külön-külön tárgyaljuk ebben az esszében.

lantanidok tulajdonságai.

fényes és ezüstös megjelenésű, sok lantanid-bár fémek-olyan puha, hogy késsel is lehet vágni., A lantán, a cérium, a prazeodímium, a neodímium és az europium nagyon reakcióképes. Ha oxigénnek vannak kitéve, oxid bevonatot képeznek. (Az oxid egy oxigénnel rendelkező fém által alkotott vegyület.) Ennek az eredménynek a megakadályozása érdekében, amely elhomályosítja őketfém, ezt az öt lantanidot ásványi olajban tárolják.

a többi lantanid reaktív hajlamai eltérőek: például a gadolínium és a lutécium addig nem oxidálódik, amíg nagyon hosszú ideig ki nem vannak téve a levegőnek. Ennek ellenére a lantanidok inkább “temperamentumosak”, mint osztály., Ha más fémekkel, például kalciummal szennyezettek, könnyen korrodálnak, és ha nemfémekkel, például nitrogénnel vagy oxigénnel szennyezettek, törékennyé válnak. A szennyeződés megváltoztatja forráspontjaikat is, amelyek az ytterbium esetében 1,506, 2°F (819°C) – től 3,025, 4°F (1,663°C) – ig terjednek lutécium esetében.

a lantanidok gyorsan reagálnak forró vízzel, vagy lassabban hideg vízzel, hogy hidrogéngázt képezzenek. Mint korábban említettük, ők is elég reakcióképes oxigénnel, és azt tapasztalják, égés könnyen a levegőben., Amikor egy lantanid egy másik elemmel reagál, hogy vegyületet képezzen, általában elveszíti három külső elektronját, hogy úgynevezett tripozitív ionokat vagy +3 elektromos töltésű atomokat képezzen. Ez a legstabilabb ion a lantanidok számára,amelyek néha kevésbé stabilak +2 vagy +4 ionok. A lantanidok általában ionos vegyületeket vagy pozitív vagy negatív ionokat tartalmazó vegyületeket képeznek más anyagokkal-különösen fluorral.

valóban “ritkák”?,

bár egykor ritkaföldfémeknek nevezték őket, a lantanidokat annyira nevezték, mert, amint látni fogjuk, nehéz kivonni más anyagokat tartalmazó vegyületekből—beleértve más lantanidokat is. Ami a ritkaságot illeti, a lantanidok, a thulium szűkösebb, mint az arzén vagy a higany, és természetesen senki sem gondol azokra, mint ritka anyagokra. Ami a részek millió (ppm), a thulium jelenléte a földkéregben egyenértékű 0,2 ppm. A lantanidok közül a legtöbb bőséges, cérium, bősége 46 ppm, nagyobb, mint az óné.,

ha viszont a ritkaságot nem a szűkösség, hanem a tiszta formában lévő elem megszerzésének nehézségei miatt értjük, akkor valójában a lantanidok ritkák. Mivel tulajdonságaik annyira hasonlóak, és mivel hajlamosak ugyanabba az anyagba tömörülni, a lantanidok eredeti elkülönítése és azonosítása nehéz feladat volt, amely több mint egy évszázadot vett igénybe. Az előrehaladás közös mintát követett.,

először egy kémikus azonosított egy új lantanidot; majd néhány évvel később egy másik tudós jött, és kivett egy másik lantanidot a mintából, amelyről az első kémikus azt hitte, hogy egyetlen elem. Ily módon a lantanidok idővel megjelentek, mindegyik az előtte lévőből, inkább az orosz matryoshka vagy a “fészkelő” babák.

lantanidok kinyerése.

bár a lantánidák nagy részét először Skandináviában izolálták, ma jóval melegebb szélességeken találhatók: Brazíliában, Indiában, Ausztráliában, Dél-Afrikában és az Egyesült Államokban., A lantanidok fő forrása a monazit, egy nehéz, sötét homok, amelyből a tudomány és az ipar számára elérhető lantanid tömeg mintegy 50% – át nyerték ki.

annak érdekében, hogy elkülönítsék a lantanidokat más elemektől, valójában más anyagokkal—alacsony oldhatóságú vagy oldódási hajlamú anyagokkal kombinálják őket. Az oxalátok és a fluoridok alacsony oldhatóságú anyagok. Miután elválasztották őket a nem lantanid elemektől, az ioncserét az egyik lantanid elem elválasztására használják a másiktól.,

a lantanid atomok sugara jelentősen csökken, mivel az atomszámban növekszik: más szóval, minél nagyobb az atomszám, annál kisebb a sugár. Ez a csökkenés, az úgynevezett lantanid-összehúzódás, segíti az ioncserével történő elválasztás folyamatát. A lantanidokat Ionos oldatban összekeverjük, majd egy gyantát tartalmazó hosszú oszlopot továbbítunk. Különböző lantanid ionok többé-kevésbé szorosan kötődnek egymáshoz, relatív méretüktől függően, a gyantával.

e lépés után a lantanidokat kimossák az ioncserélő oszlopból és különböző oldatokba., Egyesével teljesen elkülönülnek egymástól, majd savval összekeverik és oxiddá melegítik őket. Az oxidot ezután fluoridra vagy kloridra alakítják át, amelyet kalcium segítségével fémes formára lehet csökkenteni.

valós alkalmazások

A történelmi megközelítés

a lantanidok tanulmányozása során egyszerűen mozoghat a Periódusos táblázat mentén, lantánumtól egészen lutéciumig., Tekintettel azonban a nehézségek kitermelése a lantanidák, egy másik megközelítés mentén történelmi vonalak segíti a megértést, az egyedülálló hely, ahol minden anyag jelentősen foglal el a teljes családjával.

a “lantanid sorozat” vagy akár a “lantanidok” kifejezések egy ideig nem jelentek meg—más szóval, a tudósok nem tudták azonnal, hogy egy egész fémcsoporttal foglalkoznak. Mint a tudományos felfedezéseknél gyakran előfordul, a lantanidok izolálása szabálytalan mintát követett, és nem az atomszám sorrendjében alakultak ki.,

A Cériumot valójában jóval maga a lantanum előtt fedezték fel, a tizennyolcadik század második felében. Néhány évtizeddel később egy ytterite nevű ásvány felfedezése következett, amelyet a svédországi Ytterby városáról neveztek el, amelyhez 1787-ben találtak. A következő században a fennmaradó lantanidok nagy részét ytteritből nyerték ki, ezért a leginkább felelős ember Carl Gustav Mosander svéd kémikus (1797-1858) volt.,

mivel Mosandernek több köze volt a lantanidok azonosításához, mint bármelyik egyénnek, ennek a történelmi áttekintésnek a középső részét megállapításainak szentelik. A lantanidok felismerése és izolálása azonban nem állt meg Mosanderrel, ezért a lantanid felfedezésének ez utóbbi időszakával összefüggésben az ásványok egy csoportját tárgyalják.

korai lantanidok

cérium.

1751-ben Axel Crönstedt svéd kémikus (1722-1765) leírta, hogy mit gondol a volfrám új formájáról, amelyet a svédországi Riddarhytan közelében található Bastnäs bányában talált., Később Martin Heinrich Klaproth német kémikus (1743-1817) és Wilhelm Hisinger svéd kémikus (1766-1852) önállóan elemezték a Crönstedt által felfedezett anyagot, és mindketten arra a következtetésre jutottak, hogy ennek új elemnek kell lennie. 1801-ben fedezték fel a Mars és a Jupiter közötti kisbolygó, a Ceres tiszteletére. Csak 1875-ben volt cérium ténylegesen kivont egy érc.

a cérium alkalmazásai között szerepel a cérium, a lantán, a neodímium és a prazeodímium kloridjainak összeolvasztásával készített misch metal nevű ötvözet., A kapott ötvözet szobahőmérsékleten vagy alatt meggyullad, gyakran használják” kovakő ” – ként egy szivargyújtóban, mert szikrázik, amikor egy fémkerékből súrlódást alkalmaznak.

A Cériumot a sugárhajtású motor alkatrészeiben is használják, katalizátorként az ammónia előállításában, valamint kopogásgátló szerként a benzinben—vagyis olyan vegyi anyagként, amely csökkenti a motorban néha alacsonyabb üzemanyag-fokozatokkal előállított “Kopogtató” hangokat. A cérium (IV) – oxidban vagy a CeO2-ben a szín kivonására használják a korábban színes üvegből, valamint zománcozott és kerámia bevonatokban is alkalmazzák.

gadolínium.,

1794-ben, hét évvel az ytterite felfedezése után, Johan Gadolin Finn kémikus (1760-1852) arra a következtetésre jutott, hogy az ytterit Új elemet tartalmaz, amelyet később gadolinitnak neveztek. Nagyon hasonló nevet alkalmaznának az ytteritből kivont elemre, és a Gadolin felfedezése és ezen elem azonosítása közötti évek a lantanid azonosítás legtermékenyebb tevékenységének időszakát ölelték fel.,

a következő évszázadban az összes többi lantanidot a gadolinit összetételében fedezték fel; majd 1880-ban Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) svájci kémikus újabb elemet talált benne. Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) francia kémikus hat évvel később újra felfedezte ugyanazt az elemet, és azt javasolta, hogy gadoliniumnak hívják.

ezüstös színű, de néha sárgás öntettel a gadolínium nagy hajlamos oxidálódni száraz levegőben. Mivel rendkívül hatékony a neutronok befogására, hasznos lehet az atomreaktorokban., Hét izotópja közül kettő azonban olyan alacsony bőségben van, hogy kevés nukleáris alkalmazása volt. A színes televíziókészülékekhez használt foszforokban többek között a gadolínium ígéreteket mutat az ultra hightech alkalmazásokhoz: nagyon alacsony hőmérsékleten nagyon mágnesessé válik, szupravezetőként működhet.

Mosander ‘ s Lantanides

LANTANUM.

1839 és 1848 között Mosandert különféle lantanidok kivonásával fogyasztották az ytteritből, amelyek addigra gadolinit néven ismertek., Amikor először sikerült kinyernie egy elemet, lanthana-nak nevezte, ami azt jelenti: “rejtett.”Az anyagot, amelyet végül lantánumnak neveztek, 1923-ig nem készítették tiszta formában.

mint számos más lantanid, a lantán nagyon puha – olyan puha, hogy késsel vágható-ezüstös-fehér színű. A lantanidok közül a legreaktívabb gyorsan bomlik forró vízben, de lassabban hideg vízben. A lantán könnyen reagál az oxigénnel, nedves levegőn gyorsan korrodálódik.

mint a cérium esetében, a lantánumot misch fémben használják., Mivel a lantánvegyületek különleges optikai tulajdonságokat hoznak létre az üvegben, speciális lencsék gyártására is használják. Ezenkívül a lantán fluorral vagy oxigénnel alkotott vegyületeit szén-íves lámpák készítéséhez használják a mozgóképipar számára.

szamárium.

1841-ben a lantanidból képződött oxid elemzése során Mosander úgy döntött, hogy új eleme van a kezében, amelyet didímiumnak nevezett., Négy évtizeddel később Boisbaudran újabb pillantást vetett didiniumra, és arra a következtetésre jutott, hogy ez nem elem; inkább tartalmazott egy elemet, amelyet samariumnak nevezett az ásványi samarskite után, amelyben megtalálható. Még később, Marignac samarskite-t tanulmányozta, amikor felfedezte, hogy mi gadolinium néven ismert. De a történet ezzel nem ért véget: még később, 1901-ben Eugéne-Anatole Demarçay (1852-1903) francia kémikus újabb elemet, az europiumot talált samarskite-ban.

A Szamáriumot ma atomerőművi vezérlőrudakban, szén-íves lámpákban, valamint inoptikai maserákban és lézerekben alkalmazzák., A kobaltötvözetekben a rendelkezésre álló legtartósabb elektromágnesek gyártásához használják. A szamáriumot optikai üveg gyártásában, katalizátorként használják az etil-alkohol előállításában is.

ERBIUM és TERBIUM.

ahhoz, hogy visszatérjen Mosanderbe, 1843-ban megvizsgálta az ytteritet, amikor három különböző “földet” azonosított, amelyek mindegyikét Ytterbyről is elnevezte: yttria, erbia és terbia. Az Erbium volt az első, amelyet kivontak., Oxidjának tiszta mintáját 1905-ben Georges Urbain (1872-1938) francia kémikus és Charles James (1880-1928) amerikai kémikus készítette, de a tiszta fémet csak 1934-ben vonták ki.

Puha és formázható, fényes ezüstös színű, erbium sókat termel (amelyek általában nemfémes Fémek kombinációi), amelyek rózsaszínűek és rózsásak, így színezőanyagként hasznosak. Az egyik oxidja például az üveg és a porcelán rózsaszínű öntettel való színezésére szolgál. Ezt korlátozott mértékben alkalmazzák az atomenergia-iparban is.,

Mosander egy másik elemet, a terbiumot is azonosította az ytteritben 1839-ben, Marignac pedig tisztább formában izolálta közel fél évszázaddal később, 1886-ban. A közös téma megismétléséhez ezüstös-szürke, elég puha ahhoz, hogy késsel lehessen vágni. Ha egy elektronsugár ütközik, a terbiumot tartalmazó vegyület zöldes színt bocsát ki, így színes televíziókban foszforként használják.

lantanidok későbbi izolálása

YTTERBIUM, HOLMIUM és THULIUM.,

sok éven át Mosander után kevés előrelépés történt a lantanidok felfedezésében, és amikor jött, egy harmadik elem formájában volt, amelyet a városról neveztek el, ahol oly sok lantanidot fedeztek fel. 1878-ban, miközben elemezte, amit Mosander erbiának nevezett, Marignac rájött, hogy egy vagy esetleg két elemet tartalmaz.

egy évvel később Lars Frederik Nilson svéd kémikus (1840-1899) arra a következtetésre jutott, hogy valóban két elemet tartalmazott, amelyeket ytterbiumnak és scandiumnak neveztek. (A Scandium, amelynek atomszáma 21, nem része a lantanid sorozatnak.,) Urbain-t néha az ytterbium felfedezésének tulajdonítják: 1907-ben megmutatta, hogy a Nilson által vizsgált anyagok valójában két oxid keveréke. Mindenesetre Urbain ezt mondtaA hitelt Marignacnak kell adni, aki a Mosander kivételével a lantanidok történetének legfontosabb alakja. Ami az ytterbiumot illeti, nagyon képlékeny, mint más lantanidok, de nincs jelentős alkalmazása az iparban.

svéd kémikus per Teodor Cleve (1840-1905) 1879-ben megállapította, hogy erbia még két elemet tartalmaz, amelyeket holmiumnak és thuliumnak nevezett., A Thulium Skandinávia ősi nevére, Thule-ra utal. Legritkább az összes lantanidok, a thulium nagyon képlékeny—valamint nagyon drága. Ezért kevés kereskedelmi alkalmazása van.

DYSPROSIUM.

a görög dysprositos, vagy “nehéz eljutni” szóból nevezték el, a dysprosiumot Boisbaudran fedezte fel. 1886-ban elválasztva az ytteritet, megtalálta a galliumot (atomi szám 31—nem lantanid); szamárium (fent tárgyalt); és dysprosium. Ismét egy ytteritből kivont ásványt neveztek el egy korábban felfedezett elemről, és ismét kiderült, hogy több elemet is tartalmaz., A szóban forgó anyag ezúttal a holmium volt, amely-amint Boisbaudran felfedezte-valójában a terbium, az erbium, a holmium és az általa diszpróziumként azonosított elem komplex keveréke. Tiszta mintát csak 1950-ben kaptunk.

mivel a dysprosium nagy affinitással rendelkezik a neutronok iránt, néha az atomreaktorok vezérlőrudaiban használják,” felszívva ” a neutronokat, mint egy szivacs felszívja a vizet. Puha, fényes ezüst színű, mint más lantanidok, a dysprosiumot lézerekben is alkalmazzák, de egyébként kevés felhasználása van.

EUROPIUM és lutécium.,

míg sok más lantánidát Észak-Európa régióinak neveznek, az europium neve az európai kontinens egészére utal, a lutécium pedig Párizs régi római nevére utal. Mint korábban említettük, Demarçay megtalálta az europiumot a samarskite-ban, egy felfedezést, amelyet 1901-ben tett. Valójában Boisbaudran észrevette, hogy mi tűnt új elemnek körülbelül egy évtizeddel korábban, de nem folytatta, így a hitel a honfitársa felé megy.

a lantanidok közül a legtöbb reakcióképes, az europium mind a hideg vízre, mind a levegőre reagál., Ezenkívül spontán módon képes tüzet fogni. A neutronok befogásának leghatékonyabb elemei közé tartozik az atomreaktorok vezérlőrendszereiben. Ezenkívül vegyületeit a tévékészülékek foszforjainak gyártásában is felhasználják: az egyik ilyen vegyület például vöröses fényt bocsát ki. Még egy europium vegyületet adnak a postai bélyegek ragasztásához, lehetővé téve a bélyegek elektronikus szkennelését.

Urbain, aki felfedezte a lutéciumot, szülővárosáról nevezte el., James azonosította a lantanid formáját is, de csak sokkal később jelentette be felfedezését. Kivéve néhány felhasználás katalizátor a kőolaj-termelés, lutécium kevés ipari alkalmazások.

hol lehet többet megtudni

Cotton, Simon. Lantanidok és aktinidok. New York: Oxford University Press, 1991.

Heiserman, David L. Blue Ridge Summit, PA: Tab Books, 1992.

“lumineszcens lantanidok” (weboldal). <; (2001.május 16.).

Snedden, Robert. Anyagok., Des Plaines, IL: Heinemann Könyvtár, 1999.

Oxlade, Chris. Fém. Chicago: Heinemann Könyvtár, 2001.

Stwertka, Albert. Útmutató az elemekhez. New York: Oxford University Press, 1996.

Whyman, Kathryn. Fémek és ötvözetek. Illusztrátor: Louise Nevett és Simon Bishop. New York: Gloucester Press, 1988.

főbb kifejezések

ötvözet:

két vagy több fém keveréke.

atomszám:

a protonok száma egy atom magjában., Mivel ez a szám minden egyes elemnél eltérő, az elemek az elemek periódusos táblázatában szerepelnek az atomszám sorrendjében.

ION:

olyan atom vagy atomok, amelyek elvesztettek vagy megszereztek egy vagy több elektronot, és így nettó elektromos töltéssel rendelkeznek.

lantanid összehúzódás:

a lantanid atomok sugárának fokozatos csökkenése, mivel ezek atomicnumberben növekednek.