Serie di lantanidi

CONCETTO

Lungo la parte inferiore della tavola periodica degli elementi, separata dal corpo principale del grafico, sono due righe, la prima delle quali rappresenta i lantanidi. Composto da lantanio e i 14 elementi della serie dei lantanidi, i lantanidi erano una volta chiamati metalli “terre rare”. In realtà, non sono particolarmente rari: molti di loro appaiono in abbondanza quanto elementi più familiari come il mercurio., Sono, tuttavia, difficili da estrarre, una caratteristica che li definisce tanto quanto il loro colore argenteo; a volte alti livelli di reattività; e sensibilità alla contaminazione. Anche se alcuni lantanidi hanno usi limitati, i membri di questo gruppo si trovano in tutto, dagli accendini agli schermi televisivi, e dal vetro colorato alle barre di controllo nei reattori nucleari.

COME FUNZIONA

Definizione dei Lantanidi

La serie dei lantanidi consiste dei 14 elementi, con numeri atomici da 58 a 71, che seguono il lantanio sulla tavola periodica degli elementi., Questi 14, insieme agli attinidi – numeri atomici da 90 a 103-sono messi da parte dalla tavola periodica a causa delle somiglianze nelle proprietà che definiscono ciascun gruppo.

In particolare, i lantanidi e gli attinidi sono gli unici elementi che riempiono gli f-orbitali. I lantanidi e gli attinidi sono in realtà “rami” della famiglia più ampia nota come metalli di transizione. Questi ultimi appaiono nei gruppi da 3 a 12 nella versione IUPAC della tavola periodica, anche se non sono numerati nella versione nordamericana.,

La serie di lantanidi è solitamente combinata con il lantanio, che ha un numero atomico di 57, sotto l’intestazione generale dei lantanidi. Come indica il loro nome, i membri della serie di lantanidi condividono alcune caratteristiche con il lantanio; da qui il termine collettivo “lantanidi.”Questi 15 elementi, insieme ai loro simboli chimici, sono:

La maggior parte di questi sono discussi individualmente in questo saggio.

PROPRIETÀ DEI LANTANIDI.

Luminoso e argenteo in apparenza, molti dei lantanidi—anche se sono metalli—sono così morbidi che possono essere tagliati con un coltello., Lantanio, cerio, praseodimio, neodimio ed europio sono altamente reattivi. Quando esposti all’ossigeno, formano un rivestimento di ossido. (Un ossido è un composto formato da metallo con un ossigeno.) Per evitare questo risultato, che offusca themetal, questi cinque lantanidi sono tenuti conservati in olio minerale.

Le tendenze reattive degli altri lantanidi variano: ad esempio, gadolinio e lutezio non si ossidano fino a quando non sono stati esposti all’aria per un tempo molto lungo. Tuttavia, i lantanidi tendono ad essere piuttosto “temperamentali” come classe., Se contaminati con altri metalli, come il calcio, si corrodono facilmente e se contaminati con non metalli, come azoto o ossigeno, diventano fragili. La contaminazione altera anche i loro punti di ebollizione, che vanno da 1.506, 2°F (819°C) per l’itterbio a 3.025, 4°F (1.663°C) per il lutezio.

I lantanidi reagiscono rapidamente con acqua calda, o più lentamente con acqua fredda, per formare idrogeno gassoso. Come notato in precedenza, sono anche abbastanza reattivi con l’ossigeno e sperimentano facilmente la combustione nell’aria., Quando un lantanide reagisce con un altro elemento per formare un composto, di solito perde tre dei suoi elettroni esterni per formare quelli che vengono chiamati ioni tripositivi, o atomi con una carica elettrica di +3. Questo è lo ion più stabile per i lantanidi, che a volte sviluppano ioni meno stabili +2 o +4. I lantanidi tendono a formare composti ionici o composti contenenti ioni positivi o negativi, con altre sostanze, in particolare il fluoro.

Sono davvero “Rari”?,

Sebbene una volta fossero conosciuti come i metalli delle terre rare, i lantanidi erano così chiamati perché, come vedremo, sono difficili da estrarre da composti contenenti altre sostanze, inclusi altri lantanidi. Per quanto riguarda la rarità, il più scarso dei lantanidi, il tulio, è più abbondante dell’arsenico o del mercurio, e certamente nessuno pensa a quelli come sostanze rare. In termini di parti per milione (ppm), il tulio ha una presenza nella crosta terrestre equivalente a 0,2 ppm. Il più abbondante dei lantanidi, il cerio, ha un’abbondanza di 46 ppm, maggiore di quella dello stagno.,

Se, d’altra parte, la rarità non è intesa in termini di scarsità, ma per quanto riguarda la difficoltà nell’ottenere un elemento nella sua forma pura, allora i lantanidi sono davvero rari. Poiché le loro proprietà sono così simili e perché sono inclini a riunirsi nelle stesse sostanze, l’isolamento e l’identificazione originali dei lantanidi è stato un compito arduo che ha richiesto ben più di un secolo. I progressi hanno seguito uno schema comune.,

In primo luogo, un chimico ha identificato un nuovo lantanide; poi alcuni anni più successivamente, un altro scienziato è arrivato ed ha estratto un altro lantanide dal campione che il primo chimico aveva creduto per essere un singolo elemento. In questo modo, i lantanidi emersero nel tempo, ciascuno da quello precedente, piuttosto come matrioska russa o bambole “nidificanti”.

ESTRAZIONE DEI LANTANIDI.

Sebbene la maggior parte dei lantanidi siano stati isolati per la prima volta in Scandinavia, oggi si trovano in latitudini considerevolmente più calde: Brasile, India, Australia, Sud Africa e Stati Uniti., La principale fonte di lantanidi è la monazite, una sabbia pesante e scura da cui è stato estratto circa il 50% della massa di lantanidi disponibile per la scienza e l’industria.

Al fine di separare i lantanidi da altri elementi, sono effettivamente combinati con altre sostanze—sostanze che hanno una bassa solubilità o tendenza a dissolversi. Ossalati e fluoruri sono sostanze a bassa solubilità favorite per questo scopo. Una volta separati da elementi non lantanidici, lo scambio ionico viene utilizzato per separare un elemento lantanidico da un altro.,

C’è una marcata diminuzione dei raggi degli atomi di lantanidi mentre aumentano di numero atomico: in altre parole, maggiore è il numero atomico, minore è il raggio. Questa diminuzione, nota come contrazione dei lantanidi, aiuta nel processo di separazione per scambio ionico. I lantanidi sono mescolati in una soluzione ionica, poi tramandata una lunga colonna contenente una resina. Vari ioni di lantanidi si legano più o meno strettamente, a seconda delle loro dimensioni relative, con la resina.

Dopo questo passaggio, i lantanidi vengono lavati dalla colonna di scambio ionico e in varie soluzioni., Uno per uno, diventano completamente separati e vengono quindi mescolati con acido e riscaldati per formare un ossido. L’ossido viene quindi convertito in fluoruro o cloruro, che può quindi essere ridotto in forma metallica con l’aiuto del calcio.

APPLICAZIONI REALI

L’approccio storico

Nello studio dei lantanidi, si può semplicemente spostarsi lungo la tavola periodica, dal lantanio fino al lutezio., Tuttavia, alla luce delle difficoltà legate all’estrazione dei lantanidi, l’uno dall’altro, un approccio lungo linee storiche aiuta a comprendere il posto unico che ogni lantanide occupa nella famiglia complessiva.

I termini “serie di lantanidi” o anche “lantanidi” non sono emersi per qualche tempo—in altre parole, gli scienziati non hanno immediatamente saputo di avere a che fare con un intero gruppo di metalli. Come spesso accade con la scoperta scientifica, l’isolamento dei lantanidi ha seguito uno schema irregolare e non è emerso in ordine di numero atomico.,

Il Cerio fu infatti scoperto molto prima del lantanio stesso, nella seconda metà del XVIII secolo. Seguì, pochi decenni dopo, la scoperta di un minerale chiamato ytterite, dal nome della città di Ytterby, in Svezia, vicino alla quale fu trovato nel 1787. Durante il secolo successivo, la maggior parte dei restanti lantanidi furono estratti dall’itterite, e l’uomo più responsabile di ciò fu il chimico svedese Carl Gustav Mosander (1797-1858).,

Poiché Mosander aveva più a che fare con l’identificazione dei lantanidi di qualsiasi individuo, la parte centrale di questa panoramica storica è dedicata alle sue scoperte. Il riconoscimento e l’isolamento dei lantanidi non si sono fermati a Mosander, tuttavia; quindi un altrogruppo di minerali è discusso nel contesto dell’ultimo periodo di scoperta dei lantanidi.

Lantanidi precoci

CERIO.

Nel 1751, il chimico svedese Axel Crönstedt (1722-1765) descrisse quella che pensava fosse una nuova forma di tungsteno, che aveva trovato nella miniera di Bastnäs vicino a Riddarhyttan, in Svezia., Più tardi, il chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) e il chimico svedese Wilhelm Hisinger (1766-1852) analizzarono indipendentemente il materiale che Crönstedt aveva scoperto, ed entrambi conclusero che questo doveva essere un nuovo elemento. Fu chiamato cerio in onore di Cerere, un asteroide tra Marte e Giove scoperto nel 1801. Solo nel 1875 il cerio veniva effettivamente estratto da un minerale.

Tra le applicazioni per il cerio c’è una lega chiamata misch metal, preparata fondendo i cloruri di cerio, lantanio, neodimio e praseodimio., La lega risultante si accende a temperatura ambiente o inferiore ed è spesso usata come “selce” in un accendino, perché scintille quando viene applicato l’attrito da una ruota metallica.

Il cerio è anche usato nelle parti del motore a reazione, come catalizzatore nella produzione di ammoniaca e come agente antidetonante nella benzina, cioè una sostanza chimica che riduce i suoni “bussanti” a volte prodotti in un motore da gradi inferiori di carburante. Nell’ossido di cerio (IV), o CeO2, viene utilizzato per estrarre il colore dal vetro precedentemente colorato e viene applicato anche in smalto e rivestimenti ceramici.

GADOLINIO.,

Nel 1794, sette anni dopo la scoperta dell’itterite, il chimico finlandese Johan Gadolin (1760-1852) concluse che l’itterite conteneva un nuovo elemento, che in seguito fu chiamato gadolinite in suo onore. Un nome molto simile sarebbe stato applicato a un elemento estratto dall’itterite, e gli anni tra la scoperta di Gadolin e l’identificazione di questo elemento hanno attraversato il periodo dell’attività più fruttuosa nell’identificazione dei lantanidi.,

Nel corso del secolo successivo, tutti gli altri lantanidi furono scoperti all’interno della composizione della gadolinite; poi, nel 1880, il chimico svizzero Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) trovò un altro elemento nascosto in esso. Il chimico francese Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) riscoprì lo stesso elemento sei anni dopo e propose di chiamarlo gadolinio.

Di colore argenteo, ma con un cast a volte giallastro, il gadolinio ha un’alta tendenza ad ossidarsi nell’aria secca. Poiché è altamente efficiente per catturare i neutroni, potrebbe essere utile nei reattori nucleari., Tuttavia, due dei suoi sette isotopi sono in tale bassa abbondanza che ha avuto poca applicazione nucleare. Utilizzato nei fosfori per televisori a colori, tra le altre cose, gadolinio mostra qualche promessa per applicazioni ultra hightech: a temperature molto basse diventa altamente magnetico, e può funzionare come un superconduttore.

Lantanidi di Mosander

LANTANIO.

Tra il 1839 e il 1848, Mosander fu consumato con l’estrazione di vari lantanidi dall’itterite, che da allora era diventata nota come gadolinite., Quando riuscì per la prima volta a estrarre un elemento, lo chiamò lanthana, che significa ” nascosto.”Il materiale, alla fine indicato come lantanio, non fu preparato in forma pura fino al 1923.

Come un certo numero di altri lantanidi, il lantanio è molto morbido—così morbido che può essere tagliato con un coltello—e di colore bianco argenteo. Tra i più reattivi dei lantanidi, si decompone rapidamente in acqua calda, ma più lentamente in acqua fredda. Anche il lantanio reagisce prontamente con l’ossigeno e si corrode rapidamente nell’aria umida.

Come con il cerio, il lantanio è usato nel metallo misch., Poiché i composti del lantanio producono speciali qualità ottiche nel vetro, è stato utilizzato anche per la produzione di lenti specializzate. Inoltre, i composti di lantanio con fluoro o ossigeno vengono utilizzati nella produzione di lampade ad arco di carbonio per l’industria cinematografica.

SAMARIO.

Mentre analizzava un ossido formato dal lantanide nel 1841, Mosander decise di avere un nuovo elemento sulle sue mani, che chiamò didimio., Quattro decenni dopo, Boisbaudran diede un’altra occhiata al didinio e concluse che non era un elemento; piuttosto, conteneva un elemento, che chiamò samario dopo il minerale samarskite, in cui si trova. Ancora più tardi, Marignac stava studiando la samarskite quando scoprì quello che divenne noto come gadolinio. Ma la storia non finì qui: ancora più tardi, nel 1901, il chimico francese Eugéne-Anatole Demarçay (1852-1903) trovò un altro elemento, l’europio, nella samarskite.

Il samario è oggi applicato nelle barre di controllo delle centrali nucleari, nelle lampade ad arco di carbonio e nei maser e nei laser inottici., Nelle leghe con cobalto, viene utilizzato nella produzione degli elettromagneti più permanenti disponibili. Il samario è anche utilizzato nella produzione di vetro ottico e come catalizzatore nella produzione di alcol etilico.

ERBIO E TERBIO.

Per tornare a Mosander, stava esaminando l’itterite nel 1843 quando identificò tre diverse “terre”, che chiamò anche Ytterby: ittria, erbia e terbia. L’erbio fu il primo ad essere estratto., Un campione puro del suo ossido fu preparato nel 1905 dal chimico francese Georges Urbain (1872-1938) e dal chimico americano Charles James (1880-1928), ma il metallo puro stesso fu estratto solo nel 1934.

Morbido e malleabile, con un brillante colore argenteo, l’erbio produce sali (che di solito sono combinazioni di un metallo con un metalloide) che sono rosa e rosa, rendendolo utile come agente colorante. Uno dei suoi ossidi è utilizzato, ad esempio, per tingere vetro e porcellana con un cast rosato. Si applica anche, in misura limitata, nel settore dell’energia nucleare.,

Mosander identificò anche un altro elemento, il terbio, nell’itterite nel 1839, e Marignac lo isolò in una forma più pura quasi mezzo secolo dopo, nel 1886. Per ripetere un tema comune, è grigio-argenteo e abbastanza morbido da essere tagliato con un coltello. Quando viene colpito da un fascio di elettroni, un composto contenente terbio emette un colore verdastro, e quindi viene usato come fosforo nei televisori a colori.

Isolamento tardivodi lantanidi

ITTERBIO, OLMIO E TULIO.,

Per molti anni dopo Mosandro, ci furono pochi progressi nella scoperta dei lantanidi, e quando arrivò, era sotto forma di un terzo elemento, dal nome della città in cui furono scoperti così tanti lantanidi. Nel 1878, analizzando ciò che Mosander aveva chiamato erbia, Marignac si rese conto che conteneva uno o forse due elementi.

Un anno dopo, il chimico svedese Lars Frederik Nilson (1840-1899) concluse che conteneva effettivamente due elementi, che furono chiamati itterbio e scandio. (Scandio, con un numero atomico di 21, non fa parte della serie lantanide., Urbain è a volte accreditato per la scoperta di itterbio : nel 1907, ha dimostrato che i materiali che Nilson aveva studiato erano in realtà una miscela di due ossidi. In ogni caso, Urbain lo ha dettoil credito dovrebbe essere dato a Marignac, che è la figura più importante nella storia dei lantanidi diversi da Mosander. Per quanto riguarda l’itterbio, è altamente malleabile, come altri lantanidi, ma non ha applicazioni significative nell’industria.

Il chimico svedese Per Teodor Cleve (1840-1905) scoprì nel 1879 che erbia conteneva altri due elementi, che chiamò olmio e tulio., Thulium si riferisce al nome antico per la Scandinavia, Thule. Più raro di tutti i lantanidi, il tulio è altamente malleabile – e anche molto costoso. Quindi ha poche applicazioni commerciali.

DISPROSIO.

Chiamato per la parola greca dysprositos, o “difficile da raggiungere”, disprosio è stato scoperto da Boisbaudran. Separando l’itterite nel 1886, trovò gallio (numero atomico 31—non un lantanide); samario (discusso sopra); e disprosio. Ancora una volta, un minerale estratto da itterite era stato chiamato dopo un elemento precedentemente scoperto, e, ancora una volta, si è rivelato contenere diversi elementi., La sostanza in questione questa volta era olmio, che, come Boisbaudran scoperto, era in realtà una miscela complessa di terbio, erbio, olmio, e l’elemento che aveva identificato come disprosio. Un campione puro non è stato ottenuto fino al 1950.

Poiché il disprosio ha un’alta affinità per i neutroni, a volte è usato nelle barre di controllo per i reattori nucleari, “assorbendo” i neutroni piuttosto come una spugna assorbe l’acqua. Morbido, con un colore argento brillante come altri lantanidi, disprosio viene applicato anche nei laser, ma per il resto ha pochi usi.

EUROPIO E LUTEZIO.,

Mentre molti altri lantanidi sono chiamati per le regioni del nord Europa, il nome di europium si riferisce al continente europeo nel suo complesso, e quello di lutezio è un riferimento al vecchio nome romano per Parigi. Come accennato in precedenza, Demarçay trovò europio in samarskite, una scoperta che fece nel 1901. In realtà, Boisbaudran aveva notato quello che sembrava essere un nuovo elemento circa un decennio prima, ma non lo perseguiva, e quindi il merito va al suo connazionale.

Più reattivo dei lantanidi, europio risponde sia all’acqua fredda che all’aria., Inoltre, è in grado di prendere fuoco spontaneamente. Tra gli elementi più efficienti per la cattura di neutroni, è applicato nei sistemi di controllo dei reattori nucleari. Inoltre, i suoi composti sono utilizzati nella produzione di fosfori per televisori: uno di questi composti, ad esempio, emette un bagliore rossastro. Ancora un altro composto di europio viene aggiunto alla colla sui francobolli, rendendo possibile la scansione elettronica dei francobolli.

Urbain, che scoprì il lutezio, lo chiamò dopo la sua città natale., James ha anche identificato una forma del lantanide, ma non ha annunciato la sua scoperta fino a molto più tardi. Fatta eccezione per alcuni usi in un catalizzatore nella produzione di petrolio, il lutezio ha poche applicazioni industriali.

DOVE SAPERNE DI PIÙ

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

Stwertka, Albert. Una guida agli elementi. New York: Oxford University Press, 1996.

Whyman, Kathryn. Metalli e leghe. Illustrato da Louise Nevett e Simon Bishop. New York: Gloucester Press, 1988.

TERMINI CHIAVE

LEGA:

Una miscela di due o più metalli.

NUMERO ATOMICO:

Il numero di protoni nel nucleo di un atomo., Poiché questo numero è diverso per ogni elemento, gli elementi sono elencati sulla tavola periodica degli elementi in ordine di numero atomico.

ION:

Un atomo o atomi che ha perso o guadagnato uno o più elettroni, e quindi ha una carica elettrica netta.

CONTRAZIONE DEI LANTANIDI:

Una progressiva diminuzione del raggio degli atomi di lantanidi man mano che aumentano nel numero atomico.