KONZEPT
Am unteren Rand des Periodensystems der Elemente, getrennt vom Hauptteil des Diagramms, sind zwei Zeilen, von denen die erste die Lanthanide darstellt. Bestehend aus Lanthan und den 14 Elementen der Lanthanid-Serie wurden die Lanthanide einst als „Seltenerdmetalle“ bezeichnet. In der Tat sind sie nicht besonders selten: Viele von ihnen erscheinen in so viel Fülle wie vertraute Elemente wie Quecksilber., Sie sind jedoch schwer zu extrahieren, eine Eigenschaft, die sie ebenso definiert wie ihre silbrige Farbe; manchmal hohe Reaktivität; und Empfindlichkeit gegenüber Kontamination. Obwohl einige Lanthanide nur begrenzt verwendet werden, finden sich Mitglieder dieser Gruppe in allem, von Zigarettenanzündern bis zu Fernsehbildschirmen und von farbigem Glas bis zu Kontrollstäben in Kernreaktoren.
FUNKTIONSWEISE
Definition der Lanthanide
Die Lanthanidreihe besteht aus den 14 Elementen mit den Ordnungszahlen 58 bis 71, die Lanthan im Periodensystem der Elemente folgen., Diese 14, zusammen mit den Aktiniden—Ordnungszahlen 90 bis 103—werden aufgrund von Ähnlichkeiten in Eigenschaften, die jede Gruppe definieren, vom Periodensystem beiseite gelegt.
Insbesondere sind die Lanthanide und Actinide die einzigen Elemente, die die f-Orbitale füllen. Die Lanthanide und Actinide sind eigentlich „Zweige“ der größeren Familie, die als Übergangsmetalle bekannt sind. Letztere erscheinen in den Gruppen 3 bis 12 in der IUPAC-Version des Periodensystems, obwohl sie in der nordamerikanischen Version nicht nummeriert sind.,
Die Lanthanid-Serie wird normalerweise mit Lanthan mit einer Ordnungszahl von 57 unter der allgemeinen Überschrift Lanthanide kombiniert. Wie ihr Name schon sagt, teilen Mitglieder der Lanthanide-Serie bestimmte Eigenschaften mit Lanthan; daher der Sammelbegriff “ Lanthanides.“Diese 15 Elemente sind zusammen mit ihren chemischen Symbolen:
Die meisten davon werden in diesem Aufsatz einzeln diskutiert.
EIGENSCHAFTEN VON LANTHANIDEN.
Hell und silbrig im Aussehen sind viele der Lanthanide-obwohl sie Metalle sind-so weich, dass sie mit einem Messer geschnitten werden können., Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym und Europium sind hochreaktiv. Wenn sie Sauerstoff ausgesetzt werden, bilden sie eine Oxidschicht. (Ein Oxid ist eine Verbindung, die durch Metall mit einem Sauerstoff gebildet wird.) Um dieses Ergebnis zu verhindern, das die Haut trübt, werden diese fünf Lanthanide in Mineralöl gelagert.
Die reaktiven Tendenzen der anderen Lanthanide variieren: So oxidieren Gadolinium und Lutetium erst, wenn sie sehr lange Luft ausgesetzt sind. Nichtsdestotrotz neigen Lanthaniden dazu, als Klasse eher „temperamentvoll“ zu sein., Wenn sie mit anderen Metallen wie Kalzium kontaminiert sind, korrodieren sie leicht und wenn sie mit Nichtmetallen wie Stickstoff oder Sauerstoff kontaminiert sind, werden sie spröde. Verschmutzung ändert sich auch Ihre Siedepunkte, die von 1,506.2°F (819°C) für ytterbium zu 3,025.4°F (1,663°C) für lutetium.
Lanthanide reagieren schnell mit heißem Wasser oder langsamer mit kaltem Wasser, um Wasserstoffgas zu bilden. Wie bereits erwähnt, sind sie auch ziemlich reaktiv mit Sauerstoff, und sie erleben Verbrennung leicht in Luft., Wenn ein Lanthanid mit einem anderen Element reagiert, um eine Verbindung zu bilden, verliert es normalerweise drei seiner äußeren Elektronen, um sogenannte tripositive Ionen oder Atome mit einer elektrischen Ladung von +3 zu bilden. Dies ist das stabilste Ion für Lanthanide, die manchmal weniger stabile +2-oder +4-Ionen entwickeln. Lanthanide neigen dazu, ionische Verbindungen oder Verbindungen, die entweder positive oder negative Ionen enthalten, mit anderen Substanzen—insbesondere Fluor-zu bilden.
Sind Sie Wirklich „Selten“?,
Obwohl sie einst als Seltenerdmetalle bekannt waren, wurden Lanthanide so genannt, weil sie, wie wir sehen werden, schwer aus Verbindungen zu extrahieren sind, die andere Substanzen enthalten—einschließlich anderer Lanthanide. Was die Seltenheit betrifft, so ist das knappste der Lanthanide, Thulium, häufiger als Arsen oder Quecksilber, und sicherlich denkt niemand an diese als seltene Substanzen. In Bezug auf Teile pro Million (ppm) ist Thulium in der Erdkruste vorhanden, was 0,2 ppm entspricht. Das reichlichste der Lanthanide, Cer, hat eine Fülle von 46 ppm, größer als das von Zinn.,
Wenn andererseits Seltenheit nicht als Knappheit verstanden wird, sondern als Schwierigkeit, ein Element in seiner reinen Form zu erhalten, dann sind die Lanthanide in der Tat selten. Weil ihre Eigenschaften so ähnlich sind und weil sie dazu neigen, sich in denselben Substanzen zu versammeln, war die ursprüngliche Isolierung und Identifizierung der Lanthanide eine mühsame Aufgabe, die weit über ein Jahrhundert dauerte. Der Fortschritt folgte einem gemeinsamen Muster.,
Zuerst identifizierte ein Chemiker ein neues Lanthanid; dann kam einige Jahre später ein anderer Wissenschaftler und extrahierte ein anderes Lanthanid aus dem Beispiel, das der erste Chemiker als ein einzelnes Element geglaubt hatte. Auf diese Weise entstanden die Lanthaniden im Laufe der Zeit, jede von der davor, eher wie russische Matroschka oder „Nesting“ – Puppen.
EXTRAHIEREN VON LANTHANIDEN.
Obwohl die meisten Lanthanide zuerst in Skandinavien isoliert wurden, kommen sie heute in wesentlich wärmeren Breiten vor: Brasilien, Indien, Australien, Südafrika und den Vereinigten Staaten., Die Hauptquelle für Lanthanide ist Monazit, ein schwerer, dunkler Sand, aus dem etwa 50% der für Wissenschaft und Industrie verfügbaren Lanthanidmasse gewonnen wurden.
Um Lanthanide von anderen Elementen zu trennen, werden sie tatsächlich mit anderen Substanzen kombiniert—Substanzen mit geringer Löslichkeit oder Auflösungsneigung. Oxalate und Fluoride sind niedriglösliche Substanzen, die für diesen Zweck bevorzugt werden. Sobald sie von Nicht-Lanthanidelementen getrennt sind, wird der Ionenaustausch verwendet, um ein Lanthanidelement von einem anderen zu trennen.,
Die Radien von Lanthanidatomen nehmen mit zunehmender Ordnungszahl stark ab: Mit anderen Worten, je höher die Ordnungszahl, desto kleiner der Radius. Diese Abnahme, die als Lanthanidkontraktion bekannt ist, hilft bei der Trennung durch Ionenaustausch. Die Lanthanide werden in einer ionischen Lösung gemischt und dann über eine lange Säule mit einem Harz geleitet. Verschiedene Lanthanidionen binden je nach ihrer relativen Größe mehr oder weniger fest mit dem Harz.
Nach diesem Schritt werden die Lanthanide aus der Ionenaustauschersäule und in verschiedene Lösungen ausgewaschen., Nacheinander werden sie vollständig getrennt und werden dann mit Säure gemischt und zu einem Oxid erhitzt. Das Oxid wird dann in ein Fluorid oder Chlorid umgewandelt, das dann mit Hilfe von Calcium in metallische Form reduziert werden kann.
REALE ANWENDUNGEN
Der historische Ansatz
Bei der Untersuchung der Lanthanide kann man sich einfach entlang des Periodensystems bewegen, vom Lanthan bis zum Lutetium., Angesichts der Schwierigkeiten bei der Gewinnung der Lanthaniden untereinander hilft jedoch ein Ansatz nach historischem Vorbild, den einzigartigen Platz zu verstehen, den jeder Lanthanide in der gesamten Familie einnimmt.
Die Begriffe “ Lanthanid-Reihe „oder sogar“ Lanthanide “ tauchten einige Zeit nicht auf—mit anderen Worten, Wissenschaftler wussten nicht sofort, dass sie es mit einer ganzen Gruppe von Metallen zu tun hatten. Wie so oft bei der wissenschaftlichen Entdeckung folgte die Isolierung von Lanthaniden einem unregelmäßigen Muster und sie tauchten nicht in der Reihenfolge der Ordnungszahl auf.,
Cer wurde tatsächlich lange vor Lanthan selbst in der zweiten Hälfte des achtzehnten Jahrhunderts entdeckt. Es folgte einige Jahrzehnte später die Entdeckung eines Minerals namens Ytterit, benannt nach der Stadt Ytterby, Schweden, in deren Nähe es 1787 gefunden wurde. Im nächsten Jahrhundert wurden die meisten verbleibenden Lanthanide aus Ytterit gewonnen, und der Mann, der dafür am meisten verantwortlich war, war der schwedische Chemiker Carl Gustav Mosander (1797-1858).,
Weil Mosander mehr mit der Identifizierung der Lanthaniden zu tun hatte als jeder einzelne, widmet sich der mittlere Teil dieser historischen Übersicht seinen Erkenntnissen. Die Erkennung und Isolierung von Lanthaniden hörte jedoch nicht mit Mosander auf; Daher wird eine andere Gruppe von Mineralien im Zusammenhang mit der letzteren Periode der Lanthanidentdeckung diskutiert.
Frühe Lanthanide
CER.
1751 beschrieb der schwedische Chemiker Axel Crönstedt (1722-1765), was er für eine neue Form von Wolfram hielt, die er in der Bastnäs-Mine in der Nähe von Riddarhyttan, Schweden, gefunden hatte., Später analysierten der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) und der schwedische Chemiker Wilhelm Hisinger (1766-1852) unabhängig voneinander das Material, das Crönstedt entdeckt hatte, und kamen zu dem Schluss, dass dies ein neues Element sein muss. Es wurde Cerium zu Ehren von Ceres genannt, einem Asteroiden zwischen Mars und Jupiter, der 1801 entdeckt wurde. Erst 1875 wurde Cer tatsächlich aus einem Erz gewonnen.
Unter den Anwendungen für Cer ist eine Legierung namens Mischmetall, hergestellt durch Verschmelzen der Chloride von Cer, Lanthan, Neodym und Praseodym., Die resultierende Legierung entzündet sich bei oder unter Raumtemperatur und wird oft als „Feuerstein“ in einem Zigarettenanzünder verwendet, weil es Funken, wenn Reibung von einem Metallrad aufgebracht wird.
Cer wird auch in Düsentriebwerksteilen, als Katalysator zur Herstellung von Ammoniak und als Klopfmittel in Benzin verwendet-das heißt, eine Chemikalie, die die „Klopfgeräusche“ reduziert, die manchmal in einem Motor durch minderwertige Kraftstoffsorten erzeugt werden. In Cer (IV) – Oxid oder CeO2 wird es verwendet, um die Farbe aus ehemals farbigem Glas zu extrahieren, und wird auch in Emaille-und Keramikbeschichtungen aufgetragen.
GADOLINIUM.,
Im Jahr 1794, sieben Jahre nach der Entdeckung von Ytterit, kam der finnische Chemiker Johan Gadolin (1760-1852) zu dem Schluss, dass Ytterit ein neues Element enthielt, das später zu seinen Ehren Gadolinit genannt wurde. Ein sehr ähnlicher Name würde auf ein Element angewendet, das aus Ytterit extrahiert wurde, und die Jahre zwischen Gadolins Entdeckung und der Identifizierung dieses Elements erstreckten sich über den Zeitraum der fruchtbarsten Aktivität bei der Lanthanid-Identifizierung.,
Im nächsten Jahrhundert wurden alle anderen Lanthanide in der Zusammensetzung von Gadolinit entdeckt; 1880 fand der Schweizer Chemiker Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) ein weiteres Element darin. Der französische Chemiker Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) entdeckte das gleiche Element sechs Jahre später wieder und schlug vor, es Gadolinium zu nennen.
Silbrig in der Farbe, aber mit einem manchmal gelblichen Guss, hat Gadolinium eine hohe Tendenz, in trockener Luft zu oxidieren. Da es sehr effizient für die Erfassung von Neutronen ist, könnte es in Kernkraftreaktoren nützlich sein., Zwei seiner sieben Isotope sind jedoch in einem so geringen Überfluss vorhanden, dass sie nur wenig nukleare Anwendung hatten. Gadolinium wird unter anderem in Leuchtstoffen für Farbfernsehgeräte verwendet und ist für Ultra-Hightech-Anwendungen vielversprechend: Bei sehr niedrigen Temperaturen wird es hochmagnetisch und kann als Supraleiter fungieren.
Mosanders Lanthanide
LANTHAN.
Zwischen 1839 und 1848 wurde Mosander mit der Extraktion verschiedener Lanthanide aus Ytterit, das bis dahin als Gadolinit bekannt war, verzehrt., Als es ihm zum ersten Mal gelang, ein Element zu extrahieren, nannte er es Lanthana, was „versteckt“ bedeutet.“Das Material, das schließlich als Lanthan bezeichnet wurde, wurde erst 1923 in reiner Form hergestellt.
Wie eine Reihe anderer Lanthanide ist Lanthan sehr weich—so weich, dass es mit einem Messer geschnitten werden kann-und silbrig-weiß in der Farbe. Unter den reaktivsten Lanthaniden zersetzt es sich schnell in heißem Wasser, aber langsamer in kaltem Wasser. Lanthan reagiert auch leicht mit Sauerstoff und korrodiert schnell in feuchter Luft.
Wie bei Cer wird Lanthan in Mischmetall verwendet., Da Lanthanverbindungen besondere optische Eigenschaften in Glas hervorrufen, wird es auch zur Herstellung von Speziallinsen verwendet. Darüber hinaus werden Verbindungen von Lanthan mit Fluor oder Sauerstoff zur Herstellung von Lichtbogenlampen für die Filmindustrie verwendet.
SAMARIUM.
Bei der Analyse eines 1841 aus Lanthanid gebildeten Oxids entschied Mosander, dass er ein neues Element an seinen Händen hatte, das er Didymium nannte., Vier Jahrzehnte später nahm Boisbaudran einen weiteren Blick auf Didynium und kam zu dem Schluss, dass es kein Element war; vielmehr enthielt es ein Element, das er Samarium nach dem Mineral Samarskit nannte, in dem es gefunden wird. Noch später studierte Marignac Samarskit, als er entdeckte, was als Gadolinium bekannt wurde. Aber die Geschichte endete nicht dort: Noch später, 1901, fand der französische Chemiker Eugéne-Anatole Demarçay (1852-1903) in Samarskit ein weiteres Element, Europium.
Samarium wird heute in Kontrollstäben von Kernkraftwerken, in Lichtbogenlampen und inoptischen Masern und Lasern eingesetzt., In Legierungen mit Kobalt wird es bei der Herstellung der permanentesten verfügbaren Elektromagnete verwendet. Samarium wird auch bei der Herstellung von optischem Glas und als Katalysator bei der Herstellung von Ethylalkohol verwendet.
ERBIUM UND TERBIUM.
Um nach Mosander zurückzukehren, untersuchte er 1843 Ytterite, als er drei verschiedene „Erden“ identifizierte, die er auch nach Ytterby benannte: yttria, erbia und Terbia. Erbium wurde als erstes extrahiert., Eine reine Probe seines Oxids wurde 1905 vom französischen Chemiker Georges Urbain (1872-1938) und dem amerikanischen Chemiker Charles James (1880-1928) hergestellt, das reine Metall selbst wurde jedoch erst 1934 extrahiert.
Weich und formbar, mit einer glänzenden silbrigen Farbe, produziert Erbium Salze (die normalerweise Kombinationen eines Metalls mit einem Nichtmetall sind), die rosa und rose sind, was es als Tönungsmittel nützlich macht. Eines seiner Oxide wird zum Beispiel verwendet, um Glas und Porzellan mit einem rosa Guss zu färben. Es wird auch in begrenztem Umfang in der Kernenergieindustrie angewendet.,
Mosander identifizierte 1839 auch ein anderes Element, Terbium, in Ytterit, und Marignac isolierte es fast ein halbes Jahrhundert später, 1886, in reiner Form. Um ein gemeinsames Thema zu wiederholen, ist es silbrig-grau und weich genug, um mit einem Messer geschnitten zu werden. Wenn eine Verbindung, die Terbium enthält, von einem Elektronenstrahl getroffen wird, emittiert sie eine grünliche Farbe und wird daher als Leuchtstoff in Farbfernsehgeräten verwendet.
Spätere Isolation Von Lanthaniden
YTTERBIUM, HOLMIUM UND THULIUM.,
Viele Jahre nach Mosander gab es wenig Fortschritte bei der Entdeckung von Lanthaniden, und als es kam, war es in Form eines dritten Elements, benannt nach der Stadt, in der so viele der Lanthaniden entdeckt wurden. Im Jahr 1878 stellte Marignac bei der Analyse dessen, was Mosander Erbia genannt hatte, fest, dass es ein oder möglicherweise zwei Elemente enthielt.
Ein Jahr später kam der schwedische Chemiker Lars Frederik Nilson (1840-1899) zu dem Schluss, dass es tatsächlich zwei Elemente enthielt, die Ytterbium und Scandium genannt wurden. (Scandium, mit einer Ordnungszahl von 21, ist nicht Teil der Lanthanid-Serie.,) Urbain wird manchmal für die Entdeckung von Ytterbium zugeschrieben: 1907 zeigte er, dass die Materialien, die Nilson untersucht hatte, tatsächlich eine Mischung aus zwei Oxiden waren. In jedem Fall sagte Urbain dasDer Kredit sollte Marignac gegeben werden, der die wichtigste Figur in der Geschichte von Lanthanides außer Mosander ist. Wie für Ytterbium, es ist sehr formbar, wie andere Lanthanide, aber hat keine signifikanten Anwendungen in der Industrie.
Der schwedische Chemiker Per Teodor Cleve (1840-1905) fand 1879 heraus, dass Erbia zwei weitere Elemente enthielt, die er Holmium und Thulium nannte., Thulium bezieht sich auf den alten Namen für Skandinavien, Thule. Seltenste aller Lanthanide, Thulium ist sehr formbar—und auch sehr teuer. Daher hat es nur wenige kommerzielle Anwendungen.
DYSPROSIUM.
Benannt nach dem griechischen Wort dysprositos oder“ schwer zu bekommen“, wurde Dysprosium von Boisbaudran entdeckt. Als er 1886 Ytterit trennte, fand er Gallium (Ordnungszahl 31-kein Lanthanid); Samarium (oben diskutiert); und Dysprosium. Wieder einmal war ein aus Ytterit extrahiertes Mineral nach einem zuvor entdeckten Element benannt worden, und es stellte sich erneut heraus, dass es mehrere Elemente enthielt., Die fragliche Substanz war diesmal Holmium, das, wie Boisbaudran entdeckte, tatsächlich eine komplexe Mischung aus Terbium, Erbium, Holmium und dem Element war, das er als Dysprosium identifiziert hatte. Eine reine Probe wurde erst 1950 erhalten.
Da Dysprosium eine hohe Affinität zu Neutronen hat, wird es manchmal in Kontrollstäben für Kernreaktoren verwendet, wobei Neutronen eher „eingeweicht“ werden, als dass ein Schwamm Wasser aufsaugt. Weich, mit einer glänzenden silbernen Farbe wie andere Lanthanide, wird Dysprosium auch in Lasern angewendet, aber ansonsten hat es nur wenige Anwendungen.
EUROPIUM UND LUTETIUM.,
Während viele andere Lanthaniden nach Regionen in Nordeuropa benannt sind, bezieht sich der Name für europium auf den europäischen Kontinent als Ganzes, und der von Lutetium bezieht sich auf den alten römischen Namen für Paris. Wie bereits erwähnt, fand Demarçay Europium in Samarskite, eine Entdeckung, die er 1901 machte. Eigentlich hatte Boisbaudran etwa ein Jahrzehnt zuvor bemerkt, was ein neues Element zu sein schien, aber er verfolgte es nicht, und so geht der Kredit an seinen Landsmann.
Am reaktivsten der Lanthanide reagiert Europium sowohl auf kaltes Wasser als auch auf Luft., Außerdem kann es spontan Feuer fangen. Zu den effizientesten Elementen für die Abscheidung von Neutronen gehört es in den Steuerungssystemen von Kernreaktoren. Darüber hinaus werden seine Verbindungen bei der Herstellung von Leuchtstoffen für Fernsehgeräte verwendet: Eine solche Verbindung strahlt beispielsweise ein rötliches Leuchten aus. Dem Klebstoff auf Briefmarken wird noch eine weitere Europium-Verbindung zugesetzt, die das elektronische Scannen von Briefmarken ermöglicht.
Urbain, der Lutetium entdeckte, benannte es nach seiner Heimatstadt., James identifizierte auch eine Form des Lanthanides, gab seine Entdeckung jedoch erst viel später bekannt. Abgesehen von einigen Anwendungen an einem Katalysator bei der Herstellung von Erdöl hat Lutetium nur wenige industrielle Anwendungen.
WO SIE MEHR ERFAHREN
Baumwolle, Simon. Lanthanide und Actinide. New York: Oxford University Press, 1991.
Heiserman, David L. Erforschung der Chemischen Elemente und Ihrer Verbindungen. Blue Ridge Summit, PA: Tab Books, 1992.
„Luminescent Lanthanides“ (Website). <http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (16.
Snedden, Robert. Veröffentlichung., Des Plaines, IL: Heinemann Library, 1999.
Oxlade, Chris. Metall. Chicago: Heinemann Library, 2001.
Stwertka, Albert. Ein Leitfaden für die Elemente. New York: Oxford University Press, 1996.
Whyman, Kathryn. Metalle und Legierungen. Illustriert von Louise Nevett und Simon Bishop. New York: Gloucester Press, 1988.
SCHLÜSSELBEGRIFFE
LEGIERUNG:
Eine Mischung aus zwei oder mehr Metallen.
ORDNUNGSZAHL:
Die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms., Da diese Zahl für jedes Element unterschiedlich ist, werden Elemente im Periodensystem der Elemente in der Reihenfolge der Ordnungszahl aufgeführt.
ION:
Ein Atom oder Atom, das ein oder mehrere Elektronen verloren oder gewonnen hat und somit eine elektrische Nettoladung hat.
LANTHANIDKONTRAKTION:
Eine fortschreitende Abnahme des Radius von Lanthanidatomen mit zunehmender Atomzahl.
LANTHANIDREIHE:
Eine Gruppe von 14 Elementen mit den Ordnungszahlen 58 bis 71, die Lanthan im Periodensystem der Elemente folgen.,
LANTHANIDE:
Die Lanthanide-Serie, zusammen mit Lanthan.
OXID:
Eine Verbindung, die durch die chemische Bindung eines Metalls mit Sauerstoff gebildet wird.
PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE:
Ein Diagramm, das die Elemente in der Reihenfolge der Ordnungszahl anordnet und nach gemeinsamen Merkmalen gruppiert.
SELTENERDMETALLE:
Ein alter Name für die Lanthanide, der die Schwierigkeit widerspiegelt, sie von Verbindungen zu trennen, die andere Lanthanide oder andere Substanzen enthalten.,
ÜBERGANGSMETALLE:
Gruppen 3 bis 12 auf der IUPAC oder europäische Version des Periodensystems der Elemente. Die Lanthanide und Actinide, die am unteren Rand des Periodensystems erscheinen, sind „Zweige“ dieser Familie.