Lanthanide Serien

KONSEPT

Langs bunnen av den periodiske tabell over elementene, atskilt fra hoveddelen av tabellen, er to rader, den første som representerer lanthanides. Består av lantan og 14 elementer av lanthanide serien, lanthanides gang ble kalt «sjeldne jordarter» metaller. Faktisk, de er ikke spesielt sjelden: mange av dem vises i så mye overflod som mer kjente elementer som for eksempel kvikksølv., De er imidlertid vanskelig å trekke ut, en egenskap som definerer dem så mye som deres sølvblank farge; noen ganger høye nivåer av reaktivitet; og følsomhet for forurensning. Selv om noen lanthanides har begrenset bruker, medlemmer av denne gruppen finnes i alt fra lightere til TV-skjermer, og fra farget glass for å kontrollstaver i kjernefysiske reaktorer.

HVORDAN DET FUNGERER

Definere Lanthanides

lanthanide serien består av 14 elementer, med atomic tall 58 gjennom 71, som følge lantan på den periodiske tabell over elementene., Disse 14, sammen med actinides—atom-tall gjennom 90 103—er satt til side fra den periodiske tabellen på grunn av likheter i egenskaper som definerer hver gruppe.

Spesifikt, lanthanides og actinides er de eneste elementene som fyller f-orbitals. Den lanthanides og actinides er faktisk «grener» av den større familien er kjent som overgang metaller. Sistnevnte dukker opp i grupper av 3 til 12 på IUPAC-versjon av den periodiske tabellen, selv om de ikke er nummerert på den Nord-Amerikanske versjonen.,

lanthanide serien er vanligvis kombinert med lantan, som har et atomnummer av 57, under den generelle overskriften lanthanides. Som navnet indikerer, er medlemmer av lanthanide serien dele visse egenskaper med lantan, derfor er det kollektive begrepet «lanthanides.»Disse 15 elementer, sammen med deres kjemiske symboler, er:

de Fleste av disse er omtalt spesielt i dette essayet.

EGENSKAPER AV LANTHANIDES.

Lyst og sølvfargede i utseende, mange av lanthanides—selv om de er metaller er så myke at de kan kuttes med en kniv., Lantan, cerium, praseodymium, neodym, og europium er svært reaktivt. Når de utsettes for oksygen, danner de et oksid-belegg. (En oksid er et stoff som dannes av metall med oksygen. For å unngå dette resultatet, som oksiderer themetal, disse fem lanthanides er holdt lagret i mineralolje.

Den reaktive tendenser av andre lanthanides variere, for eksempel, gadolinium og lutetium ikke oksidere til de har blitt eksponert for luft for en svært lang tid. Likevel, lanthanides har en tendens til å være ganske «temperament» som en klasse., Hvis forurenset med andre metaller, som for eksempel kalsium, de korroderer lett, og hvis forurenset med nonmetals, slik som nitrogen eller oksygen, de blir sprø. Forurensning også endrer sine kokende poeng, som spenner fra 1,506.2°F (819°C) for ytterbium å 3,025.4°F (1,663°C) for lutetium.

Lanthanides reagere raskt med varmt vann, eller mer langsomt med kaldt vann, for å danne hydrogen gass. Som tidligere nevnt, de er også ganske reagerer med oksygen, og de opplever forbrenning lett i luften., Når en lanthanide reagerer med et annet element for å danne et sammensatt, er det vanligvis mister tre av sine ytre elektroner danner det som kalles tripositive ioner, eller atomer med en elektrisk ladning på +3. Dette er den mest stabile ion for lanthanides, som noen ganger utvikle mindre stabil +2 eller +4 ioner. Lanthanides har en tendens til å danne ioniske forbindelser, eller forbindelser som inneholder enten positive eller negative ioner, bør du med andre stoffer, spesielt fluor.

Er De Virkelig «Sjeldne»?,

selv Om de var en gang kjent som sjeldne metaller, lanthanides var så kalt fordi, som vi skal se, de er vanskelig å trekke ut fra forbindelser som inneholder andre stoffer, inkludert andre lanthanides. Som for sjeldenhet, de knappeste av lanthanides, thulium, er mer rikelig enn enten arsen eller kvikksølv, og absolutt ikke noe man tenker på de som sjelden stoffer. I form av parts per million (ppm), thulium har en tilstedeværelse i jordskorpen tilsvarende 0,2 ppm. De mest rikelig av lanthanides, cerium, har en overflod av 46 ppm, større enn tinn.,

Hvis, på den annen side, sjeldenhet er forstått, ikke i form av knapphet, men med hensyn til problemer med å skaffe et element i sin rene form, så ja det lanthanides er sjeldne. Fordi deres egenskaper er så like, og fordi de har en tendens til å samles i de samme stoffene, den opprinnelige isolering og identifikasjon av lanthanides var en krevende oppgave som tok godt over et århundre. Fremdriften følges et felles mønster.,

Først, en kjemiker identifisert en ny lanthanide; deretter et par år senere, en annen forsker som kom og hentet en annen lanthanide fra thesample at det første apoteket hadde antatt å være en enkelt element. På denne måten lanthanides dukket opp over tid, hver fra den før det, snarere som russisk matryoshka eller «nesting» – dukker.

UTPAKKING LANTHANIDES.

selv Om de fleste av lanthanides ble først isolert i Skandinavia, i dag er de funnet i betydelig varmere breddegrader: Brasil, India, Australia, Sør-Afrika og Usa., Den viktigste kilden til lanthanides er monazite, en tung, mørk sand som ca 50% av lanthanide masse tilgjengelig for vitenskap og industri har blitt hentet.

for å skille lanthanides fra andre elementer, de er faktisk kombinert med andre stoffer—stoffer som har en lav løselighet, eller tendens til å oppløse. Oxalates og fluorides er lav-oppløselig stoffer favoriserte for dette formålet. Når de er atskilt fra ikke-lanthanide elementer, ionebytting er brukt for å skille en lanthanide element fra en annen.,

Det er en markert nedgang i radier av lanthanide atomer som de øker i atomnummer: med andre ord, jo høyere atomnummer, jo mindre radius. Denne nedgangen, kjent som lanthanide sammentrekning, hjelpemidler i prosessen med separasjon ved ionebytting. Den lanthanides er blandet i en ionisk løsning, deretter gått ned en lang kolonne som inneholder harpiks. Ulike lanthanide ioner bond mer eller mindre tett, avhengig av deres relative størrelse, med resin.

Etter dette trinnet, lanthanides er vasket ut av ion exchange kolonne og til ulike løsninger., Én etter én, de blir fullstendig atskilt, og deretter blandet med syre og oppvarmet for å danne et oksid. Oksid blir deretter konvertert til en fluor eller klor, som deretter kan bli redusert til metallisk form med hjelp av kalsium.

REAL-LIFE PROGRAMMER

Det Historisk Tilnærming

I å studere lanthanides, kan man bare flytte langs den periodiske tabellen, fra lantan hele veien til lutetium., Imidlertid, i lys av vanskelighetene involvert i å trekke lanthanides, en fra en annen, en tilnærming langs historiske linjer aids i å forstå unikt sted hver lanthanide ligger i den samlede familien.

vilkår «lanthanide serien» eller «lanthanides» ikke dukke opp for noen tid—med andre ord, forskere ikke umiddelbart vite at de var arbeider med en hel gruppe av metaller. Som tilfellet ofte er med vitenskapelig oppdagelse, isolasjon av lanthanides fulgt et uregelmessig mønster, og de gjorde ikke dukke opp i den rekkefølge de atomnummer.,

Cerium ble faktisk oppdaget lenge før lantan seg selv, i siste halvdel av det attende århundre. Det fulgte et par tiår senere, oppdagelsen av et mineral kalt ytterite, oppkalt etter byen i Ytterby, i Sverige, i nærheten av der den ble funnet i 1787. I løpet av det neste århundret, de fleste av de gjenværende lanthanides ble hentet fra ytterite, og man er mest ansvarlig for dette var den svenske kjemikeren Carl Gustav Mosander (1797-1858).,

Fordi Mosander hadde mer å gjøre med identifikasjon av lanthanides enn en individuell, den midtre delen av denne historiske oversikten er viet til hans funn. Den anerkjennelse og isolering av lanthanides gjorde ikke stoppe med Mosander, men; derfor anothergroup av mineraler er diskutert i sammenheng med den siste perioden av lanthanide discovery.

Tidlig Lanthanides

CERIUM.

I 1751, svensk kjemiker Axel Crönstedt (1722-1765) beskrev det han trodde var en ny form for wolfram, som han hadde funnet ved Bastnäs Mine nærheten Riddarhyttan, Sverige., Senere, tysk kjemiker Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) og svenske kjemikeren Wilhelm Hisinger (1766-1852) uavhengig analysert materialet Crönstedt hadde oppdaget, og begge konkludert med at dette må være et nytt element. Den ble oppkalt cerium i ære av Ceres, en asteroide mellom Mars og Jupiter oppdaget i 1801. Ikke før i 1875 var cerium faktisk hentet fra en malm.

Blant programmene for cerium er en legering som kalles misch-metall, som er utarbeidet av fusing klorider av cerium, lantan, neodym, og praseodymium., Den resulterende legering tenner på eller under romtemperatur, og er ofte brukt som «flint» i en lighter, fordi det gnister når friksjon fra en metall-hjul er brukt.

Cerium er også brukt i jet motor deler, som en katalysator i å lage ammoniakk, og som en anti-slå agent i bensin—som er en kjemisk som reduserer «banke» høres noen ganger er produsert i en motor med dårligere karakterer av drivstoff. I cerium (IV) oksid, eller CeO2, det er brukt til å trekke ut farge fra tidligere farget glass, og er også brukt i emalje og keramiske belegg.

GADOLINIUM.,

I 1794, sju år etter oppdagelsen av ytterite, finsk apoteker Johan Gadolin (1760-1852) konkluderte med at ytterite inneholdt et nytt element, som senere ble kalt gadolinite i hans ære. En veldig lignende navn ville bli brukt til et element hentet fra ytterite, og årene mellom Gadolin discovery og identifisering av dette elementet strakk seg over perioden av de mest fruktbare aktivitet i lanthanide identifikasjon.,

i Løpet av det neste århundret, alle de andre lanthanides ble oppdaget i sammensetningen av gadolinite; deretter, i 1880, Sveitsiske kjemikeren Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) fant enda et element som gjemmer seg i det. Franske kjemikeren Paul Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) gjenoppdaget det samme element seks år senere, og foreslått at det kalles gadolinium.

Sølvfargede i farge, men med en noen ganger gulaktig kastet, gadolinium har en høy tendens til å oksidere i tørr luft. Fordi det er svært effektive for å fange nøytroner, kan det være nyttig i nuclear power reactors., Men to av sine sju isotoper er i slike lave overflod at det har hatt liten kjernefysisk program. Brukes i fosfor for farge-tv-apparater, blant andre ting, gadolinium viser noen lover for ultra high tech programmer: ved svært lave temperaturer, blir det svært magnetisk, og kan fungere som en superleder.

Mosander er Lanthanides

LANTAN.

Mellom 1839 og 1848, Mosander ble fortært med utpakking av ulike lanthanides fra ytterite, som da hadde kommet til å bli kjent som gadolinite., Når han først lykkes i å trekke ut et element, kalte han det lanthana, som betyr «skjult.»Materialet, og til slutt referert til som lantan, var ikke forberedt i ren form frem til 1923.

Som en rekke andre lanthanides, lantan er veldig mykt så mykt at det kan skjæres med kniv—og sølv-hvite i fargen. Blant de mest reaktive av lanthanides, det brytes raskt i varmt vann, men mer sakte i kaldt vann. Lantan også reagerer lett med oksygen, og korroderes raskt i fuktig luft.

Som cerium, lantan er brukt i misch-metall., Fordi lantan forbindelser få spesielle optiske kvaliteter i glass, er det også brukt for produksjon av spesialiserte linser. I tillegg, forbindelser av lantan med fluor eller oksygen er brukt i å gjøre karbon-arc-lamper for filmindustrien.

SAMARIUM.

Mens analysere en oksid dannet fra lanthanide i 1841, Mosander bestemte seg for at han hadde et nytt element i hendene hans, som han kalt didymium., Fire tiår senere, Boisbaudran tok en titt på didynium, og konkluderte med at det ikke var et element, heller, det finnes et element, som han kalte samarium etter mineral samarskite, der det er funnet. Senere, Marignac var å studere samarskite da han oppdaget hva som kom til å bli kjent som gadolinium. Men historien endte ikke med det: selv senere, i 1901, fransk kjemiker Eugéne-Anatole Demarçay (1852-1903) fant enda et element, europium, i samarskite.

Samarium brukes i dag i kjernekraftverk kontrollstaver, i karbon-arc-lamper, og inoptical masers og lasere., I legeringer med kobolt, det er brukt i framstillingen av de mest permanente electromagnets tilgjengelig. Samarium er også brukt i produksjon av optisk glass, og som en katalysator i produksjon av etylalkohol.

ERBIUM OG TERBIUM.

for Å gå tilbake til Mosander, han var å undersøke ytterite i 1843 da han identifiserte tre ulike «jordarter,» som han også oppkalt etter Ytterby: yttria, erbia og terbia. Erbium var den første til å bli trukket ut., En ren prøve av sin oksid ble utarbeidet i 1905 av den franske kjemiker Georges Urbain (1872-1938) og Amerikansk kjemiker Charles James (1880-1928), men rent metall i seg selv var bare pakket ut i 1934.

Myk og tøyelig, med en sølvglinsende farge, erbium produserer salter (som vanligvis kombinasjoner av metall med en ikke-metall) som er rosa og rose, noe som gjør det nyttig som en brekking agent. En av dets svoveloksid er utnyttet, for eksempel, å farge glass og porselen med en rosa kastet. Det er også brukt til en viss grad, i kjernekraft-bransjen.,

Mosander også identifisert et annet element, terbium, i ytterite i 1839, og Marignac isolert det i en renere form nesten et halvt århundre senere, i 1886. For å gjenta et felles tema, det er sølv-grå og myk nok til å bli kuttet med kniv. Når truffet av en electron beam, et stoff som inneholder terbium avgir en grønnlig farge, og dermed er det brukt som et fosfor i farge-tv-apparater.

Senere Isolationof Lanthanides

YTTERBIUM, HOLMIUM, OG THULIUM.,

For mange år etter Mosander, det var liten fremgang i oppdagelsen av lanthanides, og når det kom, det var i form av et tredje element, som er oppkalt etter byen der så mange av de lanthanides ble oppdaget. I 1878, mens analysere hva Mosander hadde kalt erbia, Marignac innså at den inneholdt en eller muligens to elementer.

Et år senere, svensk kjemiker Lars Frederik Nilson (1840-1899) konkluderte med at det gjorde faktisk inneholder to elementer, som ble kalt ytterbium og scandium. (Scandium, med en atomic antall 21, er ikke en del av lanthanide serien.,) Urbain noen ganger er kreditert for å oppdage ytterbium: i 1907, og han viste at materialer Nilson hadde studert faktisk var en blanding av to-og nitrogenoksider. I alle fall, Urbain sa thatthe kreditt bør gis til Marignac, som er den mest viktig figur i historien av lanthanides andre enn Mosander. Som for ytterbium, det er svært tøyelig, som andre lanthanides, men ikke har noen betydelige programmer i bransjen.

svensk kjemiker Per Teodor Cleve (1840-1905) funnet i 1879 at erbia inneholdt to flere elementer, som han kalte holmium og thulium., Thulium refererer til det gamle navnet for Skandinavia, Thule. Sjeldneste av alle lanthanides, thulium er svært tøyelig—og også svært dyrt. Dermed har mange kommersielle programmer.

DYSPROSIUM.

Oppkalt etter det greske ordet dysprositos, eller «vanskelig å få på,» dysprosium ble oppdaget av Boisbaudran. Å skille ytterite i 1886, og han fant gallium (atomnummer 31—ikke en lanthanide); samarium (omtalt ovenfor), og dysprosium. Men igjen, et mineral som er hentet fra ytterite hadde blitt oppkalt etter en tidligere oppdaget element, og, enda en gang, viste det seg å inneholde flere elementer., Stoffet i spørsmålet denne gangen var holmium, som, som Boisbaudran oppdaget, var faktisk en kompleks blanding av terbium, erbium, holmium, og elementet han hadde identifisert som dysprosium. En ren eksempel ble ikke oppnådd før i 1950.

Fordi dysprosium har en høy affinitet for nøytroner, det er noen ganger brukt i kontroll stenger for nuclear reactors, «suge opp» nøytroner heller som en svamp soaks opp vann. Myk, med en skinnende sølv farge som andre lanthanides, dysprosium er også brukt i lasere, men ellers har få bruker.

EUROPIUM OG LUTETIUM.,

Mens mange andre lanthanides er oppkalt etter regioner i nord-Europa, navnet for europium refererer til det Europeiske kontinentet som helhet, og at lutetium er en referanse til det gamle Romerske navnet for Paris. Som nevnt tidligere, Demarçay funnet europium i samarskite, et funn han gjorde i 1901. Faktisk, Boisbaudran hadde lagt merke til hva som syntes å være et nytt element om et tiår tidligere, men han gjorde ikke arbeide, og dermed æren går til hans countryman.

Mest reaktive av lanthanides, europium svarer både til kaldt vann og til luft., I tillegg er det i stand til å fange brann spontant. Blant de mest effektive elementer for fangst av nøytroner, det er brukt i kontroll-systemer av kjernefysiske reaktorer. I tillegg, dens forbindelser benyttes i produksjon av fosfor for TV-apparater: en slik sammensatt, for eksempel, avgir en rødlig glød. Enda en europium forbindelsen er lagt til limet på frimerker, noe som gjør det mulig elektronisk skanning av frimerker.

Urbain, som oppdaget lutetium, heter det etter hans hjemby., James også identifisert en form av lanthanide, men ikke kunngjøre sin oppdagelse før mye senere. Bortsett fra noen bruker i en katalysator i produksjonen av petroleum, lutetium har noen industrielle applikasjoner.

DER for Å LÆRE MER

Bomull, Simon. Lanthanides og Actinides. New York: Oxford University Press, 1991.

Heiserman, David L. Utforsking av Kjemiske Grunnstoffer og Deres Forbindelser. Blue Ridge-Toppmøtet, PA: Kategorien Bøker, 1992.

«Selvlysende Lanthanides» (nettsted). <http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (Mai 16, 2001).

Snedden, Robert. Materiale., Des Plaines, IL: Heinemann Bibliotek, 1999.

Oxlade, Chris. Metall. Chicago: Heinemann Bibliotek, 2001.

Stwertka, Albert. En Guide til de Elementer. New York: Oxford University Press, 1996.

Whyman, Kathryn. Metaller og Legeringer. Illustrert av Louise Nevett og Simon, Biskop. New York: Gloucester Trykk, 1988.

– TASTEN VILKÅR

LEGERING:

En blanding av to eller flere metaller.

atomnummer:

antall protoner i kjernen av et atom., Siden dette nummeret er forskjellig for hvert element, elementene er oppført på den periodiske tabell over elementene i den rekkefølgen de atomnummer.

ION:

Et atom eller atomer som har mistet eller fått ett eller flere elektroner, og har dermed en netto elektrisk ladning.

LANTHANIDE SAMMENTREKNING:

En progressiv reduksjon i radius av lanthanide atomer som de øker i atomicnumber.