CONCEPT
aan de onderkant van het periodiek systeem van elementen, gescheiden van het hoofdgedeelte van de grafiek, zijn twee rijen, waarvan de eerste de lanthaniden vertegenwoordigt. Samengesteld uit lanthaan en de 14 elementen van de Lanthanide-serie, werden de lanthaniden ooit de “zeldzame aardmetalen” genoemd. In feite zijn ze niet bijzonder zeldzaam: veel van hen verschijnen in evenveel overvloed als meer bekende elementen zoals Mercurius., Ze zijn echter moeilijk te extraheren, een kenmerk dat hen zo veel als hun zilverkleurige kleur definieert; soms hoge niveaus van reactiviteit; en gevoeligheid voor verontreiniging. Hoewel sommige lanthaniden hebben beperkte toepassingen, zijn leden van deze groep te vinden in alles van sigarettenaanstekers tot TV-schermen, en van gekleurd glas tot controlestaven in kernreactoren.
hoe het werkt
definiërend de lanthaniden
De lanthanidereeks bestaat uit de 14 elementen, met atoomnummers 58 tot en met 71, die lanthaan volgen op het periodiek systeem der elementen., Deze 14, samen met de actiniden—atoomnummers 90 tot en met 103—worden apart gezet van het periodiek systeem vanwege overeenkomsten in eigenschappen die elke groep definiëren.
specifiek zijn de lanthaniden en actiniden de enige elementen die de F-orbitalen vullen. De lanthaniden en actiniden zijn eigenlijk “takken” van de grotere familie die als overgangsmetalen wordt bekend. Deze laatste komen voor in groepen 3 tot en met 12 op de IUPAC-versie van het periodiek systeem, hoewel ze niet genummerd zijn op de Noord-Amerikaanse versie.,
De lanthanidereeks wordt meestal gecombineerd met Lanthaan, dat een atoomnummer heeft van 57, onder de Algemene kop van lanthaniden. Zoals hun naam al aangeeft, delen leden van de Lanthanide-serie bepaalde kenmerken met lanthanum; vandaar de collectieve term ” lanthanides.”Deze 15 elementen, samen met hun chemische symbolen, zijn:
De meeste hiervan worden afzonderlijk besproken in dit essay.
eigenschappen van lanthaniden.
Helder en zilverachtig van uiterlijk, veel van de lanthaniden—hoewel het metalen zijn—zijn zo zacht dat ze met een mes kunnen worden gesneden., Lanthaan, cerium, praseodymium, Neodymium en europium zijn zeer reactief. Bij blootstelling aan zuurstof vormen ze een oxidecoating. (Een oxide is een verbinding gevormd door metaal met een zuurstof. Om dit resultaat, dat het metaal aantast, te voorkomen, worden deze vijf lanthaniden opgeslagen in minerale olie.
de reactieve neigingen van de andere lanthaniden variëren: gadolinium en lutetium oxideren bijvoorbeeld pas nadat ze zeer lang aan lucht zijn blootgesteld. Niettemin zijn lanthaniden meestal nogal “temperamentvol” als klasse., Als ze besmet zijn met andere metalen, zoals calcium, corroderen ze gemakkelijk, en als ze besmet zijn met niet-metalen, zoals stikstof of zuurstof, worden ze broos. Verontreiniging verandert ook hun kookpunten, die variëren van 1,506. 2°F (819°C) voor ytterbium tot 3,025.4°F (1,663°C) voor lutetium.
lanthaniden reageren snel met warm water, of langzamer met koud water, om waterstofgas te vormen. Zoals eerder opgemerkt, ze zijn ook vrij reactief met zuurstof, en ze ervaren verbranding gemakkelijk in de lucht., Wanneer een lanthanide reageert met een ander element om een verbinding te vormen, verliest het gewoonlijk drie van zijn buitenste elektronen om zogenaamde tripositieve ionen, of atomen met een elektrische lading van +3 te vormen. Dit is het meest stabiele ion voor lanthaniden, die soms minder stabiele +2 of + 4 ionen ontwikkelen. Lanthaniden hebben de neiging om ionverbindingen te vormen, of verbindingen die positieve of negatieve ionen bevatten, met andere stoffen-in het bijzonder fluor.
zijn ze echt “zeldzaam”?,
hoewel zij ooit bekend stonden als de zeldzame aardmetalen, werden lanthaniden zo genoemd, omdat zij, zoals we zullen zien, moeilijk te extraheren zijn uit verbindingen die andere stoffen bevatten—waaronder andere lanthaniden. Wat betreft de zeldzaamheid, de schaarste van de lanthaniden, thulium, is overvloediger dan arseen of kwik, en zeker niemand denkt dat die als zeldzame stoffen. In termen van deeltjes per miljoen (ppm), thulium heeft een aanwezigheid in de aardkorst gelijk aan 0,2 ppm. De meest overvloedige lanthaniden, cerium, heeft een overvloed van 46 ppm, groter dan die van tin.,
als, aan de andere kant, zeldzaamheid niet wordt begrepen in termen van schaarste, maar met betrekking tot de moeilijkheid om een element in zijn zuivere vorm te verkrijgen, dan zijn de lanthaniden inderdaad zeldzaam. Omdat hun eigenschappen zo vergelijkbaar zijn, en omdat ze geneigd zijn om samen te komen in dezelfde stoffen, was de oorspronkelijke isolatie en identificatie van de lanthaniden een zware taak die meer dan een eeuw in beslag nam. De vooruitgang volgde een gemeenschappelijk patroon.,
eerst ontdekte een chemicus een nieuw lanthanide; een paar jaar later kwam een andere wetenschapper langs en haalde een ander lanthanide uit het monster waarvan de eerste chemicus dacht dat het een enkel element was. Op deze manier ontstonden de lanthaniden in de loop van de tijd, elk uit de voorgaande, Een beetje als Russische matroesjka of “nestende” poppen.
extraheren van lanthaniden.
hoewel de meeste lanthaniden voor het eerst geïsoleerd werden in Scandinavië, zijn ze tegenwoordig te vinden op aanzienlijk warmere breedtegraden: Brazilië, India, Australië, Zuid-Afrika en de Verenigde Staten., De belangrijkste bron van lanthaniden is Monazit, een zwaar, donker zand waaruit ongeveer 50% van de lanthanidemassa die beschikbaar is voor wetenschap en industrie is gewonnen.
om lanthaniden van andere elementen te scheiden, worden ze in feite gecombineerd met andere stoffen—stoffen met een lage oplosbaarheid of neiging tot oplossen. Oxalaten en fluoriden zijn stoffen met een lage oplosbaarheid die voor dit doel worden begunstigd. Zodra zij van niet-lanthanideelementen worden gescheiden, wordt de ionenuitwisseling gebruikt om één lanthanideelement van een ander te scheiden.,
De straling van lanthanide-atomen neemt sterk af naarmate het atoomnummer toeneemt: met andere woorden, hoe hoger het atoomnummer, hoe kleiner de straal. Deze daling, als lanthanidesamentrekking wordt bekend, helpt in het proces van scheiding door ionenuitwisseling die. De lanthaniden worden gemengd in een ionische oplossing, dan doorgegeven langs een lange kolom met een hars. Verschillende lanthanide-ionen binden min of meer strak, afhankelijk van hun relatieve grootte, met de hars.
Na deze stap worden de lanthaniden uit de ionenwisselingskolom gewassen en in verschillende oplossingen gebracht., Een voor een worden ze volledig gescheiden, en worden vervolgens gemengd met zuur en verwarmd om een oxide te vormen. Het oxide wordt dan omgezet in een fluoride of chloride, die vervolgens met behulp van calcium kan worden gereduceerd tot metallische vorm.
REAL-LIFE toepassingen
de historische benadering
bij het bestuderen van de lanthaniden kan men eenvoudig langs het periodiek systeem bewegen, van lanthaan helemaal naar lutetium., Echter, in het licht van de moeilijkheden die betrokken zijn bij het extraheren van de lanthaniden uit elkaar, helpt een benadering langs historische lijnen bij het begrijpen van de unieke plaats die elke lanthanide inneemt in de totale familie.
De termen ” lanthanidenreeks “of zelfs” lanthaniden ” kwamen enige tijd niet voor—met andere woorden, wetenschappers wisten niet onmiddellijk dat ze met een hele groep metalen te maken hadden. Zoals vaak het geval is met wetenschappelijke ontdekkingen, volgde de isolatie van lanthaniden een onregelmatig patroon, en ze kwamen niet in volgorde van atoomnummer naar voren.,Cerium werd in feite ontdekt lang voor lanthaan zelf, in de tweede helft van de achttiende eeuw. Een paar decennia later volgde de ontdekking van een mineraal genaamd ytteriet, genoemd naar de stad Ytterby in Zweden, waar het in 1787 werd gevonden. In de volgende eeuw werden de meeste lanthaniden gewonnen uit ytteriet, en de meest verantwoordelijke hiervoor was de Zweedse scheikundige Carl Gustav Mosander (1797-1858).,omdat Mosander meer te maken had met de identificatie van de lanthaniden dan enig individu, is het middelste deel van dit historisch overzicht gewijd aan zijn bevindingen. De herkenning en isolatie van lanthaniden stopte echter niet bij Mosander; daarom wordt een andere groep mineralen besproken in de context van de laatste periode van Lanthanide-ontdekking.
vroege lanthaniden
CERIUM.in 1751 beschreef de Zweedse chemicus Axel Crönstedt (1722-1765) een nieuwe vorm van wolfraam die hij had gevonden in de Bastnäs-Mijn bij Riddarhyttan in Zweden., Later analyseerden de Duitse chemicus Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) en de Zweedse chemicus Wilhelm Hisinger (1766-1852) onafhankelijk van elkaar het materiaal dat Crönstedt had ontdekt. Het werd cerium genoemd naar Ceres, een asteroïde tussen Mars en Jupiter ontdekt in 1801. Pas in 1875 werd cerium gewonnen uit een erts.
een van de toepassingen voor cerium is een legering genaamd misch metaal, bereid door het smelten van de chloriden van cerium, lanthaan, neodymium en praseodymium., De resulterende legering ontbrandt bij of onder kamertemperatuur, en wordt vaak gebruikt als de “vuursteen” in een sigarettenaansteker, omdat het vonken wanneer wrijving van een metalen wiel wordt aangebracht.
Cerium wordt ook gebruikt in onderdelen van straalmotoren, als katalysator bij het maken van ammoniak, en als antiklopmiddel in benzine-dat wil zeggen, een chemische stof die de “kloppende” geluiden vermindert die soms in een motor worden geproduceerd door minderwaardige brandstofsoorten. In cerium (IV) oxide, of CeO2, wordt het gebruikt om de kleur te extraheren uit vroeger gekleurd glas, en wordt ook toegepast in emaille en keramische coatings.
GADOLINIUM.,in 1794, zeven jaar na de ontdekking van ytteriet, concludeerde de Finse chemicus Johan Gadolin (1760-1852) dat ytteriet een nieuw element bevatte, dat later naar hem gadoliniet werd genoemd. Een zeer vergelijkbare naam zou worden toegepast op een element uit ytteriet, en de jaren tussen Gadolin ‘ s ontdekking en de identificatie van dit element overspanden de periode van de meest vruchtbare activiteit in Lanthanide-identificatie.,in de volgende eeuw werden alle andere lanthaniden ontdekt binnen de samenstelling van gadoliniet; vervolgens vond de Zwitserse chemicus Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) in 1880 nog een ander element dat zich daarin verborg. De Franse chemicus Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) herontdekte hetzelfde element zes jaar later en stelde voor het gadolinium te noemen.
zilverachtig van kleur, maar met een soms gelige cast, heeft gadolinium een hoge neiging om te oxideren in droge lucht. Omdat het zeer efficiënt is voor het opvangen van neutronen, kan het nuttig zijn in kernreactoren., Echter, twee van de zeven isotopen zijn in zo ‘ n lage overvloed dat het weinig nucleaire toepassing heeft gehad. Gadolinium wordt onder andere gebruikt in fosforen voor kleurentelevisietoestellen en is veelbelovend voor ultra hightech-toepassingen: bij zeer lage temperaturen wordt het zeer magnetisch en kan het als supergeleider functioneren.
lanthaniden van Mosander
lanthaan.tussen 1839 en 1848 werd Mosander geconsumeerd door het extraheren van verschillende lanthaniden uit ytteriet, dat toen bekend stond als gadoliniet., Toen hij er voor het eerst in slaagde om een element te extraheren, noemde hij het lanthana, wat “verborgen” betekent.”Het materiaal, uiteindelijk aangeduid als lanthaan, werd niet bereid in zuivere vorm tot 1923.
net als een aantal andere lanthaniden is lanthaan zeer zacht—zo zacht dat het met een mes kan worden gesneden—en zilverwit van kleur. Een van de meest reactieve van de lanthaniden, het ontleedt snel in warm water, maar langzamer in koud water. Lanthaan reageert ook gemakkelijk met zuurstof en corrodeert snel in vochtige lucht.
net als bij cerium wordt lanthaan gebruikt in misch metaal., Omdat lanthaanverbindingen leiden tot speciale optische kwaliteiten in glas, wordt het ook gebruikt voor de vervaardiging van gespecialiseerde lenzen. Daarnaast worden lanthaanverbindingen met fluor of zuurstof gebruikt bij het maken van koolstofbooglampen voor de filmindustrie.
SAMARIUM.tijdens het analyseren van een oxide gevormd uit lanthanide in 1841, besloot Mosander dat hij een nieuw element aan zijn handen had, dat hij didymium noemde., Vier decennia later keek Boisbaudran nog eens naar didynium en concludeerde dat het geen element was, maar een element, dat hij samarium noemde naar het mineraal samarskiet, waarin het wordt gevonden. Nog later bestudeerde Marignac samarskiet toen hij ontdekte wat bekend werd als gadolinium. Maar daar eindigde het verhaal niet: nog later, in 1901, vond de Franse chemicus Eugéne-Anatole demarçay (1852-1903) nog een ander element, europium, in samarskiet.
Samarium wordt tegenwoordig toegepast in regelstaven voor kerncentrales, in koolstofbooglampen en inoptische masers en lasers., In legeringen met kobalt, wordt het gebruikt in de productie van de meest permanente elektromagneten beschikbaar. Samarium wordt ook gebruikt bij de vervaardiging van optisch glas en als katalysator bij de productie van ethylalcohol.
ERBIUM en TERBIUM.om terug te keren naar Mosander onderzocht hij ytteriet in 1843, toen hij drie verschillende “aarden” identificeerde, die hij ook naar Ytterby noemde: yttria, erbia en terbia. Erbium werd als eerste gewonnen., Een zuiver staal van het oxide werd in 1905 bereid door de Franse chemicus Georges Urbain (1872-1938) en de Amerikaanse chemicus Charles James (1880-1928), maar het zuivere metaal zelf werd pas in 1934 geëxtraheerd.
zacht en kneedbaar, met een glanzende zilverkleurige kleur, produceert erbium zouten (meestal combinaties van een metaal met een niet-metaal) die roze en rose zijn, waardoor het nuttig is als kleurstof. Een van de oxiden wordt bijvoorbeeld gebruikt om glas en porselein te kleuren met een rozeachtige cast. Het wordt ook in beperkte mate toegepast in de kernenergiesector.,Mosander identificeerde ook een ander element, terbium, in ytteriet in 1839, en Marignac isoleerde het in een zuiverdere vorm bijna een halve eeuw later, in 1886. Om een gemeenschappelijk thema te herhalen, is het zilvergrijs en zacht genoeg om met een mes te worden gesneden. Wanneer getroffen door een elektronenbundel, een verbinding met terbium zendt een groenachtige kleur, en dus wordt gebruikt als een fosfor in kleurentelevisietoestellen.
latere isolatie van lanthaniden
YTTERBIUM, HOLMIUM en THULIUM.,gedurende vele jaren na Mosander was er weinig vooruitgang in de ontdekking van lanthaniden, en toen het kwam, was het in de vorm van een derde element, genoemd naar de stad waar zoveel van de lanthaniden werden ontdekt. In 1878, bij het analyseren van wat Mosander erbia noemde, realiseerde Marignac zich dat het één of mogelijk twee elementen bevatte.een jaar later concludeerde de Zweedse chemicus Lars Frederik Nilson (1840-1899) dat het inderdaad twee elementen bevatte, die ytterbium en scandium werden genoemd. (Scandium, met een atoomnummer 21, maakt geen deel uit van de Lanthanide-serie., Urbain wordt soms gecrediteerd voor het ontdekken van ytterbium: in 1907 toonde hij aan dat de materialen die Nilson had bestudeerd eigenlijk een mengsel van twee oxiden waren. In ieder geval zei Urbain dat het krediet moet worden gegeven aan Marignac, die de belangrijkste figuur in de geschiedenis van lanthanides anders dan Mosander. Zoals voor ytterbium, het is zeer kneedbaar, net als andere lanthaniden, maar heeft geen significante toepassingen in de industrie.de Zweedse chemicus Per Teodor Cleve (1840-1905) vond in 1879 dat erbia nog twee elementen bevatte, die hij holmium en thulium noemde., Thulium verwijst naar de oude naam voor Scandinavië, Thule. De zeldzaamste van alle lanthaniden, thulium is zeer kneedbaar—en ook zeer duur. Daarom heeft het weinig commerciële toepassingen.
DYSPROSIUM.
genoemd naar het Griekse woord dysprositos, of “moeilijk te bereiken”, werd dysprosium ontdekt door Boisbaudran. In 1886 vond hij gallium (atoomnummer 31-geen lanthanide), samarium (hierboven besproken) en dysprosium. Een uit ytteriet gewonnen mineraal was vernoemd naar een eerder ontdekt element en het bleek verschillende elementen te bevatten., De stof in kwestie deze keer was holmium, die, zoals Boisbaudran ontdekte, eigenlijk een complex mengsel van terbium, Erbium, holmium, en het element dat hij had geïdentificeerd als dysprosium. Een zuiver monster werd pas in 1950 verkregen.
omdat dysprosium een hoge affiniteit heeft voor neutronen, wordt het soms gebruikt in regelstaven voor kernreactoren, waarbij neutronen worden “opgezogen” in plaats van dat een spons water opzuigt. Zacht, met een glanzende zilveren kleur als andere lanthaniden, wordt dysprosium ook toegepast in lasers, maar anders heeft het weinig toepassingen.
EUROPIUM en LUTETIUM.,hoewel veel andere lanthaniden zijn genoemd naar regio ‘ s in Noord-Europa, verwijst de naam voor europium naar het Europese continent als geheel, en die van lutetium is een verwijzing naar de oude Romeinse naam voor Parijs. Zoals eerder vermeld vond demarçay europium in samarskiet, een ontdekking die hij in 1901 deed. Eigenlijk had Boisbaudran gemerkt wat een nieuw element leek te zijn ongeveer een decennium eerder, maar hij deed het niet na te streven, en dus gaat het krediet naar zijn landgenoot.het meest reactieve van de lanthaniden reageert europium zowel op koud water als op lucht., Bovendien kan het spontaan in brand vliegen. Een van de meest efficiënte elementen voor het opvangen van neutronen, wordt toegepast in de besturingssystemen van kernreactoren. Bovendien worden de verbindingen ervan gebruikt bij de vervaardiging van fosforen voor TV-toestellen: een dergelijke verbinding, bijvoorbeeld, geeft een roodachtige gloed. Aan de lijm op Postzegels wordt nog een europiumverbinding toegevoegd, waardoor het mogelijk wordt om Postzegels elektronisch af te scannen.Urbain, die lutetium ontdekte, noemde het naar zijn geboortestad., Jakobus identificeerde ook een vorm van de lanthanide, maar kondigde zijn ontdekking pas veel later aan. Met uitzondering van enkele toepassingen in een katalysator bij de productie van aardolie, heeft lutetium weinig industriële toepassingen.
waar meer te leren
Cotton, Simon. Lanthaniden en actiniden. New York: Oxford University Press, 1991.Heiserman, David L. Exploring Chemical Elements and Their Compounds. Blue Ridge Summit, PA: Tab Books, 1992.
” luminescente lanthaniden “(website). <http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (16 mei 2001).
Snedden, Robert. Materiaal., Des Plaines, IL: Heinemann Library, 1999.
Oxlade, Chris. Metaal. Chicago: Heinemann Library, 2001.
Stwertka, Albert. Een gids voor de elementen. New York: Oxford University Press, 1996.
Whyman, Kathryn. Metalen en legeringen. Geïllustreerd door Louise Nevett en Simon Bishop. New York: Gloucester Press, 1988.
sleuteltermen
legering:
een mengsel van twee of meer metalen.
atoomnummer:
het aantal protonen in de kern van een atoom., Omdat dit getal voor elk element verschillend is, worden elementen op het periodiek systeem van elementen in volgorde van atoomnummer vermeld.
ION:
een atoom of atomen dat een of meer elektronen heeft verloren of gewonnen, en dus een netto elektrische lading heeft.
LANTHANIDECONTRACTIE:
een progressieve afname van de straal van lanthanideatomen naarmate het aantal atomen toeneemt.
LANTHAANREEKS:
een groep van 14 elementen, met atoomnummers 58 tot en met 71, die lanthaan volgen op het periodiek systeem der elementen.,
lanthaniden:
De lanthanidenreeks, samen met Lanthaan.
OXIDE:
een verbinding die wordt gevormd door de chemische binding van een metaal met zuurstof.
periodiek systeem van elementen:
een diagram met de elementen gerangschikt in volgorde van atoomnummer, waarbij ze worden gegroepeerd volgens gemeenschappelijke kenmerken.
zeldzame aardmetalen:
een oude naam voor de lanthaniden, omdat het moeilijk is ze te scheiden van verbindingen die andere lanthaniden of andere stoffen bevatten.,
overgangsmetalen:
groepen 3 tot en met 12 op de IUPAC of Europese versie van het periodiek systeem der elementen. De lanthaniden en actiniden, die onderaan het periodiek systeem verschijnen, zijn “takken” van deze familie.