Seria lantanowców

koncepcja

wzdłuż dolnej części układu okresowego pierwiastków, oddzielonych od głównej części wykresu, znajdują się dwa wiersze, z których pierwszy reprezentuje lantanowce. Złożony z lantanu i 14 elementów serii lantanowców, lantanidy były kiedyś nazywane „metalami ziem rzadkich”. W rzeczywistości nie są one szczególnie rzadkie: wiele z nich występuje w tak dużej ilości, jak bardziej znane pierwiastki, takie jak rtęć., Są one jednak trudne do wyodrębnienia, cecha, która określa je tak samo jak ich srebrzysty kolor; czasami wysoki poziom reaktywności; i wrażliwość na zanieczyszczenia. Chociaż niektóre lantanidy mają ograniczone zastosowania, członkowie tej grupy znajdują się we wszystkim, od zapalniczek do papierosów po ekrany telewizyjne i od kolorowego szkła po pręty kontrolne w reaktorach jądrowych.

Jak to działa

Definiowanie lantanowców

seria lantanowców składa się z 14 pierwiastków o liczbach atomowych od 58 do 71, które następują po lantanie w układzie okresowym pierwiastków., Te 14, wraz z aktynowcami-liczbami atomowymi od 90 do 103 – są wyłączone z układu okresowego ze względu na podobieństwa właściwości definiujących każdą grupę.

Lantanidy i aktynidy są jedynymi pierwiastkami, które wypełniają orbitale F. Lantanidy i aktynidy są w rzeczywistości „gałęziami” większej rodziny znanych jako metale przejściowe. Te ostatnie występują w grupach od 3 do 12 w wersji układu okresowego IUPAC, choć nie są ponumerowane w wersji północnoamerykańskiej.,

seria lantanowców jest zwykle łączona z lantanem, który ma liczbę atomową 57, pod ogólną pozycją lantanowców. Jak wskazuje ich nazwa, członkowie serii lantanidów mają pewne cechy z lantanem; stąd zbiorcze określenie ” lantanidy.”Te 15 elementów, wraz z ich symbolami chemicznymi, to:

większość z nich jest omówiona indywidualnie w tym eseju.

właściwości LANTANIDÓW.

jasny i srebrzysty wygląd, wiele z lantanowców—choć są metalami—jest tak miękkich, że można je ciąć nożem., Lantan, ceru, prazeodym, Neodym i Europu są wysoce reaktywne. Po ekspozycji na tlen tworzą powłokę tlenkową. (Tlenek jest związkiem utworzonym przez metal z tlenem.) Aby zapobiec temu rezultatowi, który niszczy Metal, te pięć lantanidów jest przechowywanych w oleju mineralnym.

reaktywne tendencje innych lantanidów są różne: na przykład gadolin i lutet nie utlenia się, dopóki nie zostaną wystawione na działanie powietrza przez bardzo długi czas. Niemniej jednak lantanidy wydają się być raczej „temperamentalne” jako klasa., Jeśli zanieczyszczone innymi metalami, takimi jak wapń, łatwo korodują, a jeśli zanieczyszczone niemetalami, takimi jak azot lub tlen, stają się kruche. Zanieczyszczenie zmienia również ich temperatury wrzenia, które wahają się od 1,506.2°F (819°C) dla ytterbium do 3,025.4°F (1,663°C) dla lutetu.

Lantanidy reagują szybko z gorącą wodą lub wolniej z zimną wodą, tworząc Gaz wodorowy. Jak wspomniano wcześniej, są one również dość reaktywne z tlenem i łatwo doświadczają spalania w powietrzu., Kiedy lantanid reaguje z innym pierwiastkiem, tworząc związek, zwykle traci trzy swoje zewnętrzne elektrony, tworząc tak zwane jony tripositive lub Atomy o ładunku elektrycznym +3. Jest to najbardziej stabilny jon dla lantanidów, które czasami rozwijają mniej stabilne jony +2 lub +4. Lantanidy mają tendencję do tworzenia związków jonowych lub związków zawierających jony dodatnie lub ujemne, z innymi substancjami-w szczególności fluorem.

czy naprawdę są „rzadkie”?,

chociaż kiedyś były one znane jako metale ziem rzadkich, lantanidy były tak określane, ponieważ, jak zobaczymy, są one trudne do wyodrębnienia ze związków zawierających inne substancje-w tym Inne lantanidy. Jeśli chodzi o rzadkość, rzadkość lantanidów, thulium, jest bardziej obfita niż arsen lub rtęć, a na pewno nikt nie myśli o nich jako o rzadkich substancjach. Pod względem części na milion (ppm), thulium ma obecność w skorupie ziemskiej odpowiadającą 0,2 ppm. Najbardziej obfity z lantanidów, ceru, ma obfitość 46 ppm, większą niż cyna.,

Jeśli z drugiej strony, rzadkość rozumiana jest nie w kategoriach niedoboru, ale w odniesieniu do trudności w uzyskaniu pierwiastka w czystej postaci, to rzeczywiście lantanidy są rzadkie. Ponieważ ich właściwości są tak podobne i ponieważ są skłonne gromadzić się w tych samych substancjach, pierwotna izolacja i identyfikacja lantanidów była żmudnym zadaniem, które zajęło znacznie ponad wiek. Postęp przebiegał według wspólnego schematu.,

najpierw chemik zidentyfikował nowy lantanid, a kilka lat później pojawił się inny naukowiec i wyodrębnił kolejny lantanid z próbki, którą pierwszy chemik uważał za pojedynczy pierwiastek. W ten sposób lantanidy pojawiły się z czasem, każdy z nich przed nim, raczej jak Rosyjska matryoshka lub” zagnieżdżające się ” lalki.

ekstrakcja LANTANIDÓW.

chociaż większość lantanowców została po raz pierwszy wyizolowana w Skandynawii, dziś znajdują się one w znacznie cieplejszych szerokościach geograficznych: Brazylii, Indiach, Australii, RPA i Stanach Zjednoczonych., Głównym źródłem lantanowców jest monazyt, ciężki, ciemny piasek, z którego wydobyto około 50% masy lantanowców dostępnej nauce i przemysłowi.

aby oddzielić lantanidy od innych pierwiastków, są one faktycznie łączone z innymi substancjami—substancjami o niskiej rozpuszczalności lub tendencji do rozpuszczania. Szczawiany i fluorki są substancjami o niskiej rozpuszczalności preferowanymi w tym celu. Po ich oddzieleniu od pierwiastków nie-lantanowych, wymiana jonowa jest używana do oddzielenia jednego pierwiastka lantanowego od drugiego.,

występuje wyraźny spadek promienia atomów lantanowców, ponieważ zwiększają one liczbę atomową: innymi słowy, im wyższa liczba atomowa, tym mniejszy promień. Ten spadek, znany jako skurcz lantanowców, pomaga w procesie separacji przez wymianę jonową. Lantanidy miesza się w roztworze jonowym, a następnie przepuszcza długą kolumnę zawierającą żywicę. Różne jony lantanowców wiążą się mniej lub bardziej szczelnie, w zależności od ich względnej wielkości, z żywicą.

Po tym etapie lantanidy są wypłukiwane z kolumny wymiany jonowej do różnych roztworów., Jeden po drugim, stają się całkowicie oddzielone, a następnie miesza się z kwasem i ogrzewa się w celu utworzenia tlenku. Tlenek jest następnie przekształcany w fluor lub chlorek, który następnie można zredukować do postaci metalicznej za pomocą wapnia.

zastosowania rzeczywiste

podejście historyczne

badając lantanidy, można po prostu poruszać się wzdłuż układu okresowego, od lantanu aż do lutetu., Jednak w świetle trudności związanych z ekstrakcją lantanidów, jeden od drugiego, podejście według historycznych linii pomaga w zrozumieniu wyjątkowego miejsca, które każdy lantanid zajmuje w całej rodzinie.

terminy „seria lantanowców” lub nawet „lantanowce” nie pojawiły się przez jakiś czas—innymi słowy, naukowcy nie od razu wiedzieli, że mają do czynienia z całą grupą metali. Jak to często bywa w przypadku odkryć naukowych, izolacja lantanidów przebiegała nieregularnie i nie wyłaniała się w kolejności liczby atomowej.,

Ceru odkryto na długo przed samym lantanem, w drugiej połowie XVIII wieku. Kilka dekad później odkryto minerał o nazwie ytteryt, nazwany od miasta Ytterby w Szwecji, w pobliżu którego został znaleziony w 1787 roku. W następnym stuleciu większość pozostałych lantanidów została wydobyta z iterytu, a człowiekiem najbardziej odpowiedzialnym za to był szwedzki chemik Carl Gustav Mosander (1797-1858).,

ponieważ Mosander miał więcej wspólnego z identyfikacją lantanidów niż jakikolwiek osobnik, środkowa część tego przeglądu historycznego poświęcona jest jego odkryciom. Rozpoznanie i izolacja lantanowców nie poprzestała jednak na Mosanderze; dlatego też w kontekście ostatniego okresu odkrycia lantanowców omawiana jest pewna grupa minerałów.

wczesne Lantanidy

ceru.

w 1751 roku szwedzki chemik Axel Crönstedt (1722-1765) opisał nową formę wolframu, którą znalazł w kopalni Bastnäs w pobliżu Riddarhyttan w Szwecji., Później niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) i szwedzki chemik Wilhelm Hisinger (1766-1852) niezależnie przeanalizowali materiał, który odkrył Crönstedt i obaj doszli do wniosku, że musi to być nowy pierwiastek. Nazwa planetoidy pochodzi od Ceres, planetoidy między Marsem a Jowiszem, odkrytej w 1801 roku. Dopiero w 1875 roku z rudy wydobywano cerium.

wśród zastosowań ceru jest stop zwany misch metal, przygotowany przez stapianie chlorków ceru, lantanu, neodymu i prazeodymu., Otrzymany stop zapala się w temperaturze pokojowej lub poniżej i jest często używany jako „krzemień”w zapalniczce, ponieważ iskrzy podczas tarcia z metalowego koła.

Cer jest również stosowany w częściach silników odrzutowych, jako katalizator w produkcji amoniaku i jako środek przeciwstukowy w benzynie-to znaczy substancja chemiczna, która zmniejsza Dźwięki „pukania” czasami wytwarzane w silniku przez gorsze gatunki paliwa. W Tlenku Ceru (IV) lub CeO2 stosuje się go do ekstrakcji koloru z wcześniej barwionego szkła, a także stosuje się go w powłokach emaliowanych i ceramicznych.

gadolin.,

w 1794 roku, siedem lat po odkryciu ytterytu, Fiński chemik Johan Gadolin (1760-1852) stwierdził, że ytteryt zawiera nowy pierwiastek, który później został nazwany gadolinitem na jego cześć. Bardzo podobna nazwa byłaby stosowana do pierwiastka wydobytego z ytterytu, a lata między odkryciem gadolinu a identyfikacją tego pierwiastka obejmowały okres najbardziej owocnej aktywności w identyfikacji lantanowców.,

w następnym stuleciu wszystkie inne lantanidy zostały odkryte w składzie gadolinitu; następnie, w 1880 roku szwajcarski chemik Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) znalazł w nim jeszcze jeden pierwiastek. Francuski chemik Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) odkrył ten sam pierwiastek sześć lat później i zaproponował nazwę gadolinium.

w Kolorze srebrzystym, ale z czasem żółtawym odlewem, gadolin ma wysoką tendencję do utleniania się w suchym powietrzu. Ponieważ jest bardzo wydajny do wychwytywania neutronów, może być przydatny w reaktorach jądrowych., Jednak dwa z jego siedmiu izotopów są tak niskie, że ma niewiele zastosowań jądrowych. Stosowany między innymi w luminoforach do kolorowych telewizorów, gadolin wykazuje pewną obietnicę dla zastosowań ultra hightech: w bardzo niskich temperaturach staje się wysoce magnetyczny i może działać jako nadprzewodnik.

lantanowce Mosandera

lantan.

w latach 1839-1848 Mosander był spożywany z ekstrakcją różnych lantanidów z ytterytu, który wtedy stał się znany jako gadolinit., Kiedy po raz pierwszy udało mu się wydobyć element, nazwał go lanthana, co oznacza ” ukryty.”Materiał, ostatecznie określany jako lantan, nie został przygotowany w czystej postaci aż do 1923 roku.

podobnie jak wiele innych lantanowców, lantan jest bardzo miękki—tak miękki, że można go ciąć nożem—i srebrzystobiały kolor. Wśród najbardziej reaktywnych lantanidów rozkłada się szybko w gorącej wodzie, ale wolniej w zimnej wodzie. Lantan reaguje również łatwo z tlenem i szybko koroduje w wilgotnym powietrzu.

podobnie jak w przypadku ceru, lantan jest stosowany w misch metalu., Ponieważ związki lantanu mają w szkle szczególne właściwości optyczne, stosuje się je również do produkcji specjalistycznych soczewek. Ponadto związki lantanu z fluorem lub tlenem są używane do produkcji lamp łukowych węglowych dla przemysłu filmowego.

SAMARIUM.

analizując tlenek utworzony z lantanidu w 1841 roku, Mosander zdecydował, że ma na rękach nowy pierwiastek, który nazwał didymium., Cztery dekady później Boisbaudran ponownie przyjrzał się didynium i doszedł do wniosku, że nie jest ono pierwiastkiem, lecz zawiera pierwiastek, który nazwał samarium od minerału samarskit, w którym się znajduje. Jeszcze później Marignac badał samarskite, kiedy odkrył coś, co stało się znane jako gadolin. Ale historia nie skończyła się na tym: jeszcze później, w 1901 roku, francuski chemik Eugéne-Anatole Demarçay (1852-1903) znalazł w samarskicie jeszcze jeden pierwiastek, europium.

Samarium jest obecnie stosowane w prętach kontrolnych elektrowni jądrowych, w lampach łukowych węglowych oraz inoptycznych maserach i laserach., W stopach z kobaltem jest stosowany do produkcji najbardziej trwałych elektromagnesów dostępnych. Samar jest również wykorzystywany w produkcji szkła optycznego oraz jako katalizator w produkcji alkoholu etylowego.

ERBIUM i TERBIUM.

aby wrócić do Mosandera, badał ytterite w 1843 roku, kiedy zidentyfikował trzy różne „ziemie”, z których wszystkie nazwał po Ytterby: yttria, erbia i terbia. Erbium jako pierwsze zostało wydobyte., Czysta próbka tlenku została przygotowana w 1905 roku przez francuskiego chemika Georges ' a Urbaina (1872-1938) i amerykańskiego chemika Charlesa Jamesa (1880-1928), ale sam czysty metal został wyekstrahowany dopiero w 1934 roku.

miękki i plastyczny, o błyszczącym srebrzystym kolorze, erbium wytwarza sole (które są zwykle kombinacjami metalu z niemetalem), które są różowe i różowe, dzięki czemu są przydatne jako środek barwiący. Jeden z jego tlenków jest wykorzystywany na przykład do zabarwienia szkła i porcelany różowawym odlewem. Jest on również stosowany, w ograniczonym zakresie, w energetyce jądrowej.,

Mosander zidentyfikował również inny pierwiastek, terbium, w yttericie w 1839 roku, a Marignac wyizolował go w czystszej formie prawie pół wieku później, w 1886 roku. Aby powtórzyć wspólny motyw, jest srebrzysto-szary i wystarczająco miękki, aby można go było przeciąć nożem. Po uderzeniu wiązką elektronów związek zawierający terbium emituje zielonkawy kolor, a zatem jest używany jako fosfor w kolorowych telewizorach.

późniejsza Izolacja lantanowców

YTTERBIUM, Holm i THULIUM.,

przez wiele lat po Mosanderze postęp w odkryciu lantanidów był niewielki, a kiedy przyszedł, był w formie trzeciego pierwiastka, nazwanego od miasta, w którym odkryto tak wiele lantanidów. W 1878 roku, analizując to, co Mosander nazwał erbią, Marignac zdał sobie sprawę, że zawiera jeden lub prawdopodobnie dwa elementy.

rok później Szwedzki chemik Lars Frederik Nilson (1840-1899) doszedł do wniosku, że rzeczywiście zawiera on dwa pierwiastki, które nazwano ytterbium i scandium. (Skand, o liczbie atomowej 21, nie jest częścią serii lantanowców.,) Urbainowi przypisuje się czasami odkrycie ytterbium: w 1907 roku wykazał, że materiały badane przez Nilsona były w rzeczywistości mieszaniną dwóch tlenków. W każdym razie Urbain powiedział, że należy przyznać uznanie Marignacowi, który jest najważniejszą postacią w historii lantanidów inną niż Mosander. Jeśli chodzi o ytterbium, jest on bardzo plastyczny, podobnie jak inne lantanidy, ale nie ma znaczących zastosowań w przemyśle.

Szwedzki chemik per Teodor Cleve (1840-1905) odkrył w 1879, że erbia zawiera jeszcze dwa pierwiastki, które nazwał Holm i thulium., Thulium nawiązuje do starożytnej nazwy Skandynawii, Thule. Najrzadszy ze wszystkich lantanowców, thulium jest bardzo plastyczny—a także bardzo drogi. Stąd ma niewiele zastosowań komercyjnych.

DYSPROSIUM.

nazwa pochodzi od greckiego słowa dysprosit, czyli „trudny do zdobycia”. dysprosium zostało odkryte przez Boisbaudrana. Oddzielając ytteryt w 1886 roku odkrył gal (o liczbie atomowej 31-nie lantanid); Samar (omówiony powyżej); i dysprosium. Po raz kolejny minerał wydobyty z ytterytu został nazwany po wcześniej odkrytym pierwiastku i po raz kolejny okazał się zawierać kilka pierwiastków., Substancją, o której mowa tym razem, był Holm, który, jak odkrył Boisbaudran, był w rzeczywistości złożoną mieszaniną terbu, erbu, holmu i pierwiastka, który zidentyfikował jako dysprosium. Czystą próbkę otrzymano dopiero w 1950 roku.

ponieważ dysprozum ma duże powinowactwo do neutronów, jest czasami stosowany w prętach kontrolnych do reaktorów jądrowych, „namaczając” neutrony, a raczej jako gąbka nasiąkająca wodą. Miękki, o błyszczącym srebrnym kolorze, podobnie jak inne lantanidy, dysprozium jest również stosowane w laserach, ale poza tym ma niewiele zastosowań.

EUROPIUM i LUTETIUM.,

podczas gdy wiele innych lantanidów nosi nazwy regionów w Europie Północnej, nazwa europium odnosi się do kontynentu europejskiego jako całości, a nazwa lutetu jest odniesieniem do starej rzymskiej nazwy Paryża. Jak wspomniano wcześniej, Demarçay znalazł europium w samarskicie, którego odkrycia dokonał w 1901 roku. W rzeczywistości Boisbaudran zauważył coś, co wydawało się nowym elementem około dekady wcześniej, ale nie dążył do tego, a tym samym zasługa jego rodaka.

najbardziej reaktywny z lantanidów, europium reaguje zarówno na zimną wodę, jak i na powietrze., Ponadto jest w stanie spontanicznie zapalić się. Jednym z najbardziej efektywnych elementów do wychwytywania neutronów jest stosowany w układach sterowania reaktorów jądrowych. Ponadto jego związki są wykorzystywane do produkcji luminoforów do telewizorów: jeden z takich związków, na przykład, emituje czerwonawy blask. Do kleju na znaczkach pocztowych dodawany jest jeszcze inny związek Europu, umożliwiający elektroniczne skanowanie znaczków.

Urbain, który odkrył lutet, nazwał go imieniem swojego rodzinnego miasta., James zidentyfikował również postać lantanidu, ale nie ogłosił swojego odkrycia dopiero znacznie później. Z wyjątkiem niektórych zastosowań na katalizatorze w produkcji ropy naftowej, lutet ma niewiele zastosowań przemysłowych.

gdzie dowiedzieć się więcej

Lantanidy i Aktynidy. [2010-09-09 19: 41]

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

„luminescencyjne Lantanidy” (Strona WWW). <http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (16 maja 2001).

Snedden Robert Materiały., Des Plaines, IL: Heinemann Library, 1999.

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

Stwertka, Albert. Przewodnik po żywiołach. [2010-03-09 19: 46]

Whyman, Kathryn. Metale i stopy. Ilustrowany przez Louise Nevett i Simona Bishopa. [2010-08-08 19: 48]

kluczowe terminy

stop:

mieszanina dwóch lub więcej metali.

liczba atomowa:

liczba protonów w jądrze atomu., Ponieważ liczba ta jest różna dla każdego pierwiastka, pierwiastki są wymienione w układzie okresowym pierwiastków w kolejności liczby atomowej.

jon:

atom lub atomy, które straciły lub zyskały jeden lub więcej elektronów, a tym samym mają ładunek elektryczny netto.

skurcz lantanowców:

postępujący spadek promienia atomów lantanowców w miarę wzrostu liczby atomów.