CONCEPT
de-a Lungul partea de jos a tabelului periodic al elementelor, separate de corpul principal al diagramei, sunt două rânduri, dintre care prima reprezintă lantanide. Compuse din lantan și cele 14 elemente ale seriei de lantanide, lantanidele au fost numite odată metalele „pământuri rare”. De fapt, ele nu sunt deosebit de rare: multe dintre ele apar în aceeași abundență ca și elemente mai familiare, cum ar fi mercurul., Ele sunt, totuși, dificil de extras, o caracteristică care le definește la fel de mult ca și culoarea lor argintie; uneori niveluri ridicate de reactivitate; și sensibilitate la contaminare. Deși unele lantanide au utilizări limitate, membrii acestui grup se găsesc în orice, de la brichete la ecrane TV și de la sticlă colorată la tije de control în reactoarele nucleare.
CUM FUNCȚIONEAZĂ
Definirea Lantanide
serie nou este format din 14 elemente cu numere atomice 58 și 71, care urmează lantan pe tabelul periodic al elementelor., Aceste 14, împreună cu actinidele—numerele atomice 90 până la 103—sunt retrase din tabelul periodic datorită asemănărilor în proprietățile care definesc fiecare grup.mai exact, lantanidele și actinidele sunt singurele elemente care umplu F-orbitalii. Lantanidele și actinidele sunt de fapt” ramuri ” ale familiei mai mari cunoscute sub numele de metale de tranziție. Acestea din urmă apar în grupurile de la 3 la 12 în versiunea IUPAC a tabelului periodic, deși nu sunt numerotate în versiunea nord-americană.,seria de lantanide este de obicei combinată cu lantan, care are un număr atomic de 57, sub titlul general al lantanidelor. După cum indică și numele lor, membrii seriei de lantanide împărtășesc anumite caracteristici cu lantanul; de aici termenul colectiv „lantanide.”Aceste 15 elemente, împreună cu simbolurile lor chimice, sunt:
cele mai multe dintre acestea sunt discutate individual în acest eseu.
proprietățile lantanidelor.cu aspect luminos și argintiu, multe dintre lantanide—deși sunt metale-sunt atât de moi încât pot fi tăiate cu un cuțit., Lantanul, ceriul, praseodimul, neodimul și europiul sunt foarte reactive. Când sunt expuse la oxigen, ele formează o acoperire cu oxid. (Un oxid este un compus format din metal cu un oxigen.) Pentru a preveni acest rezultat, care pătează metal, aceste cinci lantanide sunt păstrate depozitate în ulei mineral.tendințele reactive ale celorlalte lantanide variază: de exemplu, gadoliniul și lutețiul nu se oxidează până când nu au fost expuse la aer pentru o perioadă foarte lungă de timp. Cu toate acestea, lantanidele tind să fie mai degrabă „temperamentale” ca clasă., Dacă sunt contaminate cu alte metale, cum ar fi calciul, acestea corodează cu ușurință, iar dacă sunt contaminate cu nemetale, cum ar fi azotul sau oxigenul, devin fragile. Contaminarea modifică, de asemenea, punctele lor de fierbere, care variază de la 1,506.2°F (819°C) pentru ytterbium la 3,025.4°F (1,663°c) Pentru lutețiu.lantanidele reacționează rapid cu apă caldă, sau mai lent cu apă rece, pentru a forma hidrogen gazos. După cum sa menționat mai devreme, ele sunt, de asemenea, destul de reactive cu oxigen, și ei experiență de ardere ușor în aer., Când o lantanidă reacționează cu un alt element pentru a forma un compus, de obicei pierde trei dintre electronii săi exteriori pentru a forma ceea ce se numesc ioni tripozitivi sau atomi cu o sarcină electrică de +3. Acesta este cel mai stabil ion pentru lantanide, care uneori dezvoltă ioni mai puțin stabili +2 sau +4. Lantanidele tind să formeze compuși ionici sau compuși care conțin ioni pozitivi sau negativi, cu alte substanțe—în special fluor.
sunt într-adevăr „Rare”?,
deși au fost odată cunoscute sub numele de metale din pământuri rare, lantanidele au fost numite astfel deoarece, după cum vom vedea, ele sunt dificil de extras din compuși care conțin alte substanțe—inclusiv alte lantanide. În ceea ce privește raritatea, cel mai rar dintre lantanide, thulium, este mai abundent decât arsenicul sau mercurul și, cu siguranță, nimeni nu se gândește la acestea ca substanțe rare. În ceea ce privește părțile pe milion (ppm), tuliul are o prezență în crusta pământului echivalentă cu 0, 2 ppm. Cea mai abundentă dintre lantanide, ceriul, are o abundență de 46 ppm, mai mare decât cea a staniului.,dacă, pe de altă parte, raritatea nu este înțeleasă în ceea ce privește deficitul, ci în ceea ce privește dificultatea de a obține un element în forma sa pură, atunci într-adevăr lantanidele sunt rare. Deoarece proprietățile lor sunt atât de asemănătoare și pentru că sunt înclinați să se adune în aceleași substanțe, izolarea și identificarea inițială a lantanidelor a fost o sarcină dificilă care a durat mai bine de un secol. Progresul a urmat un model comun.,
în Primul rând, un chimist identificat o nouă lantanide; apoi, câțiva ani mai târziu, un alt om de stiinta a venit și un alt extras de lantanide din eșantionul că primul chimist a considerat a fi un singur element. În acest fel, lantanidele au apărut de-a lungul timpului, fiecare dintre cele dinaintea ei, mai degrabă ca matryoshka rusă sau păpuși „cuibăritoare”.
extragerea lantanidelor.deși majoritatea lantanidelor au fost izolate pentru prima dată în Scandinavia, astăzi ele se găsesc în latitudini considerabil mai calde: Brazilia, India, Australia, Africa de Sud și Statele Unite., Principala sursă de lantanide este monazitul, un nisip greu, întunecat, din care a fost extras aproximativ 50% din masa de lantanide disponibilă științei și Industriei.pentru a separa lantanidele de alte elemente, ele sunt de fapt combinate cu alte substanțe—substanțe cu o solubilitate scăzută sau tendință de dizolvare. Oxalații și fluorurile sunt substanțe cu solubilitate scăzută favorizate în acest scop. Odată ce sunt separate de elementele non-lantanide, schimbul de ioni este utilizat pentru a separa un element de lantanidă de altul.,există o scădere pronunțată a razelor atomilor de lantanidă pe măsură ce cresc numărul atomic: cu alte cuvinte, cu cât numărul atomic este mai mare, cu atât raza este mai mică. Această scădere, cunoscută sub numele de contracția lantanidei, ajută la procesul de separare prin schimbul de ioni. Lantanidele sunt amestecate într-o soluție Ionică, apoi trecute pe o coloană lungă care conține o rășină. Diferiți ioni de lantanidă se leagă mai mult sau mai puțin strâns, în funcție de dimensiunea lor relativă, cu rășina.după această etapă, lantanidele sunt spălate din coloana de schimb ionic și în diferite soluții., Unul câte unul, ele devin complet separate, apoi sunt amestecate cu acid și încălzite pentru a forma un oxid. Oxidul este apoi transformat într-o fluorură sau clorură, care poate fi apoi redusă la formă metalică cu ajutorul calciului.
aplicații din viața reală
abordarea istorică
în studierea lantanidelor, se poate trece pur și simplu de-a lungul tabelului periodic, de la lantan până la lutețiu., Cu toate acestea, având în vedere dificultățile implicate în extragerea lantanide, unul de la altul, o abordare de-a lungul istorice linii sida în înțelegerea loc unic fiecare lantanide ocupă în general de familie.termenii „serii de lantanide” sau chiar „lantanide” nu au apărut de ceva timp—cu alte cuvinte, oamenii de știință nu au știut imediat că au de-a face cu un întreg grup de metale. Așa cum se întâmplă adesea cu descoperirea științifică, izolarea lantanidelor a urmat un model neregulat și nu au apărut în ordinea numărului atomic.,de fapt, ceriul a fost descoperit cu mult înainte de lantan, în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea. Au urmat apoi, câteva decenii mai târziu, descoperirea unui mineral numit ytterite, numit după orașul de Ytterby, Suedia, lângă care a fost găsit în 1787. În secolul următor, cele mai multe din restul de lantanide au fost extrase din ytterite, și omul cel mai responsabil pentru acest lucru a fost chimistul suedez Carl Gustav Mosander (1797-1858).,deoarece Mosander a avut mai mult de-a face cu identificarea lantanidelor decât orice individ, partea de mijloc a acestei prezentări istorice este dedicată descoperirilor sale. Recunoașterea și izolarea de lantanide nu a oprit cu Mosander, cu toate acestea; prin urmare, anothergroup de minerale este discutat în contextul acesta din urmă perioadă de lantanide descoperire.
lantanide timpurii
ceriu.
În 1751, chimist suedez Axel Crönstedt (1722-1765) a descris ceea ce el a crezut a fost o nouă formă de tungsten, care le-a găsit la Bastnäs Mea aproape Riddarhyttan, Suedia., Mai târziu, chimistul German Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) și chimist suedez Wilhelm Hisinger (1766-1852) independent analizat materialul Crönstedt a descoperit, și ambele au ajuns la concluzia că acesta trebuie să fie un element nou. A fost numit cerium în onoarea lui Ceres, un asteroid între Marte și Jupiter descoperit în 1801. Nu până în 1875 a fost de fapt ceriu extras dintr-un minereu.printre aplicațiile pentru ceriu se numără un aliaj numit misch metal, preparat prin topirea clorurilor de ceriu, lantan, neodim și Praseodim., Aliajul rezultat se aprinde la sau sub temperatura camerei și este adesea folosit ca „flint” într-o brichetă, deoarece scânteie atunci când se aplică frecare de pe o roată metalică.ceriul este, de asemenea, utilizat în piesele motorului cu reacție, ca catalizator în fabricarea amoniacului și ca agent anti-lovire în benzină—adică o substanță chimică care reduce sunetele de „lovire” produse uneori într-un motor de grade inferioare de combustibil. În oxidul de ceriu (IV) sau CeO2, se utilizează pentru a extrage culoarea din sticlă colorată anterior și se aplică și în acoperiri emailate și ceramice.
gadoliniu.,
În 1794, după șapte ani de la descoperirea ytterite, chimist finlandez Johan Gadolin (1760-1852) a concluzionat că ytterite conținea un element nou, care mai târziu a fost numit gadolinite în onoarea lui. Un nume foarte asemănătoare, s-ar fi aplicat unui element extras din ytterite, și anii între Gadolin descoperirea și identificarea acestui element a durat perioada de activitate mai fructuoasă în lantanide de identificare.,
În secolul următor, toate celelalte lantanide au fost descoperite în compoziția gadolinite; apoi, în 1880, chimistul Elvetian Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) a găsit încă un alt element ascuns în ea. Chimistul francez Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) a redescoperit același element șase ani mai târziu și a propus ca acesta să fie numit gadoliniu.de culoare argintie, dar cu o castă uneori gălbuie, gadoliniul are o tendință ridicată de oxidare în aer uscat. Deoarece este foarte eficient pentru captarea neutronilor, ar putea fi util în reactoarele nucleare., Cu toate acestea, doi dintre cei șapte izotopi ai săi sunt într-o abundență atât de scăzută încât au avut puțină aplicație nucleară. Folosit în fosfori pentru televizoarele color, printre altele, gadolinium arată o promisiune pentru aplicațiile ultra hightech: la temperaturi foarte scăzute devine extrem de magnetic și poate funcționa ca un superconductor.
lantanidele lui Mosander
lantan.
Între 1839 și 1848, Mosander a fost consumat cu extragerea diverse lantanide de ytterite, care de atunci a ajuns să fie cunoscut sub numele de gadolinite., Când a reușit pentru prima dată să extragă un element, l-a numit Lantana, adică „ascuns.”Materialul, denumit în cele din urmă lantan, nu a fost preparat în formă pură până în 1923.ca o serie de alte lantanide, lantanul este foarte moale—atât de moale poate fi tăiat cu un cuțit—și de culoare alb-argintiu. Printre cele mai reactive dintre lantanide, se descompune rapid în apă fierbinte, dar mai lent în apă rece. De asemenea, lantanul reacționează ușor cu oxigenul și corodează rapid în aerul umed.ca și în cazul ceriului, lantanul este utilizat în metalul misch., Deoarece compușii de lantan aduc calități optice speciale în sticlă, se utilizează și pentru fabricarea lentilelor specializate. În plus, compușii de lantan cu fluor sau oxigen sunt utilizați în fabricarea lămpilor cu arc de carbon pentru industria cinematografică.
samariu.
în Timp ce analiza un oxid format din lantanide în 1841, Mosander a decis că el a avut un element nou pe mâinile lui, pe care el a numit didymium., Patru decenii mai târziu, Boisbaudran a luat o privire la didynium, și a concluzionat că acesta nu a fost un element; mai degrabă, conținea un element, pe care el a numit samariu după minerală samarskite, în care se găsește. Mai târziu, Marignac studia samarskitul când a descoperit ceea ce a ajuns să fie cunoscut sub numele de gadoliniu. Dar povestea nu se termina aici: chiar și mai târziu, în 1901, chimistul francez Eugéne-Anatole Demarçay (1852-1903) a găsit încă un alt element, europiu, în samarskite.Samariul se aplică astăzi în tijele de control ale centralei nucleare, în lămpile cu arc de carbon și în maserele și laserele inoptice., În aliajele cu cobalt, se utilizează la fabricarea celor mai permanenți electromagneți disponibili. Samariul este, de asemenea, utilizat în fabricarea sticlei optice și ca catalizator în producția de alcool etilic.
erbiu și terbiu.pentru a se întoarce la Mosander, el examina ytteritul în 1843, când a identificat trei „pământuri” diferite, toate numite după Ytterby: yttria, erbia și terbia. Erbium a fost primul care a fost extras., O mostră pură de oxid a fost pregătit în anul 1905 de către chimistul francez Georges Urbain (1872-1938) și chimistul American Charles James (1880-1928), dar pur metal în sine a fost extras doar în 1934.moale și maleabil, cu o culoare argintie lucioasă, erbium produce săruri (care sunt de obicei combinații de metal cu un nemetal) care sunt roz și trandafir, făcându-l util ca agent de nuanțare. Unul dintre oxizii săi este utilizat, de exemplu, pentru a nuanța sticla și porțelanul cu o castă roz. De asemenea, se aplică, într-o măsură limitată, în industria energiei nucleare.,
Mosander identificat, de asemenea, un alt element, terbiu, în ytterite în 1839, și Marignac izolat-o într-o formă mai pură de aproape o jumătate de secol mai târziu, în 1886. Pentru a repeta o temă comună, este gri-argintiu și suficient de moale pentru a fi tăiat cu un cuțit. Când este lovit de un fascicul de electroni, un compus care conține terbiu emite o culoare verzuie și astfel este folosit ca fosfor în televizoarele color.
izolarea ulterioară a lantanidelor
YTTERBIU, holmiu și tuliu.,timp de mulți ani după Mosander, au existat puține progrese în descoperirea lantanidelor, iar când a venit, a fost sub forma unui al treilea element, numit după orașul în care au fost descoperite atât de multe dintre lantanide. În 1878, analizând ceea ce Mosander numise erbia, Marignac și-a dat seama că conținea unul sau posibil două elemente.un an mai târziu, chimistul suedez Lars Frederik Nilson (1840-1899) a concluzionat că conține într-adevăr două elemente, numite ytterbium și scandium. (Scandiu, cu un număr atomic de 21, nu face parte din seria lantanidă.,) Urbain este uneori creditat pentru descoperirea ytterbiului: în 1907, el a arătat că materialele studiate de Nilson erau de fapt un amestec de doi oxizi. În orice caz, Aceasta a spus că de credit ar trebui să fie dat la Marignac, care este cea mai importantă figură din istoria de lantanide, altele decât Mosander. În ceea ce privește ytterbiul, este foarte maleabil, ca și alte lantanide, dar nu are aplicații semnificative în industrie.chimistul suedez Per Teodor Cleve (1840-1905) a descoperit în 1879 că erbia conținea încă două elemente, pe care le-a numit holmium și thulium., Thulium se referă la numele antic pentru Scandinavia, Thule. Cel mai rar dintre toate lantanidele, tuliul este foarte maleabil—și, de asemenea, foarte scump. Prin urmare, are puține aplicații comerciale.
Disprosiu.
numit pentru cuvântul grecesc disprositos sau „greu de ajuns”, dysprosium a fost descoperit de Boisbaudran. Separând ytteritul în 1886, a găsit galiu (numărul atomic 31—nu o lantanidă); samariu (discutat mai sus); și Disprosiu. Încă o dată, un mineral extras din ytterite a fost numit după un element descoperit anterior și, din nou, sa dovedit a conține mai multe elemente., Substanța în cauză de data aceasta a fost holmiul, care, după cum a descoperit Boisbaudran, a fost de fapt un amestec complex de terbiu, erbiu, holmiu și elementul pe care l-a identificat ca Disprosiu. O probă pură nu a fost obținută până în 1950.deoarece disprosiul are o afinitate mare pentru neutroni, este uneori folosit în tijele de control pentru reactoarele nucleare, „înmuierea” neutronilor mai degrabă ca un burete absoarbe apa. Soft, cu o culoare argintie lucioasă ca și alte lantanide, disprosiul este aplicat și în lasere, dar altfel are puține utilizări.
Europiu și lutețiu.,în timp ce multe alte lantanide sunt numite pentru regiuni din nordul Europei, numele pentru europium se referă la continentul European în ansamblu, iar cel al lutețiului este o referire la vechiul nume Roman Pentru Paris. Așa cum am menționat mai devreme, Demarçay a găsit europium în samarskite, descoperire pe care a făcut-o în 1901. De fapt, Boisbaudran a observat ceea ce părea a fi un element nou cu aproximativ un deceniu înainte, dar nu a urmărit-o și, astfel, creditul se duce la conaționalul său.cel mai reactiv dintre lantanide, europiul răspunde atât la apa rece, cât și la aer., În plus, este capabil să prindă foc spontan. Printre cele mai eficiente elemente pentru captarea neutronilor, se aplică în sistemele de control ale reactoarelor nucleare. În plus, compușii săi sunt utilizați la fabricarea fosforilor pentru televizoare: un astfel de compus, de exemplu, emite o strălucire roșiatică. Cu toate acestea, un alt compus europium este adăugat la adezivul de pe timbrele poștale, ceea ce face posibilă scanarea electronică a timbrelor.Urbain, care a descoperit lutețiul, la numit după orașul său natal., James a identificat, de asemenea, o formă de lantanidă, dar nu și-a anunțat descoperirea decât mult mai târziu. Cu excepția unor utilizări la un catalizator în producția de petrol, lutețiul are puține aplicații industriale.
în cazul în care pentru a afla mai multe
bumbac, Simon. Lantanide și actinide. New York: Oxford University Press, 1991.Heiserman, David L. explorarea elementelor chimice și a compușilor acestora. Blue Ridge Summit, PA: Tab Books, 1992.”lantanide luminescente” (site web). <http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (16 Mai 2001).
Snedden, Robert. Materiale., Des Plaines, IL: Heinemann Library, 1999.Oxlade, Chris. Metal. Chicago: Heinemann Library, 2001.Stwertka, Albert. Un ghid pentru elementele. New York: Oxford University Press, 1996.
Whyman, Kathryn. Metale și aliaje. Ilustrat de Louise Nevett și Simon Bishop. New York: Gloucester Press, 1988.
termeni cheie
aliaj:
un amestec de două sau mai multe metale.
număr ATOMIC:
numărul de protoni din nucleul unui atom., Deoarece acest număr este diferit pentru fiecare element, elementele sunt enumerate în tabelul periodic al elementelor în ordinea numărului atomic.
ION:
un atom sau atomi care a pierdut sau câștigat unul sau mai mulți electroni, și, astfel, are o sarcină electrică netă.
LANTANIDE CONTRACȚIE:
O scădere progresivă în raza de lantanide atomi, deoarece crește în atomicnumber.
SERIE nou:
Un grup de 14 elemente cu numere atomice 58 through71, care urmează lantan pe tabelul periodic al elementelor.,
lantanide:
seria de lantanide, împreună cu lantan.
oxid:
un compus format prin legarea chimică a unui metal cu oxigen.
tabelul PERIODIC al elementelor:
o diagramă care arată elementele aranjate în ordinea numărului atomic, grupându-le în funcție de caracteristicile comune.metale din pământuri RARE:
un nume vechi pentru lantanide, reflectând dificultatea de a le separa de compușii care conțin alte lantanide sau alte substanțe.,
metale de tranziție:
grupurile 3 până la 12 pe IUPAC sau versiunea europeană a tabelului periodic al elementelor. Lantanidele și actinidele, care apar în partea de jos a tabelului periodic, sunt „ramuri” ale acestei familii.