Lanthanide Series

CONCEPT

längs botten av det periodiska systemet med element, separerade från diagrammets huvudkropp, är två rader, varav den första representerar lanthaniderna. Består av lantanum och de 14 elementen i lanthanidserien, kallades lanthaniderna en gång de ”sällsynta jordartsmetallerna”. Faktum är att de inte är särskilt sällsynta: många av dem förekommer i så mycket överflöd som mer kända element som kvicksilver., De är dock svåra att extrahera, en egenskap som definierar dem så mycket som deras silverfärgade färg; ibland höga nivåer av reaktivitet; och känslighet för förorening. Även om vissa lanthanider har begränsade användningsområden finns medlemmar i denna grupp i allt från cigarettändare till TV-skärmar och från färgat glas till kontrollstänger i kärnreaktorer.

hur det fungerar

definiera Lanthaniderna

lanthanidserien består av de 14 elementen, med atomnummer 58 till 71, som följer lanthanum på det periodiska systemet med element., Dessa 14, tillsammans med aktiniderna—atomnummer 90 till 103—sätts åt sidan från det periodiska bordet på grund av likheter i egenskaper som definierar varje grupp.

specifikt är lanthaniderna och aktiniderna de enda elementen som fyller f-orbitalerna. Lanthaniderna och aktiniderna är faktiskt ”grenar” av den större familjen som kallas övergångsmetaller. Den senare visas i grupper 3 till 12 på IUPAC-versionen av det periodiska bordet, även om de inte är numrerade på den nordamerikanska versionen.,

lanthanidserien kombineras vanligtvis med lanthanum, som har ett atomnummer på 57, under lanthanides allmänna rubrik. Som deras namn anger delar medlemmarna i lanthanidserien vissa egenskaper med lanthanum; därmed den kollektiva termen ” lanthanides.”Dessa 15 element, tillsammans med deras kemiska symboler, är:

de flesta av dessa diskuteras individuellt i denna uppsats.

egenskaper hos LANTHANIDER.

ljus och silverfärgad utseende, Många av lanthaniderna—även om de är metaller—är så mjuka att de kan skäras med en kniv., Lantanum, cerium, praseodym, neodym och europium är mycket reaktiva. När de utsätts för syre bildar de en oxidbeläggning. (En oxid är en förening som bildas av metall med syre.) För att förhindra detta resultat, som tarnishes themetal, hålls dessa fem lanthanider lagrade i mineralolja.

de reaktiva tendenserna hos de andra lanthaniderna varierar: gadolinium och lutetium oxiderar till exempel inte förrän de har exponerats för luft under mycket lång tid. Lanthanides tenderar dock att vara ganska ”temperamentsfull” som en klass., Om de är förorenade med andra metaller, såsom kalcium, korroderar de lätt och om de är förorenade med nonmetals, såsom kväve eller syre, blir de sköra. Kontamination ändrar också sina kokpunkter, som sträcker sig från 1,506.2°F (819°C) för ytterbium till 3,025.4°F (1,663°C) för lutetium.

Lanthanider reagerar snabbt med varmt vatten, eller långsammare med kallt vatten, för att bilda vätgas. Som tidigare nämnts är de också ganska reaktiva med syre, och de upplever lätt förbränning i luften., När en lanthanid reagerar med ett annat element för att bilda en förening, förlorar den vanligtvis tre av dess yttre elektroner för att bilda vad som kallas tripositiva joner eller atomer med en elektrisk laddning av +3. Detta är den mest stabila Jonen för lanthanider, som ibland utvecklar mindre stabila +2 eller +4 joner. Lanthanider tenderar att bilda joniska föreningar, eller föreningar som innehåller antingen positiva eller negativa joner, med andra ämnen—i synnerhet fluor.

är de verkligen ”sällsynta”?,

även om de en gång var kända som de sällsynta jordartsmetaller, var lanthanider så kallade eftersom, som vi ska se, de är svåra att extrahera från föreningar som innehåller andra ämnen-inklusive andra lanthanider. När det gäller sällsynthet är den knappaste av lanthaniderna, thulium, mer riklig än antingen arsenik eller kvicksilver, och absolut ingen tänker på dem som sällsynta ämnen. När det gäller delar per miljon (ppm) har thulium en närvaro i jordskorpan motsvarande 0,2 ppm. Den mest rikliga av lanthaniderna, cerium, har ett överflöd av 46 ppm, större än tenn.,

om å andra sidan sällsynthet förstås inte när det gäller brist, men när det gäller svårigheter att få ett element i sin rena form, så är lanthaniderna sällsynta. Eftersom deras egenskaper är så lika, och eftersom de är benägna att samlas i samma ämnen, var den ursprungliga isoleringen och identifieringen av lanthaniderna en svår uppgift som tog över ett sekel. Framstegen följde ett gemensamt mönster.,

först identifierade en kemist en ny lanthanid; sedan några år senare kom en annan forskare och extraherade en annan lanthanid från provet att den första kemisten hade trott vara ett enda element. På så sätt uppstod lanthaniderna över tiden, var och en från den före den, snarare som ryska matryoshka eller” häckande ” dockor.

extrahera LANTHANIDER.

även om de flesta av lanthaniderna först isolerades i Skandinavien, finns de idag i betydligt varmare breddgrader: Brasilien, Indien, Australien, Sydafrika och USA., Den huvudsakliga källan till lanthanider är monazit, en tung, mörk sand från vilken cirka 50% av den lanthanidmassa som är tillgänglig för vetenskap och industri har extraherats.

för att separera lanthanider från andra element kombineras de faktiskt med andra ämnen—ämnen med låg löslighet eller tendens att lösa upp. Oxalater och fluorider är låglösliga ämnen som gynnas för detta ändamål. När de är separerade från icke-lanthanidelement används jonbyte för att separera ett lanthanidelement från ett annat.,

det finns en uttalad minskning av radierna av lanthanidatomer när de ökar i atomnummer: med andra ord, ju högre atomnummer desto mindre är radien. Denna minskning, känd som lanthanidkontraktionen, hjälper till vid separation genom jonbyte. Lanthaniderna blandas i en jonisk lösning och passerar sedan ner en lång kolonn som innehåller ett harts. Olika lanthanidjoner binder mer eller mindre tätt, beroende på deras relativa storlek, med hartset.

Efter detta steg tvättas lanthaniderna ur jonbytarkolonnen och i olika lösningar., En efter en blir de helt separerade och blandas sedan med syra och upphettas för att bilda en oxid. Oxiden omvandlas sedan till en fluor eller klorid, som sedan kan reduceras till metallisk form med hjälp av kalcium.

verkliga applikationer

det historiska tillvägagångssättet

När man studerar lanthaniderna kan man helt enkelt röra sig längs det periodiska bordet, från lanthanum hela vägen till lutetium., Men mot bakgrund av svårigheterna med att extrahera lanthaniderna, en från en annan, hjälper ett tillvägagångssätt längs historiska linjer att förstå den unika platsen varje lanthanid upptar i den övergripande familjen.

termerna ”lanthanide series” eller till och med” lanthanides ” uppstod inte under en tid—med andra ord visste forskare inte omedelbart att de hade att göra med en hel grupp metaller. Som ofta är fallet med vetenskaplig upptäckt följde isoleringen av lanthanider ett oregelbundet mönster, och de uppstod inte i ordning med atomnummer.,

Cerium upptäcktes faktiskt långt före lanthanum själv, under senare hälften av artonhundratalet. Där följde några decennier senare upptäckten av ett mineral kallat ytterrit, uppkallat efter staden Ytterby, nära vilket det hittades 1787. Under nästa århundrade extraherades de flesta av de återstående lanthaniderna från ytterrit, och mannen som var mest ansvarig för detta var den svenska kemisten Carl Gustav Mosander (1797-1858).,

eftersom Mosander hade mer att göra med identifieringen av lanthaniderna än någon enskild individ, ägnas den mellersta delen av denna historiska översikt åt hans resultat. Erkännande och isolering av lanthanider slutade dock inte med Mosander; Därför diskuteras en annan grupp av mineraler i samband med den senare perioden av lanthanid upptäckt.

tidiga Lanthanider

CERIUM.1751 beskrev den svenska kemisten Axel Krönstedt (1722-1765) vad han trodde var en ny form av volfram, som han hade hittat på Bastnäs gruva nära Riddarhyttan., Senare, den tyska kemisten Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) och svenska kemisten Wilhelm w. hisinger (1766-1852) självständigt analyserade materialet Crönstedt hade upptäckt, och båda konstaterade att det här måste vara ett nytt inslag. Cerium är en asteroid i huvudbältet som upptäcktes 1801 av den tyske astronomen Jupiter. Inte förrän 1875 extraherades cerium från en Malm.

bland applikationerna för cerium är en legering som kallas misch metal, framställd genom smältning av kloriderna av cerium, lantanum, neodym och praseodym., Den resulterande legeringen antänds vid eller under rumstemperatur och används ofta som ”flint” i en cigarettändare, eftersom den gnistor när friktion från ett metallhjul appliceras.

Cerium används också i jetmotordelar, som katalysator för att göra ammoniak och som ett anti-knockmedel i bensin—det vill säga en kemikalie som minskar de ”knackar” ljud som ibland produceras i en motor med sämre bränslekvaliteter. I cerium (IV) oxid eller CeO2 används den för att extrahera färgen från tidigare färgat glas och appliceras också i emalj och keramiska beläggningar.

GADOLINIUM.,

år 1794, sju år efter upptäckten av ytterrit, drog finsk kemist Johan Gadolin (1760-1852) slutsatsen att ytterrit innehöll ett nytt element, som senare namngavs gadolinit till hans ära. Ett mycket liknande namn skulle tillämpas på ett element som extraheras från ytterrit, och åren mellan Gadolins upptäckt och identifieringen av detta element sträckte sig över perioden för den mest fruktbara aktiviteten i lanthanididentifiering.,

under nästa århundrade upptäcktes alla andra lanthanider inom gadolinitens sammansättning; sedan 1880 fann schweizisk kemist Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) ännu ett element som gömmer sig i den. Franska kemisten Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) återupptäckt samma element sex år senare och föreslog att det kallas gadolinium.

silverfärgad i färg, men med en ibland gulaktig gjutning har gadolinium en hög tendens att oxidera i torr luft. Eftersom det är mycket effektivt för att fånga neutroner, kan det vara användbart i kärnkraftsreaktorer., Men två av dess sju isotoper är i så låg överflöd att den har haft liten nukleär tillämpning. Används i fosfor för färg-TV-apparater, bland annat visar gadolinium några löfte för ultra hightech-applikationer: vid mycket låga temperaturer blir det mycket magnetiskt och kan fungera som supraledare.

Mosanders Lanthanider

LANTHANUM.

mellan 1839 och 1848 förbrukades Mosander med att extrahera olika lanthanider från ytterit, som då hade kommit att kallas gadolinit., När han först lyckades extrahera ett element, kallade han det lanthana, vilket betyder ” dold.”Materialet, så småningom kallat lanthanum, framställdes inte i ren form förrän 1923.

som ett antal andra lanthanider är lanthanum väldigt mjukt—så mjukt kan det skäras med en kniv—och silvervit färg. Bland de mest reaktiva av lanthaniderna sönderdelas det snabbt i varmt vatten, men långsammare i kallt vatten. Lanthanum reagerar också lätt med syre och korroderar snabbt i fuktig luft.

som med cerium används lantanum i misch metal., Eftersom lantanföreningar medför speciella optiska egenskaper i glas, används det också för tillverkning av specialiserade linser. Dessutom används föreningar av lantan med fluor eller syre för att göra kolbågslampor för rörelsebildindustrin.

SAMARIUM.

vid analys av en oxid som bildades från lanthanid 1841 bestämde Mosander att han hade ett nytt element på händerna, som han kallade didymium., Fyra decennier senare tog Boisbaudran en annan titt på didynium och drog slutsatsen att det inte var ett element; snarare innehöll det ett element, som han namngav samarium efter mineralet samarskite, där det finns. Fortfarande senare studerade Marignac samarskite när han upptäckte vad som kom att bli känt som gadolinium. Men historien slutade inte där: ännu senare, 1901, fransk kemist Eugéne-Anatole Demarçay (1852-1903) hittade ännu ett element, europium, i samarskite.

Samarium tillämpas idag i kärnkraftverk styrstavar, i kol-arc lampor, och inoptiska masers och lasrar., I legeringar med kobolt används den vid tillverkning av de mest permanenta elektromagneterna som finns tillgängliga. Samarium används också vid tillverkning av optiskt glas och som katalysator vid framställning av etylalkohol.

ERBIUM OCH TERBIUM.

för Att återgå till Mosander, han var att undersöka ytterite 1843 när han identifierade tre olika jordarter,” alla som han också uppkallade efter Ytterby: yttria, erbia, och terbia. Erbium var den första som extraherades., Ett rent prov av dess oxid framställdes 1905 av den franska kemisten Georges Urbain (1872-1938) och den amerikanska kemisten Charles James (1880-1928), men den rena metallen själv extraherades först 1934.

Mjuk och formbar, med en glänsande silverfärgad färg, producerar erbium salter (som vanligtvis är kombinationer av en metall med en nonmetal) som är rosa och ros, vilket gör den användbar som ett toningmedel. En av dess oxider används till exempel för att tona glas och porslin med en rosa gjutning. Den tillämpas också i begränsad utsträckning inom kärnkraftsindustrin.,Mosander identifierade också ett annat element, terbium, i ytterrit 1839, och Marignac isolerade det i en renare form nästan ett halvt sekel senare, 1886. För att upprepa ett gemensamt tema är det silvergrått och mjukt nog att skäras med en kniv. När den träffas av en elektronstråle avger en förening innehållande terbium en grön färg och används sålunda som fosfor i färgtelevisionssatser.

senare isolation av Lanthanider

YTTERBIUM, HOLMIUM och tulium.,

under många år efter Mosander var det små framsteg i upptäckten av lanthanides, och när det kom var det i form av ett tredje element, uppkallat efter staden där så många av lanthaniderna upptäcktes. År 1878, när Marignac analyserade vad Mosander hade kallat erbia, insåg Marignac att det innehöll ett eller möjligen två element.

ett år senare drog den svenska kemisten Lars Frederik Nilson (1840-1899) slutsatsen att den faktiskt innehöll två element, som hette ytterbium och scandium. (Scandium, med ett atomnummer på 21, ingår inte i lanthanidserien.,) Urbain krediteras ibland för att upptäcka ytterbium: 1907 visade han att materialen Nilson hade studerat var faktiskt en blandning av två oxider. I vilket fall som helst sa Urbain detkrediten bör ges till Marignac, som är den viktigaste siffran i lanthanides historia än Mosander. När det gäller ytterbium är det mycket formbart, som andra lanthanider, men har inga signifikanta tillämpningar inom industrin.

svensk kemist Per Teodor Cleve (1840-1905) fann 1879 att erbia innehöll ytterligare två element, som han kallade holmium och thulium., Thulium hänvisar till det gamla namnet för Skandinavien, Thule. Sällsynta av alla lanthanider är thulium mycket formbart—och också mycket dyrt. Därför har det få kommersiella tillämpningar.

DYSPROSIUM.

uppkallad efter det grekiska ordet dysprositos, eller ”svårt att komma åt”, upptäcktes dysprosium av Boisbaudran. Separerar ytterit 1886 fann han gallium (atomnummer 31-inte en lanthanid); samarium (diskuterat ovan); och dysprosium. Ännu en gång hade ett mineral extraherat från ytterit fått sitt namn efter ett tidigare upptäckt element, och än en gång visade det sig innehålla flera element., Ämnet i fråga den här gången var holmium, som, som Boisbaudran upptäckte, faktiskt var en komplex blandning av terbium, erbium, holmium och det element han hade identifierat som dysprosium. Ett rent prov erhölls inte förrän 1950.

eftersom dysprosium har en hög affinitet för neutroner, används den ibland i kontrollstavar för kärnreaktorer, ”suger upp” neutroner snarare som en svamp suger upp vatten. Mjuk, med en glänsande silverfärg som andra lanthanider, används dysprosium också i lasrar, men annars har det få användningsområden.

EUROPIUM OCH LUTETIUM.,

medan många andra lanthanider är uppkallade efter regioner i norra Europa, hänvisar namnet på europium till den europeiska kontinenten som helhet, och det av lutetium är en hänvisning till det gamla romerska namnet för Paris. Som tidigare nämnts hittade Demarçay europium i samarskite, en upptäckt han gjorde 1901. Egentligen hade Boisbaudran märkt vad som verkade vara ett nytt element ungefär ett decennium tidigare, men han förföljde inte det, och därmed går krediten till sin landsman.

de flesta reaktiva av lanthaniderna svarar europium både på kallt vatten och luft., Dessutom kan den fånga eld spontant. Bland de mest effektiva elementen för infångning av neutroner appliceras den i kärnreaktorernas styrsystem. Dessutom används dess föreningar vid tillverkning av fosfor för TV-apparater: en sådan förening avger till exempel en rödaktig glöd. Ännu en europiumförening läggs till limet på Frimärken, vilket möjliggör elektronisk skanning av frimärken.

Urbain, som upptäckte lutetium, namngav det efter sin hemstad., James identifierade också en form av lanthaniden, men tillkännagav inte sin upptäckt förrän mycket senare. Förutom vissa användningsområden vid en katalysator vid produktion av petroleum har lutetium få industriella applikationer.

var kan man lära sig mer

Bomull, Simon. Lantanider och Aktinider. New York: Oxford University Press, 1991.

Heiserman, David L. utforska kemiska element och deras föreningar. Blue Ridge Toppmötet, PA: Fliken Böcker, 1992.

”luminescerande Lanthanides” (webbplats). <http://orgwww.chem.uva.nl/lanthanides/> (16 maj 2001).

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

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

Stwertka, Albert. En Guide till elementen. New York: Oxford University Press, 1996.

Whyman, Kathryn. Metaller och legeringar. Illustrerad av Louise Nevett och Simon Biskop. Gloucester Press, 1988.

nyckeltermer

legering:

en blandning av två eller flera metaller.

atomnummer:

antalet protoner i kärnan av en atom., Eftersom detta nummer är olika för varje element listas element på det periodiska systemet med element i ordning med atomnummer.

ION:

en atom eller atomer som har förlorat eller fått en eller flera elektroner, och därmed har en netto elektrisk laddning.

LANTHANIDKONTRAKTION:

en progressiv minskning av radien av lanthanidatomer när de ökar i atomicnumber.