Лантаноид
Атомски број |
Хемијски елемент |
Хемијски симбол |
---|---|---|
57 | Лантан | La |
58 | Цер | Ce |
59 | Празеодимијум | Pr |
60 | Неодимијум | Nd |
61 | Прометијум | Pm |
62 | Самаријум | Sm |
63 | Еуропијум | Eu |
64 | Гадолинијум | Gd |
65 | Тербијум | Tb |
66 | Диспрозијум | Dy |
67 | Холмијум | Ho |
68 | Ербијум | Er |
69 | Тулијум | Tm |
70 | Итербијум | Yb |
71 | Лутецијум | Lu |
Lanthanides in the periodic table |
Део серије чланака о |
периодном систему |
---|
Лантаноиди су група[1] од 15 елемената од лантана до лутецијума с атомским бројевима од 57 до 71 у периодном систему.[2][3][4][5] Сви се налазе у F-блоку осим лутецијума. Постоје аранжмани који искључују или лантан или лутецијум из групе.[6] Име су добили по лантану. Узрок њихове сличности са лантаном налази се у електронској структури - валентни 4f електрони имају енергију сличну 5d електронима. Код већине лантаноида најстабилнија су једињења у којима су тровалентни јони, која су у воденом раствору безбојна. Лантан и лантаноиди су реактивни елементи, иако се убрајају у групу унутрашњих прелазних метала, показују доста сличности са земно-алкалним металима. Повећањем атомске тежине, полупречник лантаноида се смањује, те електронегативност благо расте, и благо опадају њихове базне особине. Лантаноиди се деле на лаке (церијумове) лантаноиде, који обухватају све елементе до европијума, и тешке (итријумове) лантаноиде којима припадају остали лантаноиди. Двојни сулфати тешких лантаноида и алкалних метала су раствориви у води, а лаки нису. Лантаноиди се називају и „ретке земље” - иако се у природи налазе у знатнијим количинама, њихова налазишта су ретка.
Неформални хемијски симбол Ln се користи у општим дискусијама о хемији лантаноида као ознака за било који лантаноид. Сви лантаноиди осим једног елемента су елементи f-блока, што одговара попуњавању 4f електронске љуске; у зависности од извора, лантан или лутецијум сматрају се елементом d-блока, али су укључени због хемијске сличности са осталих 14.[7] Сви лантаноидни елементи формирају тровалентне катјоне, Ln3+, чија хемија је у великој мери одређена јонским радијусом, који се постојано смањује од лантана до лутецијума.
Лантан и лутецијум су означени као елементи групе 3, јер имају један валентни електрон у 5d љусци. Међутим, оба елемента су често укључена у расправе о хемији елемената лантаноида. Лантан се чешће изоставља од та два елемента, јер је његово постављање као елемената групе 3 нешто чешће у текстовима и из семантичких разлога: пошто „лантаноид” значи „попут лантана”, и стога се тврди да лантан не може логично бити лантаноид, мада IUPAC потврђује његово укључивање на бази заједничке употребе.[8]
У презентацијама периодног система, лантаноиди и актиноиди се обично приказују као два додатна реда испод главног дела табеле,[3] са два држача места или на неки други начин одабраним једним елементом сваке серије (било лантаном и актинијумом, или лутецијумом и лоренцијумом) приказаним у једној ћелији главне табеле, између баријума и хафнијума, и радијума и радерфордијума. Ова конвенција у потпуности је ствар естетике и практичности обликовања; ретко коришћена периодична табела са широким форматом уноси низ лантанида и актинида на њихова одговарајућа места, као делове шестог и седмог реда (периоде) табеле.
Међународна унија за чисту и примењену хемију у својој „Црвеној књизи” из 1985. године (стр. 45), препоручује да се употребљава „лантаноид”, а не „лантанид”. Завршетак „-ид” обично означава негативни јон. Међутим, због широке постојеће употребе, „лантанид” је и даље дозвољен.
Опште особине лантаноида
[уреди | уреди извор]У образовању хемијске везе код лантаноида електрони из 4f-поднивоа мало учествују, чиме се објашњава њихова знатна међусобна сличност. Већина лантаноида јавља се заједно у природи, и веома се тешко одвајају један од другог. Откриће лантаноидних елемената је једна од најинтригантнијих прича у хемији. Та прича обухвата епизоде у којима се за један елемент мислило да је други, два елемента су идентификована као један, неки елементи су погрешно идентификовани, и тако даље. До 1907, међутим, конфузија нестала, и сви лантаниди (осим Прометијума) су били идентификовани. Најважнији извор лантаноида је монацит, налази се у Бразилу, Индији, Аустралији, Јужној Африци, и Сједињеним Државама. Састав монацита варира у зависности од његове локације, али генерално садржи око 50% лантаноидних једињења. Због сличности њихове структуре и њихових заједничке појаве, лантаноиди могу бити одвојени једни од других и пречишћени само уз знатни напор. Сходно томе, комерцијална производња лантанида има тенденцију да буде скупа. Као и већина метала, лантаниди су светло сребрног изгледа. Пет елемената(лантан, церијум, празеодијум, неодијум и еуропијум), су врло реактивни. Кадасу изложени ваздуху, они реагују са кисеоником и формирају слој оксида који се таложи на површини. Остали лантаноиди нису тако реактивни, а неки (Гадолинијум и Лутецијум), задржавају свој сребрно металик изглед дуго времена. Када се контаминирају неметалима, као што су кисеоник и азот, лантаноиди постану крте. Они такође проузрокују корозију лакше контаминације са другим металима, као што су калцијум. Њихов тачка топљења се креће од око 819 °C (1.506 °C), за итербијум око 1.663 °C (3.025 °C) за Лутецијум. Лантаноиди граде легуре са многим другим металима, и ове легуре испољавају широк спектар физичких својстава. Лантаноиди реагују споро са хладном водом, а брже са топлом водом и формирају водоников гас. Они су такође облик једињења са многим неметала, као што су водоник, флуор, фосфор, сумпор, хлор и др.
Физичке особине елемената
[уреди | уреди извор]Хемијски елемент | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Атомски број | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 |
Image | ![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() | |
Густина (g/cm3) | 6,162 | 6,770 | 6,77 | 7,01 | 7,26 | 7,52 | 5,244 | 7,90 | 8,23 | 8,540 | 8,79 | 9,066 | 9,32 | 6,90 | 9,841 |
Тачка топљења (°C) | 920 | 795 | 935 | 1024 | 1042 | 1072 | 826 | 1312 | 1356 | 1407 | 1461 | 1529 | 1545 | 824 | 1652 |
Тачка кључања (°C) | 3464 | 3443 | 3520 | 3074 | 3000 | 1794 | 1529 | 3273 | 3230 | 2567 | 2720 | 2868 | 1950 | 1196 | 3402 |
Атомска електронска конфигурација (гасна фаза)* |
5d1 | 4f15d1 | 4f3 | 4f4 | 4f5 | 4f6 | 4f7 | 4f75d1 | 4f9 | 4f10 | 4f11 | 4f12 | 4f13 | 4f14 | 4f145d1 |
Метална решетка (RT) | dhcp | fcc | dhcp | dhcp | dhcp | ** | bcc | hcp | hcp | hcp | hcp | hcp | hcp | fcc | hcp |
Метални радијус (pm) | 162 | 181,8 | 182,4 | 181,4 | 183,4 | 180,4 | 208,4 | 180,4 | 177,3 | 178,1 | 176,2 | 176,1 | 175,9 | 193,3 | 173,8 |
Отпорност на 25°C (μΩ·cm) | 57–80 20 °C |
73 | 68 | 64 | 88 | 90 | 134 | 114 | 57 | 87 | 87 | 79 | 29 | 79 | |
Магнетна сусцептибилност χmol /10−6(cm3·mol−1) |
+95.9 | +2500 (β) | +5530(α) | +5930 (α) | +1278(α) | +30900 | +185000 (350 K) |
+170000 (α) | +98000 | +72900 | +48000 | +24700 | +67 (β) | +183 |
- * Између иницијалне Xe и финалне 6s2 електронске љуске
- ** Sm има тесно паковану структура попут осталих лантаноида, али има необично деветослојно понављање
Овај тренд тачке топљења која се повећава у серији, (лантан (920 °C) - лутецијум (1622 °C)) приписује се степену хибридизације орбитала 6s, 5d и 4f.[9] Сматра се да је хибридизација највиша за церијум, који има најнижу тачку топљења од свих, 795 °C.[10] Лантаноидни метали су мекани; њихова тврдоћа се повећава низ серију.[8] Европијум се издваја по томе што има најнижу густину у серији од 5,24 g/cm3 и највећи метални радијус у низу у 208,4 pm. То је упоредиво са баријумом, који има метални радијус 222 pm. Верује се да метал садржи већи Eu2+ јон и да у проводном опсегу постоје само два електрона. Итербијум такође има велики метални радијус, а слично објашњење је предложено.[8] Отпорност метала лантаноида је релативно велика, креће се од 29 до 134 μΩ·cm. Ове вредности се могу упоредити са добрим проводником, као што је алуминијум, који има отпорност 2,655 μΩ·cm. С изузетком La, Yb и Lu (који немају неупарене f-електроне), лантаноиди су снажно парамагнетни, што се одражава на њихову магнетну сусцептибилност. Гадолинијум постаје феромагнетан испод 16 °C (Киријева тачка). Други тежи лантаниди - тербијум, диспрозијум, холмијум, ербијум, тулијум и итербијум - постају феромагнетни на много нижим температурама.[11]
Једињења лантаноида
[уреди | уреди извор]Најпознатија лантаноидна легура - Ауер метал, је мешавина церијума и гвожђа која производи искру приликом ударца. Дуго је коришћена као кремен за цигаретне и гас упаљаче. Ауер метал је један у низу мешовитих лантаноидних легура познат као монацит метал. Монацит метали се састоје од различите количине лантаноидних метала, углавном церијум и мање количине других, као што су лантан, неодијуми, празеодијум. Они се користе да пренесу снагу, тврдоћу и инертност структуралним материјала. Они су такође коришћени за уклањање кисеоника и сумпорних нечистоћа из различитих индустријских система. У последњих неколико година, јефтиније методе су развијене за производњу лантаноидних легура. Као резултат тога, они су сада применљиви у различитим сферама. Једна таква примена је у својству катализатора, супстанци које убрзавају хемијске реакције. У индустрији прераде, на пример, лантаноиди се користе као катализатори у конверзији сирове нафте у бензин, керозин, дизел, лож уље и друге производе. Лантаноиди се такође користе као фосфором тј. као боја за телевизорске екране. Керамичка индустрија користи лантаноидне оксиде приликом бојења керамике и стакла. Лантаноиди такође имају различите нуклеарне апликације. Зато што апсорбују неутроне, који се користе као део шипке за регулисање нуклеарних реактора. Такође се користе као заштитни материјал и као структурна компонента у реакторима. Неки лантаноиди имају магнетна својства. На пример, кобалт и магнетит су веома јаки стални магнети.
Референце
[уреди | уреди извор]- ^ The current IUPAC recommendation is that the name lanthanoid be used rather than lanthanide, as the suffix "-ide" is preferred for negative ions, whereas the suffix "-oid" indicates similarity to one of the members of the containing family of elements. However, lanthanide is still favored in most (~90%) scientific articles and is currently adopted on Wikipedia. In the older literature, the name "lanthanon" was often used.
- ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
- ^ а б Gray, Theodore (2009). The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. стр. 240. ISBN 978-1-57912-814-2.
- ^ Lanthanide Архивирано 2011-09-11 на сајту Wayback Machine, Encyclopædia Britannica on-line
- ^ Holden, Norman E.; Coplen, Tyler (2004). „The Periodic Table of the Elements”. Chemistry International. 26 (1): 8. doi:10.1515/ci.2004.26.1.8
. Архивирано из оригинала 17. 2. 2004. г. Приступљено 23. 3. 2010.
- ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.
- ^ F Block Elements, Oxidation States, Lanthanides and Actinides Архивирано на сајту Wayback Machine (31. март 2021). Chemistry.tutorvista.com. Retrieved on 2017-12-14.
- ^ а б в Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II изд.). Oxford: Butterworth-Heinemann. стр. 1230—1242. ISBN 0080379419.
- ^ Gschneider and Daane (1988)
- ^ Krishnamurthy, Nagaiyar and Gupta, Chiranjib Kumar (2004). Extractive Metallurgy of Rare Earths. CRC Press. ISBN 0-415-33340-7.
- ^ Cullity, B. D.; Graham, C. D. (2011). Introduction to Magnetic Materials. John Wiley & Sons. ISBN 9781118211496.
Литература
[уреди | уреди извор]- Gray, Theodore (2009). The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. стр. 240. ISBN 978-1-57912-814-2.
- ФС Памук & Г Вилкинсон, Напредна Неорганска хемија, 5-о издање Вилеи, Њујорк, 1988 Цх. 20, 21 20, 21
- Phillips, CSG; Williams, RJP (1966). Inorganic Chemistry. Oxford: Oxford University Press.
- Неорганска хемија, Oxford: Oxford University Press, 1966 вол. 2, Цх. 2, Цх. 21, 22 21, 22, Т. Имамото,
- Лантаноиди у органској синтези, Academic Press, Лондон,1994 делова Цх. 4, 5, 6 4, 5, 6
- Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (на језику: German) (102 изд.). Walter de Gruyter. ISBN 978-3-11-017770-1.
- Scerri, Eric (2007). The periodic table: Its story and its significance. New York: Oxford University Press. ISBN 9780195305739.
Спољашње везе
[уреди | уреди извор]- Lanthanide Sparkle Model, used in the computational chemistry of lanthanide complexes
- USGS Rare Earths Statistics and Information
- Ana de Bettencourt-Dias: Chemistry of the lanthanides and lanthanide-containing materials