Лантаноиды это в химии кратко

Обновлено: 04.07.2024

Лантаноиды (от лантан и греч. eidos - образ, вид), лантаниды, семейство из 14 химических элементов с атомными номерами от 58 до 71, расположенных в шестом периоде системы Менделеева вслед за лантаном (табл. у. Лантаноиды и сходные с ними элементы скандий, иттрий и лантан образуют группу редкоземельных элементе в (в литературе ее обозначают сокращенно РЗЭ). Такое название объясняется тем, что все эти элементы встречаются редко и дают тугоплавкие, нерастворимые в воде оксиды, по старинной терминологии, - "земли". Редкоземельные элементы входят в побочную подгруппу III группы периодической системы.

По химическим свойствам Лантаноиды весьма сходны между собой, что объясняется строением электронных оболочек их атомов: по мере увеличения заряда ядра структура двух внешних электронных оболочек не меняется, так как происходит заполнение электронами 3-й снаружи оболочки - глубоколежащего 4f-ypoвня. Максимально возможное число электронов на f-уровне равно 14, что определяет число элементов семейства Лантаноиды. Лантаноиды подразделяются на 2 подгруппы: цериевую, включающую церий Ce, празеодим Pг, неодим Nd, прометий Pm, самарий Sm, европий Eu, и иттриевую, включающую гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Но, эрбий Er, тулий Tm, иттербий Yb, лютеций Lu. Это деление обусловлено периодичностью изменения некоторых свойств внутри семейства Лантаноидов; названия подгрупп возникли исторически.

Так, к первым годам 20 века были открыты все Лантаноиды, за исключением радиоактивного элемента с атомным номером 61, который в природе не встречается. Его получили только в 1947 американские физики Дж. Марийский, Л. Гленденин и Ч. Кориелл из осколков деления урана в ядерном реакторе и назвали прометием (от имени Прометея).

Хотя открытие Лантаноидов было завершено в начале 20 века, многие из них не были ни выделены в достаточно чистом состоянии, ни подробно изучены. Современные эффективные методы разделения позволяют получать и производить в чистом виде и соединения Лантаноидов, и сами металлы.

Распространение в природе. Суммарное содержание лантана и Лантаноидов в земной коре составляет 1,78·10 -2 % по массе, причем кларки у Лантаноиды с четными атомными номерами больше, чем у соседних нечетных. Лантаноиды - характерные элементы земной коры ; в породах мантии, в каменных метеоритах их мало. При магматических процессах Лантаноиды накапливаются в гранитоидах и особенно в щелочных породах. Известно 33 минерала церия и 9 лантана, остальные Лантаноиды входят как изоморфные примеси в кристаллическую решетку других минералов, преимущественно редкоземельных. Во многих минералах Лантаноиды изоморфно замещают Са, U, Th и другие. В биосфере Лантаноиды малоподвижны, с чем связано накопление их в россыпях. Содержание Лантаноидов в природных водах и организмах ничтожно. Их водная и биогенная миграция изучена плохо. Известны гидротермальные месторождения фосфатов, фторкарбонатов и фторидов Лантаноидов, однако наибольшее промышленное значение имеют комплексные месторождения, связанные со щелочными магматическими породами (например, нефелиновые сиениты Кольского полуострова) и карбонатитами, а также месторождения осадочных фосфоритов, кора выветривания щелочных пород, прибрежно-морские и аллювиальные россыпи ксенотима и монацита.

Физические свойства. Лантаноиды - металлы серебристо-белого цвета (некоторые слегка желтоваты, например Рг и Nd). Кристаллическая структура большинства Лантаноидов - гексагональная плотноупакованная. Исключение составляют γ-Ce и α-Yb (кубическая гранецентрированная), Sm (ромбоэдрическая), Eu - кубическая объемноцентрированная. То обстоятельство, что при переходе от Се к Lu число электронов на двух внешних оболочках, как правило, не меняется, а положительный заряд ядра постепенно возрастает, вызывает более сильное притяжение электронов к ядру и приводит к так называемому лантаноидному сжатию; у нейтральных атомов Лантаноидов и ионов одинаковой валентности при увеличении атомного номера радиусы несколько уменьшаются. Температуры плавления у элементов подгруппы церия значительно ниже, чем у элементов подгруппы иттрия.

Лантаноиды высокой чистоты пластичны и легко поддаются деформации (ковке, прокатке). Механические свойства сильно зависят от содержания примесей, особенно кислорода, серы, азота и углерода. Значения предела прочности и модуля упругости металлов иттриевой подгруппы (за исключением Yb) выше, чем для цериевой. Все Лантаноиды, за исключением La и Lu, обладают при температуpax выше комнатной сильным парамагнетизмом, причиной которого является наличие у этих элементов нескомпенсированных в 4f-подоболочках спиновых и орбитальных магнитных моментов. В области низких температур большинство Лантаноидов цериевой подгруппы (Nd, Pr, Sm) находится в антиферромагнитном состоянии, а Лантаноиды иттриевой подгруппы (Tb, Dy, Ho, Er и Tm) при очень низких температуpax - в ферримагнитном состоянии, а при более высоких температуpax переходят в так называемых геликоидальное антиферромагнитное состояние. Gd при всех температуpax ниже 293 К (т. е. до точки Кюри) находится в ферромагнитном состоянии.

Металлы Tb, Dy, Ho, Er и Tm обладают большими величинами намагниченности насыщения, огромными значениями энергии магнитной анизотропии и магнитострикции, что позволяет на основе этих металлов создавать магнитные материалы (сплавы, ферриты, халькогениды и другие) с уникальными свойствами. α-La становится сверхпроводником при 4,9 К, β-La при 5,85 К.

Атомный номер, атомная масса и некоторые другие свойства элементов семейства лантаноидов

Лантано́иды (лантани́ды) — семейство из 14 химических элементов III группы 6-го периода периодической таблицы. Семейство состоит из церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия, иттербия и лютеция. Лантан часто рассматривается вместе с этими элементами для удобства сравнения, хотя к лантаноидам он не относится.

Все лантаниды вместе с лантаном, скандием и иттрием входят в состав группы редкоземельных элементов (РЗЭ).

Содержание

Изучение

Юхан Гадолин — первооткрыватель лантанидов. Первый в мире изучил минерал, содержащий иттрий и другие РЗЭ. В его честь назван элемент — гадолиний.

Добиваясь выделения из цериевой земли чистого препарата, К. Мосандер обработал её азотной кислотой и кристаллизовал её соль, выпаривая из неё воду. Он также установил, что эта соль при нагревании разлагается и превращается в желтоватое вещество. Когда Мосандер обработал жёлтый землистый остаток разведённого азотной кислотой, то он заметил, что интенсивно закрашенная его часть не растворяется в кислоте. Это и понятно, ведь это был диоксид церия, с которым впервые столкнулся Л. Воклен. Из раствора после отделения церия Мосандеру удалось добыть новую землю, которая была названа лантановою землею (греч. λανθάνως (лантанос) — скрытый) [2] .

Карл Густав Моcандер в 1839 году открыл лантан. В 1843 году открыл в иттриевой земле ещё два РЗЭ — эрбий и тербий [3] .

Благодаря исследованиям Л. Воклена и Й. Берцелиуса в последующие года сделали вывод, что редкие земли не что иное как оксиды двухвалентных металлов; также было выявлено то, что церий способен проявлять высшую валентность. Д. И. Менделеев придерживался мысли, которую потом подтвердил исследованиями, что редкоземельные элементы трёхвалентны. В итоге, в первой половине XIX века было установлено существование большого семейства не только РЗЭ, но и были произведены исследования некоторых их индивидуальных свойств [2] .

По настоящему большие успехи в изучении природы редкоземельных элементов были достигнуты благодаря спектральному анализу (1870—1880 гг.).

С помощью спектрального исследования эрбиевой земли французский химик Ж. Мариньяк выявил иттербий (1878 г.), а через год П. Т. Клеве в эрбии нашёл еще два элемента: тулий и гольмий. Элемент тулий был назван в честь старого названия Скандинавии, гольмий был назван в честь латинского названия города Стокгольм. П. Е. Лекок де Буабодран, изучая спектр дидима, выявил в нём новый элемент — самарий, название которого происходит от минерала — самарскита, который в свою очередь был назван в честь русского горного инженера [2] .

В 1885 году К. Ауэр фон Вельсбах также благодаря спектральному анализу разделил дидим на два элемента — неодим (новый дидим) и празеодим (зелёный дидим). Название празеодим связано с тем, что растворы солей этого элемента имеют зелёный цвет.

В 1886 году Лекок де Буабодран выделил из оксида самария оксид неизвестного до тех пор элемента. Его назвали в честь первооткрывателя редкоземельных элементов гадолинием. Из гольмия Лекок де Буабодран сумел выделить новый элемент — диспрозий (в переводе с греч. δυσπρόσιο — труднодоступный) [2] .

Эжен Анатоль Демарсе в 1900 году открыл европий. В его честь было дано аналогичное название актиниду — америций.

В 1900 году спектральным анализом Э. А. Демарсе изучил оксид самария и выявил в нём новый элемент — европий (название происходит от названия континента). Долгий путь изучения и нахождения большинства лантанидов в природе был закончен благодаря исследованиям Ж. Урбэна, который в 1907 году в иттербии Ж. Мариньяка выявил наличие лютеция. Название данного элемента было дано в честь старого названия столицы Франции.

Если спектральный анализ дал возможность выявлять отдельные РЗЭ в разных породах, делать вывод про степень их чистоты, то он ничего не мог подсказать про начальную распространённость лантанидов, предвидеть существование новых элементов. На последний вопрос ответ был дан после исследования рентгеновских спектров РЗЭ. Так, с помощью закона Мозли было установлено, что лантан имеет порядковый номер 57, самый тяжёлый элемент из семейства лантаноидов — 71. После рентгеноспектрального установления порядковых номеров всех известных лантанидов был выявлено, что среди них нет элемента с номером 61 [2] .

Начались поиски данного элемента. Пятьдесят образцов лантаноидного вещества были подвержены спектральному и рентгеновскому анализам; 61-го элемента не нашли. Немецкий химик Прандтль предположил, что этого элемента либо не существует, либо его нахождение в природе также мало как и у технеция. Однако немецкая исследовательница И. Ноддак-Такке, которая была известна поисками элементов-аналогов магния и особенно рения, выдвинула гипотезу о нестабильности атомов 61-го элемента, то есть о его радиоактивности. Основанием являлось то, что 62-ой элемент — самарий — имел слабое радиоактивное излучение. Данная гипотеза подтвердилась. Поэтому атомы 61-го элемента, позднее названного в честь Прометея прометием, были добыты благодаря ядерным реакциям [2] . В 1947 году американские исследователи Дж. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориелл впервые выделили прометий (в виде нуклида [4] [5] (первые доказательства существования прометия были получены этими же исследователями еще в 1945 году [6] ).

Изотопы

Нахождение в природе

Важнейшие минералы редкоземельных элементов [2]
Название	Состав минерала	Содержание элементов цериевой группы, %	Содержание элементов иттриевой группы, %
Монацит	Ортофосфаты РЗЭ и тория (Ln, Th) PO₄	42—70	0,5—5
Бастнезит	Фторокарбонаты РЗЭ (Ce, La) CO₃F	73—76	0,0—0,1
Лопарит	Титанониобаты РЗЭ, кальция	30,7—34	0,0—0,5
Церит	Силикаты РЗЭ	59,4—70	—
Эвксенит	Титанониобаты РЗЭ, кальция (Y, Ca, Ce,) (Nb, Ta, Ti)₂O₆	0,2—4,3	18,2—28,1
Ксенотим	Ортофосфаты РЗЭ YPO₄	0,3—5	52—63
Гадолинит	Силикаты РЗЭ, железа, бериллия	2,9—7,9	31—46,6
Самарскит	Танталониобат иттрия, эрбия и др.	0,3—1,7	9,1—38
Фергюсонит	Смесь танталониобатов, титанониобатов самария, иттрия, эрбия и железа	0,9—6,2	31,2—42,3
Пирохлор	(Na, Ca, Ce, Y, Th, U)₂ (Nb, Ta, Ti, Fe)₂O₆ (OH, F)	0,78—7,5	0,1—0,6

Редкоземельные элементы, которые включают в себя все лантаниды, как было сказано выше; достаточно широко распространены в природе. Их распространение в земной коре составляет 0,015 %. Для некоторых элементов данной группы процентные содержания в земле колеблются от 5·10 −3 —8·10 −5 %. РЗЭ, исключая некоторые, распространены больше, чем серебро, ртуть, селен, платина. Их распространённость приближается по значениям распространённости свинца, олова, мышьяка, цинка, которые не относятся к редким в природе элементам. На земле нет таких горных пород, в которых не было хотя бы мизерной примеси церия, лантана, празеодима, иттрия и т. п. Лантаниды содержатся в апатитах, баритах, гранитах, базальтах, пироксенитах, андезитах, глинах, в морской воде и т. д. Кроме того, их присутствие выявлено так же в каменном угле, нефти, в разных грунтах, животных и растениях [2] .

Существует гипотеза, что в живых организмах редкоземельные элементы выполняют одинаковую функцию с кальцием. Из-за этого они и скапливаются в органах, содержание кальция в которых больше по сравнению с остальными. В грунтах содержание РЗЭ достигает 0,24 %. Из грунтов данные элементы попадают в растения. Наблюдается повышенное содержание в люпине, сахарной свёкле, чернике, разных водорослях и некоторых других растениях. В молоке, крови и костях животных, кроме скандия, выявлено присутствие металлов цериевой группы [2] .

В природе есть и более концентрированные скопления РЗЭ. Еще в первой половине XIX века был выявлен ряд минералов, которые содержат в себе лантаниды. Содержание данной группы элементов в минералах приближается к 250 видам. Минералов, в которых РЗЭ составляют 5—8 % от массы, примерно 60—65 видов. Больше всего минералов содержат в себе церий и близких к нему элементов (цериевые металлы). Намного меньше известно минералов, содержащих в себе иттрий и тяжёлые лантаноиды [2] .

Месторождения

Богатые месторождения лантаноидов (редкоземельных элементов) находятся в Индии; монацитовый песок залегает на береговых пляжах Траванкори, в Бразилии, Австралии, США, в Африке, в Скандинавии и др. В Европе минералы РЗЭ располагаются на Кольском полуострове, Урале, Украине, в Азии — в Казахстане, Сибири.

Получение

В промышленности лантаноиды и лантан получают восстановлением соответствующих галогенидов чистым кальцием или электролизом расплавов.

Свойства

Известно, что атомы лантаноидов имеют [Xe] 4f 0—14 5d 0—1 6s 2 -структуру. У лантана ([Xe] 5d 1 6s 2 ) f-электронов нет, а у церия их два ([Xe] 4f 2 6s 2 ). Далее с увеличением порядкового номера количество f-электронов постепенно увеличивается с половинным заполнением 4f-уровня у гадолиния (4f 7 5d 1 6s 2 ) и полным его завершением у лютеция (4f 14 5d 1 6s 2 ) [2] .

У лантана, гадолиния и лютеция валентными являются 5d 1 6s 2 -электроны, поэтому эти элементы в соединениях бывают исключительно трёхвалентными. У других лантаноидов валентные связи создаются с участием 4f-электронов. Однако для них так же свойственна валентность 3. Учитывая стабильность 4f 0 -, 4f 7 - и 4f 14 -конфигураций, элементы Eu ([Xe] 4f 7 6s 2 ) и Yb ([Xe] 4f 14 6s 2 ) [7] могут проявлять валентность 2, а Ce ([Xe] 4f 1 5d 1 6s 2 ) и Tb ([Xe] 4f 9 6s 2 ) даже 4.

Первые потенциалы ионизации лантаноидов и вместе с ними РЗЭ малы: 5,61 (La)—5,64 эв (Sc). Вторые и третьи потенциалы тоже не очень высоки. К тому же дополнительная ионизация одного- или двухзарядных ионов легко осуществляется, потому что необходимая для этого энергия получается как выигрыш в энергии при формировании кристаллической решётки или гидратов меньших R 3+ . Отсюда, лантаниды легко образовывают ионы R 3+ . Поэтому и связи, созданные ими с другими элементами, имеют высокий процент ионности [2] .

Все ионы лантаноидов Ln 3+ , за исключением La 3+ и Lu 3+ , имеют неспаренные 4f-электроны. Это указывает на их парамагнетизм и характерные особенности ионных спектров. Поскольку внешние 5s 2 - и 5p 6 -подоболочки очень заметно экранируют 4f-орбитали, то 4f n -электроны практически не изменяются во всех их соединениях.

Физические свойства

Лантаниды характеризуются серебристым цветом, ковкостью, низкой твёрдостью и средними температурами плавления, разброс в значениях которых составляет от 804 °C (церий) до 1700 °C (лютеций). Исходя из значений плотности лантаниды можно разделить на две группы: лёгкие и твёрдые. К первой группе относятся лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий и гадолиний. Плотность этих металлов ниже 8 г/см³. Остальные элементы составляют вторую группу, в которых плотность, исключая иттербий, лежит в промежутке между 8,272 (тербий) и 9,482 г/см³ (лютеций) [2] .

Для металлических лантаноидов свойственна парамагнитность. Парамагнитными являются и большинство трёхзарядных лантаноид-ионов. Некоторые из металлов-лантаноидов, кроме церия, сохраняют свои парамагнитные свойства даже при очень низких температурах (температура жидкого азота), другие — заметно изменяют свой парамагнетизм со сменой температуры.

Лантан и лантаноиды проводят тепло и электрический ток. Лучшей электропроводностью обладает иттербий, хуже — иттрий, лантан, церий, празеодим и неодим. Хуже всех проводят электричество гадолиний и тербий. Отсюда следует, что смена электропроводности с увеличением порядкового номера возрастает неравномерно. И из-за этого свойства лантаниды и делятся на две группы [2] .

Ещё более неравномерным изменением характеризуется атомный объем лантаноидов. Зависимость атомного объёма или радиусов атомов лантаноидов от порядковых номеров имеет характер ломанной линии с пиками в начале, середине и в конце. Таким образом, смена физических свойств металлов-лантаноидов уже указывает на вторичную периодичность в этом семействе и разделение их на две группы: цериевую и иттриевую.

Для лантана и лантанидов характерна, так же как и для актиноидов, аллотропия. Так, лантан может быть трёх видов (α-, β- и γ-лантан), церий — четырёх (α-, β-, γ- и δ-церий). Каждая из модификаций характеризуется различной от, например, α-формы кристаллов. В обычных условиях для этих двух металлов характерна гексагональная решётка [2] .

Важной физической особенностью лантанидов является их способность к поглощению тепловых нейтронов. В этом отношении особенно отличаются гадолиний, самарий, европий, диспрозий. К примеру, для церия поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно 0,73 барн, в то время как для гадолиния данное значение приравнивается к 46000. Кроме церия, плохо поглощают нейтроны иттрий (1,3 барн) и лантан (9,3 барн) [2] .

В атоме лантаноидов заполняется глубоко лежащий четвертый слой 4f 14 . Поэтому лантаноидов может быть только 14. Поскольку по мере увеличения заряда ядра структура двух внешних электронных оболочек не меняется, все лантаноиды имеют сходные химические свойства [8] .

В природе лантаноиды сопутствуют друг другу. Выделение отдельных элементов химическими способами является очень трудной задачей ввиду большого сходства их свойств.

Химические свойства

Лантаноиды химически активны, они образуют прочные оксиды, галогениды, сульфиды, реагируют с водородом, углеродом, азотом, фосфором. Разлагают воду, растворяются в соляной, серной и азотной кислотах. В плавиковой и фосфорной кислотах лантаноиды устойчивы, так как покрываются защитными пленками малорастворимых солей — фторидов и фосфатов.

С рядом органических соединений лантаноиды образуют комплексные соединения. Важное значение для разделения лантаноидов имеют комплексы с лимонной и этилендиаминтетрауксусной кислотой.

Соединения

Оксиды и гидроксиды

Соли кислот

Применение

Лантаноиды и лантан применяют как добавки к сталям, чугунам и другим сплавам для улучшения механической стойкости, коррозионной устойчивости и жаропрочности. Используют лантаноиды и лантан для получения специальных сортов стекла, в атомной технике. Соединения лантана, а также лантаноидов используют для изготовления лаков и красок, светящихся составов, в производстве кожи, в текстильной промышленности, в радиоэлектронике для изготовления катодов. Соединения лантаноидов применяются в лазерах.

Лантаноиды (лантаниды) — семейство, состоящее из 15 химических элементов III группы 6-го периода периодической таблицы — металлов, с атомными номерами 57—71 (от лантана до лютеция). Все представители семейства имеют стабильные изотопы, кроме прометия.

Скандий, иттрий и лантаноиды относятся к группе редкоземельных элементов (сокр. РЗЭ) и часто рассматриваются в этом контексте, однако распространенность отдельных элементов показывает, что редкими они не являются. В научных материалах для обозначения лантаноидов применяют вышеуказанный термин, включая в него иттрий и скандий, или по отдельности.

Запись Ln используется для указания на все или некоторые металлы, ионы, степени окисления, при записи химических формул и пр.

У всех лантаноидов, начиная с церия и заканчивая иттербием, заполняется 4f-подоболочка; у лантана 4f-электронов нет, а у лютеция — 14. Неспаренные 4f-электроны наделяют некоторые металлы различными ценными магнитными, спектроскопическими и люминесцентными свойствами. Более того, поскольку эти электроны хорошо экранированы внешними подоболочками (5s и 5p), спектральные характеристики сохраняются при добавлении лигандов. Все лантаноиды образуют катионы Ln 3+ (некоторые ещё и Ln 2+ , Ln 4+ ), ионный радиус которых постоянно уменьшается при увеличении атомного номера, — этот феномен известен как лантаноидное сжатие (то же самое проявляется у актиноидов). Непрерывно понижается основность элементов от лантана до лютеция, что обуславливает различие в растворимости солей и в устойчивости их комплексных соединений.

Публикация работы норвежским геохимиком Виктором Гольдшмидтом, в которой впервые был употреблен термин лантаноиды, произошла в 1925 г. (аналогично было дано название актиноидам в 1937 г.).

Содержание

1 История
- 1.1 До 1840-х
- 1.2 1843—1878
- 1.3 После 1870-х
  - 1.3.1 Тенденции в изучении
  - 2.1 Месторождения
    - 2.1.1 Китай
    - 3.1 Физические свойства
      - 3.1.1 Полиморфизм
      - 3.2.1 Бинарные соединения
        
        3.2.1.1 Оксиды и гидроксиды
        
        3.2.1.2 Галогениды
        
        4.1 До 1950-х
        
        4.2 После 1950-х
        
        4.2.1 Люминесцентные материалы
        
        4.2.2 Магниты
        
        4.2.3 Промышленность
        
        4.2.4 Медицина
        
        История
        
        Лантаноиды образуют самую большую группу элементов периодической системы, находящихся в природе. Их свойства настолько похожи, что с 1794 г., когда Юхан Гадолин выделил оксид иттрия, и вплоть до 1907 г. было сделано почти сто заявлений об открытии элементов. Это объясняется тем, что в то время не существовало теста на индивидуальность элемента, а исследователям было непонятно, сколько же должно быть элементов в семействе, так как в периодической системе можно было поместить только один элемент — лантан. К 1913 г. на основании работы Г. Мозли уже стало понятно, что между лантаном и гафнием число элементов как раз равно четырнадцати: при сравнении энергии рентгеновских спектров атомов элементов периодической таблицы и их атомного веса им были обнаружены пробелы, пропуски. Для устранения пропусков учёный счел необходимым расположить элементы в соответствии с химическими свойствами, а не увеличивающимся атомным весом. Его работа показала, что каждый элемент имеет постоянную величину — атомное число, увеличивающееся на постоянную величину от элемента к элементу. В конечном счёте лантаноиды были расположены в отдельном месте ниже основной таблицы. А в 1921 г. Нильсом Бором была предложена структура электронных орбиталей атома, которая объясняла проблему редкоземельных элементов. (Лантаноиды часто называют и включают в понятие редкоземельные элементы, однако, например, лютеций по распространенности в земной коре превосходит серебро.)
        
        Некоторое представление об их схожих химических свойствах можно получить из фактов истории изучения. Разделение различных элементов от содержащих их минералов заняло у ученых более ста лет, и даже вплоть до середины XX века (до развития ионообменной техники разделения) для получения в действительно чистом виде некоторых соединений редких лантаноидов требовалось до 40 000 повторений операции по фракционной перекристаллизации . Например: в 1911 г. выделение чистого бромата тулия Ч. Джеймсом требовало около 15 000 таких операций, а за 15 лет Ж. Урбэном и его помощниками проведено суммарно около 20 000. Указанный метод разделения является лишь одним из нескольких классических, и включает в себя некоторые свойства:
        
        разница в основности позволяла при постепенном добавлении щелочи осадить в первую очередь менее осно́вные гидроксиды тяжелых лантаноидов;
        
        различия в растворимости таких солей, как оксалаты (например, возможность применения этого метода была обнаружена Карлом Мосандером при поиске способов получения чистых соединений эрбия и тербия), двойные сульфаты и двойные нитраты.
        
        Помимо вышеуказанных, существует возможность перевода в другие степени окисления, отличные от +3, например, Ce IV , Eu II . Указанный способ, применимый в отдельных случаях, позволял получать наиболее чистый продукт. В настоящее время метод перекристаллизации является устаревшим, поскольку реакции ионного обмена и экстракция растворителем по сравнению с ним более быстры и менее трудоемки.
        
        До 1840-х
        
        Минерал церит, открытый в 1751 году А. Кронштедтом и содержащий редкоземельные элементы, послужил отправной точкой в открытии церия. В 1803 году Вильгельм фон Хизингер и Йёнс Берцелиус в Швеции (и независимо от них Мартин Клапрот во Франции) нашли в минерале новую землю, названную цериевой в честь астероида Цереры. После открытия французский химик Луи Воклен впервые исследовал его и показал, что цериевая земля может быть белой и оранжевой. Этот факт впервые указал на существование церия в двух валентных формах. Учёный восстановил землю и пришёл к выводу, что церий является металлом, не похожим на другие известные на тот момент. Впоследствии (с 1839 по 1843 годы) Карл Мосандер доказал, что эта и ранее открытая — иттриевая — земли представляли собой смеси оксидов нескольких лантаноидов. Элемент был выделен В. Хиллебрандом и Т. Нортоном в металлическом виде только в 1875 г.
        
        В январе 1840 года Мосандеру удалось достичь успеха, выделив из аметистового раствора сульфата лантана две фракции:
        
        Д. И. Менделеев придерживался мысли, которую потом подтвердил исследованиями, что редкоземельные элементы трёхвалентны. В итоге, в первой половине XIX века было установлено существование не только великой родины элементов, но и изучены некоторые индивидуальные свойства.
        
        1843—1878
        
        В 1848 г. умер Й. Берцелиус — видный учёный-химик, занимавшийся наукой почти 50 лет, — и в следующие 30 лет интерес ученых к органической химии затмил неорганическую: большинство соединений металлов научились получать традиционными методами фракционного осаждения и кристаллизации — стало понятным, что яркий период в истории открытий закончился. Дальнейший прогресс требовал новых концепций и развития в технике изучения.
        
        Тем не менее, изучение редкоземельных элементов не остановилось, несмотря на то, что в основном по началу внимание было приковано к лантану, церию, дидиму. Новой заметной фигурой в изучении стал Жан Шарль Мариньяк, который немногим позднее выделил три новых элемента; им же были более точно определены атомные массы нескольких элементов (церия, лантана и дидима), доработан метод отделения, разработанный Мосандером, позволявший получить более чистые препараты. В 1848 г. вычислил атомный вес церия в реакции сульфата церия(III) с хлоридом бария (позже несколько раз менялся другими исследователями), а через год вычислил веса лантана и дидима. В 1853 г. детально изучил химические свойства дидима: цвет, кристаллы солей, растворимость, методы получения галогенидов, сульфидов, фосфатов, сульфатов, оксалатов, соединений с мышьяком; ещё через два года то же самое произвел с лантаном.
        
        Необходимый для дальнейшего развития науки спектральным анализом шаг вперед был сделан Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом в 1859 г.
        
        Открытие скандия ещё до обнаружения в природе значительно помогло в дальнейшем становлении и утверждении периодической системы химических элементов. Более того, различные варианты положения элементов в таблице предоставлялись исследователями в попытке разрешить задачу положения редкоземельных элементов, поскольку существовал недостаток знаний в теории; в то время как большинство элементов хорошо подходило для определённых ячеек (мест) таблицы, редкоземельные металлы с их очень похожими свойствами все ещё оставались в неопределённом положении, служившим источником вдохновения для исследователей.
        
        После 1870-х
        
        Исследования Карла Густава Мосандера (1797—1858) побудили многих химиков исследовать минералы, содержащие церий и иттрий. Однако прогресс протекал медленно до тех пор, пока ученые в конце 1870-х гг. не научились изучать химические свойства с помощью спектроскопии (помимо совершенствования техники отделения). В последующие года прогресс в изучении и открытии элементов проходил намного быстрее. Благодаря анализам спектров были открыты (или подтверждено существование) некоторые из представителей: тербий, иттербий, гольмий, тулий и самарий. С другой стороны, применение более чувствительной техники приводило и к ошибочным выводам: даже малое количество примеси в изучаемом препарате могло сильно изменить записанный спектр.
        
        Минерал самарскит (открыт Г. Розе в 1839 г. и назван в честь русского горного инженера) обратил на себя большое внимание исследователей в 1878 г.; М. Делафонтен, изучая образцы минерала, обнаружил отличный спектр абсорбции дидима от изолированного из церита. Являясь потенциальным источником новых элементов, минерал был изучен П. Э. Лекоком де Буабодраном, который обнаружил необъяснимые линии в спектре, предполагающие наличие нового элемента. Позднее было доказано, что его можно отделить от дидима и деципия на основании различных химических свойств, и 16 июля 1879 г. исследователь сообщил об открытии самария, впервые выделенного из минерала.
        
        Неуверенность в присутствии новых элементов привела к интенсивному изучению самария, в результате чего произошло открытие двух лантаноидов: гадолиния и европия. В 1880 г. Ж. Мариньяк принялся за изучение самарскита. Применяя фракционное осаждение и используя сульфат калия с последующим выделением оксалатов, были получены две потенциально новые земли: Yα и Yβ. Спектральный анализ Соре позволил предположить, что Yβ — самарий, а Yα не был похож ни на один из известных элементов, включая деципий. В 1881 г. Делафонте получил более чистый деципий, позволивший сделать вывод о его схожести с элементом Yα и присутствии ранее примеси самария.
        
        Лантаноиды (лантанииды) — семейство из 14 химических элементов с порядковыми номерами 58—71, расположенных в VI периоде системы Менделеева за лантаном и сходных с ним по свойствам. Располагаются в отдельном ряду внизу Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (в краткой и полудлинной формах таблицы). В атоме лантаноидов заполняется глубоко лежащий четвертый слой 4f14. Поэтому лантаноидов может быть только 14. Поскольку по мере увеличения заряда ядра структура двух внешних электронных оболочек не меняется, все лантаноиды имеют сходные химические свойства.
        
        Включают в себя: церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций. Вместе с лантаном, скандием и иттрием входят в состав редкоземельных элементов. Лантаноиды условно разделяются на 2 подгруппы: цериевую, включающую элементы от церия до европия, и иттриевую, включающую элементы от гадолиния до лютеция.
        
        Все лантаноиды и лантан — металлы серебристо-белого цвета, пластичны и легко поддаются ковке, прокатке. Лантаноиды химически активны, они образуют прочные оксиды, галогениды, сульфиды, реагируют с водородом, углеродом, азотом, фосфором. Разлагают воду, растворяются в соляной, серной и азотной кислотах. В плавиковой и фосфорной кислотах лантаноиды устойчивы, так как покрываются защитными пленками малорастворимых солей. С рядом органических соединений лантаноиды образуют комплексные соединения. Важное значение для разделения лантаноидов имеют комплексы с лимонной и этилендиаминтетрауксусной кислотой. В промышленности лантаноиды и лантан получают восстановлением соответствующих галогенидов чистым кальцием или электролизом расплавов. Лантаноиды и лантан применяют как добавки к сталям, чугунам и другим сплавам для улучшения механической стойкости, коррозионной устойчивости и жаропрочности. Используют лантаноиды и лантан для получения специальных сортов стекла, в атомной технике. Соединения лантан, а также лантаноидов используют для изготовления лаков и красок, светящихся составов, в производстве кожи, в текстильной промышленности, в радиоэлектронике для изготовления катодов. Соединения лантаноидов применяются в лазерах.
        
        Мнемонические правила. Для того, чтобы запомнить порядок элементов, входящих в семейство лантаноидов, существует несколько мнемонических фраз на английском языке.
        Ladies can`t put nickels properly in slot machines. Every girl tries daily however every time you look.
        Last case pineapples were not produced since Elizabeth got terrible dysentery having eaten two yellow lemones.
        Lazy College Professors Never Produce Sufficiently Educated Graduates To Dramatically Help Executives Trim Yearly Losses. Первые буквы слов в этих фразах соответствуют химическим символам лантаноидов.
        
        Примерный перевод: Девушки могут положить никелей должным образом в игровых автоматах. Каждая девочка пытается ежедневный Однако каждый раз, когда вы смотреть. Последний случай ананасов не производились с Элизабет получила страшный дизентерия съев две желтые lemones.
        Lazy профессоров колледжа Никогда продукты недостаточно просвещены выпускников значительно помогаем руководителям Trim Ежегодные потери.
        
        По химическим свойствам Лантаноиды весьма сходны между собой, что объясняется строением электронных оболочек их атомов: по мере увеличения заряда ядра структура двух внешних электронных оболочек не меняется, т.к. происходит заполнение электронами 3-й снаружи оболочки — глубоколежащего 4f-уровня. Максимально возможное число электронов на f-уровне равно 14, что определяет число элементов семейства Лантаноиды (см. также Актиноиды, Атом, Периодическая система элементов Д. И. Менделеева). Лантаноиды подразделяются на 2 подгруппы: цериевую, включающую церий Се, празеодим Pr, неодим Nd, прометий Pm, самарий Sm, европий Eu, и иттриевую, включающую гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Но, эрбий Ег, тулий Tm, иттербий Yb, лютеций Lu. Это деление обусловлено периодичностью изменения некоторых свойств внутри семейства Лантаноиды; названия подгрупп возникли исторически.
        
        Так, к первым годам 20 в. были открыты все Лантаноиды, за исключением радиоактивного элемента с атомным номером 61, который в природе не встречается. Его получили только в 1947 американские физики Дж. Маринский, Лантаноиды Гленденин и Ч. Кориелл из осколков деления урана в ядерном реакторе и назвали прометием (от имени Прометея).
        
        Хотя открытие Лантаноиды было завершено в начале 20 в., многие из них не были ни выделены в достаточно чистом состоянии, ни подробно изучены. Эффективные методы разделения, разработанные за последние 20 лет, позволяют получать и производить в чистом виде и соединения Лантаноиды, и сами металлы.
        
        Распространение в природе. Суммарное содержание лантана и Лантаноиды в земной коре составляет 1,78×10-2% по массе, причём кларки у Лантаноиды с чётными атомными номерами больше, чем у соседних нечётных. Лантаноиды — характерные элементы земной коры; в породах мантии, в каменных метеоритах их мало. При магматических процессах Лантаноиды накапливаются в гранитоидах и особенно в щелочных породах. Известно 33 минерала церия и 9 лантана, остальные Лантаноиды входят как изоморфные примеси в кристаллическую решётку других минералов, преимущественно редкоземельных. Во многих минералах Лантаноиды изоморфно замещают Са, U, Tb и др. В биосфере Лантаноиды малоподвижны, с чем связано накопление их в россыпях. Содержание Лантаноиды в природных водах и организмах ничтожно. Их водная и биогенная миграция изучена плохо. Известны гидротермальные месторождения фосфатов, фторкарбонатов и фторидов Лантаноиды, однако наибольшее промышленное значение имеют комплексные месторождения, связанные со щелочными магматическими породами (например, нефелиновые сиениты Кольского полуострова) и карбонатитами, а также месторождения осадочных фосфоритов, кора выветривания щелочных пород, прибрежно-морские и аллювиальные россыпи ксенотима и монацита.
        
        Физические свойства. Лантаноиды — металлы серебристо-белого цвета (некоторые слегка желтоваты, например Pr и Nd). Кристаллическая структура большинства Лантаноиды — гексагональная плотноупакованная. Исключение составляют g-Ce и a-Yb (кубическая гранецентрированная), Sm (ромбоэдрическая), Eu — кубическая объёмноцентрированная. То обстоятельство, что при переходе от Се к Lu число электронов на двух внешних оболочках, как правило, не меняется, а положительный заряд ядра постепенно возрастает, вызывает более сильное притяжение электронов к ядру и приводит к так называемому лантаноидному сжатию; у нейтральных атомов Лантаноиды и ионов одинаковой валентности при увеличении атомного номера радиусы несколько уменьшаются. Температуры плавления у элементов подгруппы церия значительно ниже, чем у элементов подгруппы иттрия.
        
        Лантаноиды высокой чистоты пластичны и легко поддаются деформации (ковке, прокатке). Мехапические свойства сильно зависят от содержания примесей, особенно кислорода, серы, азота и углерода. Значения предела прочности и модуля упругости металлов иттриевой подгруппы (за исключением Yb) выше, чем для цериевой. Все Лантаноиды, за исключением La и Lu, обладают при температурах выше комнатной сильным парамагнетизмом, причиной которого является наличие у этих элементов нескомпенсированных в 4f-подоболочках спиновых и орбитальных магнитных моментов. В области низких температур большинство Лантаноиды цериевой подгруппы (Nd, Pr, Sm) находится в антиферромагнитном состоянии, а Лантаноиды иттриевой подгруппы (Tb, Dy, Но, Er и Tm) при очень низких температурах — в ферримагнитном состоянии, а при более высоких температурах переходят в т. н. геликоидальное антиферромагнитное состояние. Gd при всех температурах ниже 293 К (т. е. до точки Кюри) находится в ферромагнитном состоянии (см. Магнитная структура).
        
        Металлы Tb, Dy, Но, Er и Tm обладают большими величинами намагниченности насыщения, огромными значениями энергии магнитной анизотропии и магнитострикции, что позволяет на основе этих металлов создавать магнитные материалы (сплавы, ферриты, халькогениды и др.) с уникальными свойствами. a-La становится сверхпроводником при 4,9 К, b-La при 5,85 К; для других Лантаноиды сверхпроводимость не обнаружена.
        
        Химические свойства. Лантаноиды отличаются высокой химической активностью. При нагревании они реагируют с водородом, углеродом, азотом, фосфором, углеводородами, окисью и двуокисью углерода; разлагают воду, растворяются в соляной, серной и азотной кислотах; выше 180—200°С Лантаноиды быстро окисляются на воздухе. Для всех Лантаноиды характерна валентность 3. Некоторые Лантаноиды проявляют, кроме того, валентность 4 или 2.
        
        Окислы Лантаноиды и лантана тугоплавки. Гидроокиси R (OH)3 имеют основной характер и нерастворимы в щелочах. Хлориды, сульфаты и нитраты трёхвалентных Лантаноиды растворимы в воде, и кристаллизуются большей частью в виде кристаллогидратов различного состава. Фториды, оксалаты, фосфаты, карбонаты и ферроцианиды малорастворимы в воде и разбавленных минеральных кислотах. Трёхзарядные катионы Ce, Gd, Tb, Yb, Lu бесцветны, Pm, Eu, Er имеют розовый цвет, Sm, Dy, Но — жёлтый, Pr и Tm — зелёный, Nd — фиолетово-красный.
        
        Нас находят по фразам:
        — Лантаноиды
        — Лантаноиды, актиноиды
        — Металл лантаноид
        — Лантаноиды элементы
        — Лантаноиды свойства
        — Металл группы лантаноидов
        — Химический элемент лантаноид
        — Редкоземельный металл лантаноид
        — Семейство лантаноидов
        — Химический элемент лантаноид металл
        — Свойства лантана и лантаноидов
        
        Периодическая система химических элементов Менделеева
        
        Классификация хим. элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона/
        
        198095, г.Санкт-Петербург, ул.Швецова, д.23, лит.Б, пом.7-Н, схема проезда
        
        Эти элементы расположены в шестом периоде системы Д. И. Менделеева. Своё название лантаноиды они получили благодаря тому, что расположены за металлом называемым лантаном. В некоторых справочниках и научной литературе их называют лантаниды. К ним относятся элементы, которые следуют за ним от церия до лютеция. Все они относятся к категории редкоземельных металлов с ярко выраженными специфическими свойствами. Для удобства понимания их свойств элементы делят на две группы: цериевую и иттриевую.
        
        Нахождение в природе
        
        В земной коре металл группы лантаноидов встречается достаточно редко. Чаще всего их можно встретить в гранитоидах и породах с большим содержанием щёлочных элементов. Такой элемент может входить в качестве изоморфной примеси в кристаллических решётках других, более распространённых металлов. Поэтому промышленная добыча производится в щелочных породах магматического происхождения и так называемых карбонатитах. В качестве примера можно привести разработку нефелиновой сиенты на Кольском полуострове.
        
        Лантаноид под номером 68 (эрбий) активно добывается в Швеции. Своё название он получил от одноимённого населённого пункта. В последнее время современные технологии позволяют получать металлы этой группы, разрабатывая морские и аллювиальные россыпи монацита и ксенотима.
        
        Физические и химические свойства
        
        Все металлы этой группы имеют ярко выраженный серебристо белый цвет. Их кристаллическая решётка гексаганальная с плотной упаковкой. В некоторых элементах она принимает кубическую или ромбоэдрическую форму. Электронная конфигурация зависит от количества электронов на двух крайних орбитах. Форма внутренней структуры определяет основные физические и химические свойства.
        
        К основным физическим свойствам относятся:
        
        высокая прочность;
        
        пластичность (они легко поддаются деформации);
        
        обладают парамагнетизмом (этот эффект отчётливо проявляется при повышении температуры);
        
        в области низких температур они становятся ферромагнетиками;
        
        окислы этих металлов достаточно тугоплавки, каждый элемент имеет свою температуру плавления (от 920 градусов Цельсия у лантана до 1497 у эрбия);
        
        плотность колеблется между величинами в 5,1 г/см 3 и 9,3 г/см 3 ;
        
        твердость составляет в среднем 40-70 кг/мм 3
        
        при минимальном количестве примесей (в химически чистом виде) обладают высокой электропроводностью.
        
        Из всей группы элементов радиоактивность проявляется только у двух элементов: самария и прометия. Первый имеет меньшую радиоактивность. Механические свойства каждого элемента зависят от состава и количества примесей, особенно таких элементов как сера, углерод, азот и кислород.
        
        К основным химическим свойствам относят:
        
        высокая химическая активность;
        
        вариативность такого показателя как валентность;
        
        устойчивость к отдельным видам кислот (в частности к фосфорной и плавиковой);
        
        они способны активно взаимодействовать с некоторыми органическими соединениями;
        
        быстро окисляются на воздухе;
        
        все лантаноиды растворимы в воде, в которой происходит кристаллизация с образованием различных кристаллогидратов;
        
        простые соли этих металлов способны образовывать двойные соли с солями магния, аммония или щелочных металлов.
        
        Повышенная активность проявляется в способности лантаноидов образовывать очень прочные оксиды, сульфиды, которые хорошо взаимодействуют с фосфором, водородом и углеродом. Особенно эта активность проявляется при повышении температуры.
        
        Получение лантаноидов
        
        Одним из основных способов, позволяющих получить металл группы лантаноидов, является способ восстановления первичного элемента из их оксидов. Для решения этой задачи применяют различные восстановители. К ним относятся:
        
        водород;
        
        кальций;
        
        серная кислота.
        
        Применение восстановителя зависит от первичного материала, из которого получают лантаноид. В промышленных масштабах группа лантаноидов получается с применением электролиза расплавов с предварительным обогащением.
        
        Применение лантаноидов
        
        Эти металлы получили достаточно широкое применение. Они используются в качестве добавок при изготовлении различных марок стали, чугуна или других сплавов. Добавление лантаноидов позволяет повысить механическую стойкость, значительно улучшить показатели антикоррозийной устойчивости, улучшить показатели жаропрочности. Особое место они занимают в производстве специальных сортов стекла, которое применяется в атомной технике. В результате добавления лантаноидов в лаки и краски повышают уровень защиты поверхности от коррозии. При определённых составах они придают краскам люминесцирующие свойства. В радиоэлектронике эти металлы добавляют в материалы для изготовления катодов и при создании лазерной техники.
        
        В перспективе планируется применять лантаноиды при создании так называемых оксибромидов, которые будут широко использоваться для проведения ранней диагностики онкологических заболеваний. При приёме этих препаратов кристаллы соединения с лантаноидами будут естественным образом подсвечивать место возникновения раковых клеток.
        
        Использование свойства люминисцентности может быть использовано при создании альтернативных источников освещения, которые могут прийти на смену светодиодам. Разработанные на основе лантаноидов металлогели позволяют находить места появления дефектов в металле, выявление токсинов и патогенов.
        
        Читайте также:
        
        
        Теория эмоций плутчика кратко
        
        История пермского театра тюз кратко
        
        Новаторство джотто в живописи кратко
        
        Бухгалтерия на предприятии кратко
        
        Признаки финансовых отношений кратко и понятно