Лантанид

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Всички стабилни лантаноиди

Лантаниди или лантаноиди (по IUPAC)[1] се наричат група сходни елементи в периодичната система. Към нея се причисляват лантанът и следващите го 14 елемента – церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспросий, холмий, ербий, тулий, итербий и лутеций. Всички лантаниди са метали и се обозначават като елементи от лантановия ред. Те са част от групата на редкоземните метали.

Етимология[редактиране | редактиране на кода]

4f-елементите, заедно със Sc и Y, често се наричат редкоземни елементи и се означават със съкращението РЗЕ.[2] Те са елементите с пореден номер 58 – 71. Те следват лантана и изграждането на 4f-орбиталите. Tези елементи имат много близки свойства с лантана.[2] Номенклатурата на IUPAC препоръчва групата да бъде назовавана като лантаноиди („подобни на лантана“), вместо лантаниди, тъй като наставката -ид се използва за обозначение на отрицателен йон в съединенията. Поради широката употреба и силната наложеност в научна литература на названието „лантаниди“, използването му все още се допуска.[3]

Разпространение[редактиране | редактиране на кода]

Лантаноидите не са редки елементи, но са много разпръснати. Срещат се главно в минералите на 1-ва, 2-ра, 3-та и 4-та група. Известни са около 100 минерала, съдържащи лантаноиди. При обработването на някои от тях, те често се получават като страничен продукт. Европият се среща в минерали на алкалоземните метали, най-често в стронцита, SrCO3, защото има много близък йонен радиус (110 pm) със Sr (116 pm).

Главно лантаноидни минерали са моноцитовият пясък LnPO4, който съдържа и Th и La, и бастензитът LnCO3F, който съдържа La и други елементи. В тези минерали се срещат предимно леките лантаноиди, а тежките лантаноиди са концентрирани в минерала ксенотим, LnPO4.[2] По-разпространени са лантаноидите с четен пореден номер. Прометият не се среща в природата, защото е радиоактивен – няма стабилни изотопи, а най-дълготрайният му изотоп е с период на полуразпад от 2,7 години.

Физични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Изменението на лантаноидите като прости вещества е сложно и силно варират ефективните атомни радиуси, енталпията на атомизация, плътността и термичните константи.[2]

Химични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Лантанидите следват лантана и изграждането на 4f-орбиталите,[4] което е и причината за многото сходства на тези елементи с лантана. Близките свойства на итрия с лантанидите се обяснява с лантаноидното свиване, поради което йонният радиус на Y3+ (90 pm) е много близък с този на Ho3+ (90,1 pm). Затова итрият винаги придружава лантаноидите.

Елементите от Ce до Eu се наричат цериева подгрупа или леки лантаноиди, а елементите от Gd до Lu – итриева подгрупа или тежки лантаноиди. Свойствата на лантанидите се изменят сложно.

Установено е, че повечето лантаноиди имат електронната структура [Xe]4fn6s2, като изключение са Ce, Gd и Lu, които имат електронната структура [Xe]4fn5d16s2. При Ce, [Xe]4f05d16s2, започва изграждането на 4f-орбиталата. Свиването на f-орбиталите не е достатъчно, за да се направи енергитично по-изгодни от 5d-орбиталите, и затова 5d1-конфигурацията е стабилна.[2] При Gd и Lu 4f-орбиталите са наполовина (със 7) и изцяло запълнени (с 14 електрона).

Първата и втората йонизационна енергия на лантаноидите варива,[5] но не така силно както третата йонизационна енергия, където има силно изразени минимуми и максимуми. При Gd и Lu това явление се обяснява с по-лесното откъсване на 5d1-електрона поради екранирането на ядрото от наполовина (при Gd) и изцяло (при Lu) запълнени 4f-орбитали. Наполовина и изцяло изграденият 4f-подслой при Eu и Yb определят стабилността на тези конфигурации, което е причина за по-трудното отделяне на третия електрон. Затова I3 на тези елементи силно нараства.[2]

За всички лантаноиди е характерна +3 степен на окисление, като само при някои се наблюдават също +4 и +2. Тъй като основната конфигурация на повечето лантаноиди е [Xe]4fn6s2, стабилната степен на окисление съответства на отделянето на 6s2-електрона, за което свидетелстват и сравнително голямата разлика между I2 и I3. Енергията на атомизация на лантаноидите е малка. Енергията на кристалната решетка на Ln3+ съединенията трудно може да се определи поради известната степен на ковалентност и различната стойност на константата на Маделунг при Ln2+ и Ln3+ съединенията. Енталпията на хидратацията при Ln3+ е много висока, поради което се предполага, че енергията на кристалната решетка на лантанидите също има голяма стойност и тя определя стабилната +3 степен на окисление.[2]

Йонните радиуси намаляват с увеличаване на поредния номер, в посока от Ce към Lu, аналогично на изграждането на всеки слой. Свиването на лантаниодите в тази посока е приблизително колкото нарастването на йонните радиуси при прехода от 4d- към 5d-елементите. Аналогично се изменят енергията на хидратация и стандартните електродни потенциали, които нарастват слабо в същата посока.

Електроотрицателността по Полинг на всички лантаноиди е между 1 и 1,2 eV.[2] Те са слабо електропроводими, с изключение на Yb, чиято електропроводимост е три пъти по-голяма от тази на останалите лантаноиди и се доближава до тази на живака.

Химичен елемент La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Пореден номер 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
Снимка Lanthanum-2.jpg Cerium2.jpg Praseodymium.jpg Neodymium2.jpg Samarium-2.jpg Europium.jpg Gadolinium-4.jpg Terbium-2.jpg Dy chips.jpg Holmium2.jpg Erbium-crop.jpg Thulium sublimed dendritic and 1cm3 cube.jpg Ytterbium-3.jpg Lutetium sublimed dendritic and 1cm3 cube.jpg
Плътност (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
Температура на топене (°C) 920 795 935 1024 1042 1072 826 1312 1356 1407 1461 1529 1545 824 1652
Температура на кипене (°C) 3464 3443 3520 3074 3000 1794 1529 3273 3230 2567 2720 2868 1950 1196 3402
Електронна конфигурация
(газ)*
5d1 4f15d1 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f75d1 4f9 4f10 4f11 4f12 4f13 4f14 4f145d1
Сингония dhcp fcc dhcp dhcp dhcp ** bcc hcp hcp hcp hcp hcp hcp fcc hcp
Атомен радиус (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
Специфична проводимост при 25 °C (μΩ·cm) 57 – 80
20 °C
73 68 64 88 90 134 114 57 87 87 79 29 79
Магнитна възприемчивост
χmol /10−6(cm3·mol−1)
+95,9 +2500 (β) +5530 (α) +5930 (α) +1278 (α) +30 900 +185 000
(350 K)
+170 000 (α) +98 000 +72 900 +48 000 +24 700 +67 (β) +183
Химичен елемент La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Пореден номер 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
Ln3+ електронна конфигурация*[6] 4f0 4f1 4f2 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f8 4f9 4f10 4f11 4f12 4f13

4f14

Ln3+ радиус (pm) 103 102 99 98,3 97 95,8 94,7 93,8 92,3 91,2 90,1 89 88 86,8 86,1
Цвят на Ln4+(aq)[7] Оранжево-жълт Жълт Синьо-виолетов Червено-кафяв Оранжево-жълт
Цвят на Ln3+(aq)[6] Безцветен Безцветен Зелен Виолетов Розов Бледожълт Безцветен Безцветен Много бледорозов Бледожълт Жълт Розово-червен Светлозелен Безцветен Безцветен
Цвят на Ln2+(aq) Кървавочервен Безцветен Лилаво-червен Жълто-зелен
Приблизителни цветове на водните разтвори на лантаноидните йони[8][9]
Степен на окисление 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
+2 Sm2+ Eu2+ Tm2+ Yb2+
+3 La3+ Ce3+ Pr3+ Nd3+ Pm3+ Sm3+ Eu3+ Gd3+ Tb3+ Dy3+ Ho3+ Er3+ Tm3+ Yb3+ Lu3+
+4 Ce4+ Pr4+ Nd4+ Tb4+ Dy4+

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. G. Connelly, Neil, M. Hartshorn, Richard, Damhus, Ture. Номенклатура по неорганична химия. Препоръки на IUPAC за 2005. София, Академично издателство „Проф. Марин Дринов“, 2009. ISBN 978-954-322-330-5. с. 45.
  2. а б в г д е ж з Киркова, Елена. Химия на елементите и техните съедниния. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2013. ISBN 978-954-07-3504-7. с. 638 – 652.
  3. Chemistry International. // IUPAC. publications.iupac.org. Посетен на 31 май 2022.
  4. Greenwood, N.. Chemistry of the Elements. Leeds, Butterworth Heinemann, 1988. ISBN 0 7506 3365 4. с. 1267 – 1989.
  5. Cotton, F., Willkinson, Geoffrey. Advanced Inorganic Chemistry. Canada, John Wiley & Sons, Inc., 1980. ISBN 0-471-02775-8. с. 981 – 1004.
  6. а б Cotton, Simon. Lanthanide and Actinide Chemistry. John Wiley & Sons Ltd, 2006.
  7. Lanthanides: Tetravalent Inorganic. // Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry. 2012. ISBN 9781119951438. DOI:10,1002/9781119951438.eibc2033.
  8. Holleman, p. 1937.
  9. dtv-Atlas zur Chemie 1981, Vol. 1, p. 220.