Lantanider ( lantanider ) [K 1] - en familj bestående av 15 kemiska grundämnen i grupp III i den 6:e perioden av det periodiska systemet - metaller , med atomnummer 57-71 (från lantan till lutetium ) [1] [2] [3 ] [4 ] [5] [6] [7] [8] [9] . Alla medlemmar i familjen har stabila isotoper utom prometium . Namnet kommer från det grekiska ordet λανθάνειν ("dold").
Skandium , yttrium och lantanider tillhör gruppen sällsynta jordartsmetaller (förkortning REE ) och betraktas ofta i detta sammanhang, dock visar förekomsten av enskilda grundämnen att de inte är sällsynta. I vetenskapligt material används ovanstående term för att beteckna lantanider, inklusive yttrium och skandium, eller separat.
Notationen Ln används för att indikera alla eller några metaller, joner, oxidationstillstånd, när man skriver kemiska formler etc.
Alla lantanider, från cerium till ytterbium, har ett 4f-underskal fyllt ; lantan har inga 4f-elektroner, medan lutetium har 14. Oparade 4f-elektroner ger vissa metaller olika värdefulla magnetiska , spektroskopiska och luminescerande egenskaper. Dessutom, eftersom dessa elektroner är väl avskärmade av de yttre subskalen (5s och 5p), bevaras de spektrala egenskaperna när ligander tillsätts . Alla lantanider bildar Ln 3+ -katjoner (vissa även Ln 2+ , Ln 4+ ), vars jonradie ständigt minskar med ökande atomnummer - detta fenomen är känt som lantanidkontraktion (detsamma manifesteras i aktinider ) [10] . Grundämnena för grundämnen från lantan till lutetium minskar kontinuerligt, vilket orsakar en skillnad i salternas löslighet och i stabiliteten hos deras komplexa föreningar [11] .
Den kemiska bindningen med lantanider är nästan alltid jonisk . Lantanider är "tunga" acceptorer och har en betydande likhet i sina egenskaper med atomdonatorns syre, varför de mest sannolika biologiska liganderna för dem är karboxyl- och fosfatgrupper . Koordinationsnumren för dem kan vara från 6 till 12 (8-9 främst i biologiska system) [10] .
Publiceringen av den norska geokemisten Victor Goldschmidts arbete , där begreppet lantanider först användes, skedde 1925 (namnet aktinider gavs på samma sätt 1937) [12] [13] [14] .
* | La | Ce | Pr | Nd | Pm | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Eh | Tm | Yb | Lu |
Det finns många missförstånd förknippade med lantanider i användningen av terminologi. Namnet "sällsynt jordart" användes ursprungligen för att beskriva nästan alla outforskade, okända naturliga oxider, och fram till 1920 hänvisades till och med ThO 2 och ZrO 2 till dem . Ungefär samtidigt började termen användas för att hänvisa till själva elementen, samt en grupp av element som med stor svårighet kunde separeras från varandra [15] [16] .
Den initiala uppdelningen av grundämnena i grupper cerium ("lätta jordarter"; La-Eu) och yttrium ("tunga jordarter"; Gd-Lu) baserades på skillnaden i lösligheten hos dubbelsulfater bildade av lantanider med natrium- eller kaliumsulfater . Därefter fastställdes periodiciteten för förändringar av fastigheter i koncernen, motsvarande deras uppdelning i två undergrupper [11] .
Det är anmärkningsvärt att termerna "sällsynta jordartsmetaller" och " alkaliska jordartsmetaller " - som fortfarande används i kemi - kommer från substantivet "jord", som används av alkemister , iatrokemister och tidiga flogistonister som den främsta indikationen på brandmotstånd , nederbörds olöslighet. bildas efter förbränning (oxidation) eller andra djupa kemiska interaktioner i ämnen. Först efter 1750-talet. kemister började förstå att kiseljord ( engelsk silica ), aluminiumjord ( engelska aluminiumoxid ), talk , kalk - de är alla olika jordar , att döma av kemiska egenskaper. 1779 tillsattes dem bariumjord ( engelska baryta ), som K. V. Scheele isolerade från kalk. A. L. Lavoisier inkluderade alla fem jordarna 1789 i sin lista över 33 grundämnen, och gjorde en anteckning: de kan vara metalloxider med en större likhet med en bindning med syre än kol. Detta fick många kemister i början av 1800-talet att återställa kända landområden och leta efter nya. Bland de nya sex länderna: zirkonium (1789, M. Klaproth ), strontium (1790, A. Crawford ), beryllium (1798, L. N. Vauquelin ) och torium (1829, J. Berzelius [K 2] ), yttrium ( 1794) och cerium (1803). Upptäckten av de sistnämnda bestämde skillnaden mellan jordarter och vanliga metalloxider, och 1808 efter att G. Davy reducerat jordalkalierna genom elektrolys till alkaliska jordartsmetaller - kalcium , barium , strontium och magnesium - stod det klart för de flesta kemister att sanna jordartsmetaller är inte annat än metalloxider [17] .
Lantaniderna utgör den största gruppen av grundämnen i det periodiska systemet som finns i naturen. Deras egenskaper är så lika att från 1794, när Johan Gadolin isolerade yttriumoxid , fram till 1907, gjordes nästan hundra påståenden om upptäckten av grundämnena [K 3] . Detta förklaras av det faktum att det vid den tiden inte fanns något test för elementets individualitet, och forskarna förstod inte hur många element som borde finnas i familjen, eftersom endast ett element, lantan, kunde placeras i det periodiska systemet . År 1913, baserat på G. Moseleys arbete , hade det redan blivit klart att mellan lantan och hafnium var antalet grundämnen exakt lika med fjorton [15] : när man jämförde energin hos röntgenspektra av atomer i element i det periodiska systemet och deras atomvikt, fann han luckor, utelämnanden. För att eliminera luckor fann forskaren det nödvändigt att ordna elementen i enlighet med kemiska egenskaper och inte med ökande atomvikt. Hans arbete visade att varje grundämne har ett konstant värde - atomnumret , som ökar med en konstant mängd från element till element. I slutändan var lantaniderna placerade på en separat plats under huvudbordet. Och 1921 föreslog Niels Bohr strukturen för atomens elektronorbitaler , vilket förklarade problemet med sällsynta jordartsmetaller [18] . (Lantaniderna är ofta namngivna och inkluderade i begreppet sällsynta jordartsmetaller , men till exempel överträffar lutetium silver i överflöd i jordskorpan [3] .)
En uppfattning om deras liknande kemiska egenskaper kan erhållas från fakta om studiens historia. Separationen av olika grundämnen från mineralerna som innehåller dem tog forskarna mer än hundra år [3] [9] , och till och med mitten av 1900-talet (före utvecklingen av jonbytesseparationstekniker), upp till 40 000 repetitioner av operationen krävdes för att erhålla några föreningar av sällsynta lantanider i en riktigt ren form genom fraktionerad omkristallisation [19] . Till exempel: 1911 krävde isoleringen av rent thuliumbromat av C. James cirka 15 000 sådana operationer [20] , och på 15 år utförde J. Urbain och hans assistenter totalt cirka 20 000 [21] . Denna separationsmetod är bara en av flera klassiska, och inkluderar några egenskaper [20] :
Utöver ovanstående finns möjligheten att överföra till andra oxidationstillstånd än +3, till exempel Ce IV , Eu II . Denna metod, tillämplig i vissa fall, gjorde det möjligt att erhålla den renaste produkten [20] . För närvarande är omkristallisationsmetoden föråldrad, eftersom jonbytesreaktioner och lösningsmedelsextraktion är snabbare och mindre mödosam i jämförelse [24] .
Upptäcktshistorik [K 4] | |||||
---|---|---|---|---|---|
På. rum | Element | datumet | Upptäckare | namnets ursprung | Källa |
57 | Lantan | 1839 | K. Mosander | Från grekiska. "gömmer sig" | [25] [K 5] |
58 | Cerium | 1803 | J. Berzelius och W. Hisinger ; M. Klaproth |
För att hedra asteroiden Ceres | [25] |
59 | Praseodym | 1885 | C. Auer von Welsbach | Från grekiska. "grön" + "tvillingar" | [25] [26] |
60 | neodym | 1885 | C. Auer von Welsbach | Från grekiska. "ny" + "tvillingar" | [25] [26] |
61 | Prometium | 1947 | J. Marinsky , L. Glendenin och C. Coryell |
för att hedra Prometheus | [25] [27] [11] |
62 | Samarium | 1879 | P. Lecoq de Boisbaudran | Med namnet på mineralet samarskit | [25] [28] [29] |
63 | Europium | 1901 | E. A. Demarce | Från ordet Europa | [25] [30] [31] |
64 | Gadolinium | 1880 | J. Marignac | Uppkallad efter mineralet gadolinit | [25] [32] |
65 | Terbium | 1843 | K. Mosander | Från namnet på staden Ytterby | [25] [33] |
66 | Dysprosium | 1886 | P. Lecoq de Boisbaudran | Från grekiska. "Svårt att nå" | [25] [34] [35] |
67 | Holmium | 1879 | P. T. Kleve | Från den gamla lat. Holmia från Stockholm | [25] [36] |
68 | Erbium | 1843 | K. Mosander | Från namnet på staden Ytterby | [25] [33] |
69 | Thulium | 1879 | P. T. Kleve | Från lat. Thule - "det nordligaste landet" | [25] [36] |
70 | Ytterbium | 1878 | J. Marignac | Från namnet på staden Ytterby | [25] [37] |
71 | Lutetium | 1907 | J. Urbain ; C. James | Från lat. Lutetia från Paris | [38] [39] |
Studien och vidare klassificeringen av lantanider går tillbaka till slutet av 1700-talet: sommaren 1787 fann den svenske officeren K. A. Arrhenius ett okänt svart mineral i ett stenbrott nära staden Ytterby , med smeknamnet ytterbit (senare omdöpt till gadolinit) [ 40] . Johan Gadolin , som studerade den 1794, upptäckte en ny jord i it - yttriumoxid [K 6] . Således, med upptäckten av en av föreningarna av ett grundämne som har liknande kemiska egenskaper, men som inte ingår i familjen, fortsatte ytterligare studier av mineraler och upptäckten av lantanider [41] . Kemisk analys av gadolinit ledde till upptäckten av 7 kemiska element från yttriumgruppen och ytterligare sju - cerium , i studien av cerit [42] . ( Yttrium- och ceriumjordar var de två början på "vägarna" för upptäckten av lantanidelementen [42] .) Det är anmärkningsvärt att upptäckten av många lantanider berodde på mineraler från deras gemensamma ursprungsort: den berömda pegmatitfyndigheten ligger nära Ytterby i Sverige [43] .
Mineralet cerit , som upptäcktes 1751 av A. Kronstedt och som innehöll sällsynta jordartsmetaller, fungerade som utgångspunkt för upptäckten av cerium [43] . År 1803 hittade Wilhelm von Hisinger och Jöns Berzelius i Sverige (och oberoende Martin Klaproth i Frankrike) en ny jord i mineralet , döpt till cerium efter asteroiden Ceres [44] [45] . Efter upptäckten undersökte den franske kemisten Louis Vauquelin det först och visade att ceriumjord kan vara vit och orange. Detta faktum indikerade för första gången förekomsten av cerium i två valensformer. Forskaren återställde jorden och kom till slutsatsen att cerium är en metall olik alla andra kända på den tiden [46] . Därefter (från 1839 till 1843) bevisade Karl Mosander att denna och tidigare upptäckta - yttrium - jordarter var blandningar av oxider av flera lantanider [20] . Elementet isolerades i metallisk form av W. Hillebrand och T. Norton först 1875 [44] .
År 1826 undersökte Karl Mosander, student, assistent och en av J. Berzelius nära vänner, ceriumjord och drog slutsatsen att den var heterogen: den kunde innehålla minst ett nytt grundämne. För att testa detta antagande krävdes det mycket cerit [47] . År 1839, för att försöka isolera ett rent läkemedel från ceriumjord, behandlade forskaren det med salpetersyra och kristalliserade saltet och förångade vattnet. Han fann också att detta salt (som är förorenat med ceriumnitrat [48] ) sönderdelas vid upphettning och förvandlas till en gulaktig substans. Genom att behandla denna gula, jordnära rest med utspädd salpetersyra, observerades att den kraftigt färgade delen av den inte löste sig i syra: detta var ceriumdioxid , som först påträffades av Vauquelin [46] [K 7] . Efter att ha tagit bort ceriumnitrat från lösningen lyckades forskaren utvinna en ny lantanjord [48] , vars namn föreslogs av Berzelius och gavs av Mosander den 12 februari 1839 [49] . Grundämnet, som är förfader till en grupp av grundämnen, upptäcktes näst efter cerium endast som en förorening. Det är möjligt att lantan hette så eftersom det "gömde sig" för forskare i 36 år [50] . Den erhölls i relativt ren form 1923 [51] .
I januari 1840 lyckades Mosander isolera två fraktioner från en ametistlösning av lantansulfat :
Från det ögonblicket kunde forskaren bevisa att ametistfärgen på salter av cerium- och lantanoxider orsakades av närvaron av Lar- oxid , och de blev bruna när de värmdes upp i luft till en röd värme [55] . Carl Mosander döpte 1842 [56] den okända oxiden till La r - didymium (Di) [55] för att visa dess samband med det redan upptäckta lantanet och ceriumet [33] [57] [52] . Efter det var vetenskapsmannen övertygad om att didymium erhölls i sin rena form och aldrig återvände till det [58] , och namnet han gav till "elementet" dök upp i läroböcker om kemi på den tiden i ytterligare 50 år [56] .
Bekymrad över homogeniteten hos proverna från vilka yttrium erhölls, och inspirerad av de framsteg som gjorts i studien av cerit, började Carl Mosander studien av gadolinit [59] . Hösten 1842 blev vetenskapsmannen övertygad om att prover av yttriumjord , isolerade från gadolinit , cerit, cerine , ortit , alla innehöll, förutom den "äkta" yttriumoxiden (eftersom de gav färglösa salter), även en okänd gul oxid, mindre basisk, i lösningar av dess salter - ametist. I februari 1843 fick detta land namnet Odin (för att hedra guden Odin ), men resultaten av efterföljande experiment som utfördes i april övertygade honom om att det fanns minst tre oxider i jorden . Ur en lösning af salpetersyra och yttriumoxid erhöll Mosander genom fraktionerad utfällning basiska ammoniumsalter , med stark upphettning av vilka tre olika oxider erhölls, inte lika de som tidigare erhållits. (Lite tidigare, 1842, utförde Jöns Berzelius arbete som bekräftade uppdelningen av yttriumjord i tre oxider, men i april 1843 var den fortfarande opublicerad.) För den mest grundläggande oxiden (vit till färgen, färglös i sina salter) forskare lämnade det gamla namnet - yttriumjord , nästa - i fallande ordning av grundläggande egenskaper - kallades terbiumoxid , i sin rena form, förmodligen - vit (saltlösningar - rosa [60] ), och den tredje - erbiumoxid : när upphettad i luft, oxid målades i en mörk nyans av orange-gul, förlorad när den värmdes upp i en atmosfär av väte (nya data gjorde det möjligt för oss att dra slutsatsen att den har två valenstillstånd ) [23] . Ytterbium och thulium isolerades senare från erbium, som definitivt upptäcktes vid den tiden [61] .
Forskarens aktivitet ledde till slutsatsen att familjen expanderade 1843 till sex grundämnen [62] [63] : ceriumföreningar är gula, lantanföreningar är vita, didymföreningar är röda, yttrium- och erbiumföreningar är vita, terbiumföreningar är vita. rosa [K 8] . För att bevisa upptäckten vid den tiden krävdes det att få fram data om isolering (erhållande), färg, form på kristaller och förmågan att bilda föreningar med ett grundämne [22] . Men även trots upptäckarens auktoritet ifrågasattes historien om upptäckten av terbium upprepade gånger, till exempel: R. V. Bunsen och P. T. Kleve fann bara två oxider i yttriumjord [60] . Senare bekräftades elementets existens på nytt av forskare: studier av gadolinit av Marignac (1878), isolering av elementet från samarskite av L. Smith (samma år), kommunikation av J.-L. Soret om studiet av elementets absorptionsspektra (1880), mottagandet av rena preparat av J. Urbain (början av 1900-talet) - alla bekräftade studierna av Mosander [64] [60] . Erbium erhölls i en ganska ren metallisk form 1934 [65] .
D. I. Mendeleev höll fast vid idén, som han senare bekräftade genom forskning, att sällsynta jordartsmetaller är trivalenta. Som ett resultat, under första hälften av 1800-talet , etablerades existensen av inte bara elementens stora hemland, utan även några enskilda fastigheter studerades [66] .
År 1848 dog J. Berzelius , en framstående kemist som hade varit engagerad i vetenskap i nästan 50 år, och under de följande 30 åren överskuggade forskarnas intresse för organisk kemi oorganisk kemi : de flesta metallföreningar lärde sig att erhållas med traditionella metoder för fraktionerad utfällning och kristallisation - det blev klart att en ljus period i upptäcktshistorien har avslutats [67] . Ytterligare framsteg krävde nya koncept och utvecklingar inom inlärningstekniker [63] .
Ändå slutade inte studiet av sällsynta jordartsmetaller, trots att uppmärksamheten till en början främst var inriktad på lantan, cerium och didymium. En ny framstående figur i studien var Jean Charles Marignac, som lite senare identifierade tre nya element; han bestämde också mer exakt atommassorna för flera grundämnen (cerium, lantan och didymium), förfinade den av Mosander utvecklade separationsmetoden, som gjorde det möjligt att få renare preparat. År 1848 beräknade han atomvikten av cerium i reaktionen av cerium(III)sulfat med bariumklorid (senare ändrad flera gånger av andra forskare), och ett år senare beräknade han vikterna av lantan och didymium. 1853 studerade han i detalj didymiums kemiska egenskaper: färg, saltkristaller, löslighet, metoder för att erhålla halogenider, sulfider, fosfater, sulfater, oxalater, föreningar med arsenik; två år senare gjorde han samma sak med lantan [68] .
Det steg framåt som krävs för vidareutvecklingen av vetenskapen genom spektralanalys togs av R. Bunsen och G. Kirchhoff 1859 [63] .
Mark Delafontaine 1864 började arbeta med gadolinit: erbium och dess föreningar studerades i detalj med olika metoder, inklusive med en gasbrännare . Han gav också ganska tydliga bevis för upptäckten av erbium, men inte av terbium [69] . Och om existensen av den förra slutligen bekräftades genom fynd i solspektrumet av C. Young 1872 [70] , så förnekades närvaron av den senare i naturen av O. Popp (han förnekade existensen av både terbium och erbium [71] ), J. Bar , R. Bunsen , P. T. Cleve . Resultaten av flera ytterligare studier fram till början av 1880-talet. ledde till mer och mer förvirring: förekomsten av terbium antingen bekräftades eller förnekades, Delafontaine rapporterade upptäckten av flera fler "grundämnen" (mosandria, filipium, decipium), etc. [K 9] [69]
Förståelsen att elementen kan organiseras i en logisk serie, grupp för grupp, som föreslås av D. I. Mendeleevs periodiska system sedan 1869, kom inte omedelbart [63] . Det gjorde det också möjligt att se riktningen för ytterligare upptäckter, att lägga en "karta" i händerna på forskare, vars förståelse tog lång tid [72] . Så, till exempel, Delafontaines anteckning att didymium inte är homogent bekräftades av Lecoq de Boisbaudran 1875 genom en parallell studie av spektra av gallium (ekaaluminum), det första "eka"-elementet som förutspåddes av D. I. Mendeleevs tabell, vilket speglar verkligheten i existenselement och som hade en mer komplex förklaring av elementens position [73] . Lite tidigare, 1870, förutspådde D. I. Mendeleev själv förekomsten av ecabor ( scandium ) [74] , vars spektra upptäcktes av L. Nilson 1879, och ett år senare isolerade han även skandiumoxid med en inblandning av ytterbium från oxenit [75] .
Upptäckten av skandium redan innan dess upptäckt i naturen bidrog avsevärt till den ytterligare bildandet och godkännandet av det periodiska systemet av kemiska element [75] . Dessutom tillhandahölls olika positioner av element i tabellen av forskare i ett försök att lösa problemet med positionen för sällsynta jordartsmetaller [76] eftersom det fanns en brist på kunskap i teorin; medan de flesta element passar väl in i vissa celler (ställen) i bordet, förblev sällsynta jordartsmetaller med sina mycket liknande egenskaper fortfarande i en obestämd position, vilket tjänade som en inspirationskälla för forskare [77] .
Carl Gustaf Mosanders (1797-1858) forskning fick många kemister att undersöka mineraler som innehåller cerium och yttrium. Men framstegen gick långsamt fram till forskarna i slutet av 1870-talet. lärde sig inte hur man studerar kemiska egenskaper med hjälp av spektroskopi (förutom att förbättra separationstekniker). Under de efterföljande åren var framstegen i studien och upptäckten av elementen mycket snabbare [66] [78] . Tack vare analysen av spektra upptäcktes (eller bekräftades) några av representanterna: terbium, ytterbium, holmium, thulium och samarium. Å andra sidan ledde användningen av en mer känslig teknik också till felaktiga slutsatser: till och med en liten mängd föroreningar i det studerade preparatet kunde i hög grad förändra det registrerade spektrumet [79] .
Jean Marignac nådde framgång genom att isolera ytterbiumjord från yttriumjord den 22 oktober 1878 [80] enligt följande: från en blandning av terbium med yttrium isolerade forskaren en erbiumfällning och drog slutsatsen att den var heterogen baserat på det faktum att oxiden av ett okänt grundämne (ytterbium) var, liksom dess salter, färglöst, i motsats till erbiumoxid [73] ; samtidigt drog forskaren en slutsats om grundämnets 3-valenta tillstånd och beräknade atomvikten - 172 [81] [K 10] . Detta land kontrollerades av L. Nilson och andra vetenskapsmän, som var nästan helt övertygade om dess renhet, men somliga trodde att föroreningar fanns i det. Bland de senare var J. Urbain i Frankrike och K. Auer von Welsbach i Österrike (senare upptäckte båda oberoende av varandra lutetium, 1907 respektive 1908), W. Crookes kom till samma slutsats (tillkännagav upptäckten av flera grundämnen) , spektroskopister F. Exner och E. Hasek (1899) och E. A. Demarce , som studerade spektra, upptäckte år 1900 elementet " Θ " och gjorde en anteckning om dess intåg i landet Marignac [81] .
Mineralet samarskite (upptäckt av G. Rose 1839 och uppkallat efter en rysk gruvingenjör ) väckte stor uppmärksamhet av forskare 1878; M. Delafontaine, som studerade prover av mineralet, upptäckte ett utmärkt absorptionsspektrum av didym från det som isolerats från cerit. Som en potentiell källa till nya grundämnen studerades mineralet av P. E. Lecoq de Boisbaudran , som fann oförklarade linjer i spektrumet som tyder på ett nytt grundämne. Det bevisades senare att det kunde separeras från didymium och decipium på basis av olika kemiska egenskaper, och den 16 juli 1879 rapporterade forskaren upptäckten av samarium, isolerat från mineralet för första gången [64] [73] [82] .
Per Theodor Cleve 1879, som studerade erbium, som fanns kvar efter separation från ytterbium, kom till slutsatsen att fraktionen var heterogen: spektrumet som registrerats av R. Alain hjälpte till att förstå att det innehöll en förorening. Forskaren delade in ämnet i tre fraktioner: den första liknade yttrium, den andra till ytterbium och den tredje till erbium. Bland de förmodade linjerna i erbiums spektrum fanns en (linje) endast närvarande i fraktionen nära ytterbium, men inte ytterbium själv; den andra är liknande - bara i en bråkdel nära yttrium, men inte yttrium själv; båda linjerna var mycket svagt närvarande i erbiumfraktionens spektrum. Forskaren insåg att han hade upptäckt två nya grundämnen och gav dem genast namn: thulium och holmium. Samtidigt gjorde Kleve en anteckning att uppdelningen av elementen inte var slutgiltig [83] . Så snart detta skedde visade det sig att ett år tidigare har J.-L. Soret fann samma absorptionsspektrum för holmium i ett erbiumprov erhållet från J. Marignac; forskaren betecknade det som element "X" [75] . Samtidigt bekräftade Lecoq de Boisbaudran studierna av både Cleve och Soret [84] .
Osäkerhet om förekomsten av nya grundämnen ledde till intensiva studier av samarium, vilket resulterade i upptäckten av två lantanider: gadolinium och europium [85] . 1880 började J. Marignac studera samarskite. Genom att applicera fraktionerad utfällning och använda kaliumsulfat följt av isolering av oxalater erhölls två potentiellt nya landområden: Yα och Yβ. Spektralanalys av Soret antydde att Yβ var samarium, och Yα liknade inte något av de kända elementen, inklusive decipium [85] . 1881 fick Delafonte ett renare decipium, vilket gjorde det möjligt att dra slutsatsen att det liknade grundämnet Yα och att det tidigare hade funnits en inblandning av samarium [84] .
P. E. Lecoq de Boisbaudran (med Marignacs godkännande) föreslog 1880 att grundämnet skulle få namnet gadolinium, men det är inte känt om grundämnet har fått sitt namn efter Johan Gadolin eller mineralet eller båda; gadolinium är dock den enda lantaniden vars namn kommer från hebreiska : roten gadol ("stor") valdes som efternamn av vetenskapsmannens far och kommer från namnet på gården i Finland ( finska Maunala ) som han bodde på [9 ] . År 1886 döpte Marignac grundämnet Yα, gadolinium [84] .
År 1885 mottog E. A. Demarcet kontaminerade prover av samarium från P. T. Cleve och tvivlade efter att ha undersökt spektrallinjerna förekomsten av föroreningar. Denna fråga förblev öppen i flera år, och senare rapporterade även Lecoq de Boisbaudran och Demarcet upptäckten av föroreningar (1892 och 1893). En ren europiumförening erhölls av E. A. Demarce 1901. Lite senare rapporterade Georges Urbain (1903 och 1904) isoleringen av europium från gadolinium med en ny metod, där vismut var det separerande elementet [85] .
1882 rapporterade B. Brauner (förutom J. Marignac 1853, M. Delafonte 1875 och P. T. Cleve 1882) didymiums heterogenitet, vilket markerade föroreningen med posten Diγ, och ett år senare bekräftade han sina antaganden. Några år senare, under vilken K. Auer von Welsbach var engagerad i separationen av olika upptäckta lantanider, tack vare upprepningen av mer än hundra gånger av operationer på fraktionerad kristallisation (inte utfällning) och analys av spektra, i fraktioner 1885 av praseodydium (grönaktig) och neodydium erhölls [86] [87] . Senare förkortades deras namn till praseodym och neodym, och 1890 bekräftades upptäckten oberoende av A. Bettendorff [87] . Neodym [88] var den första som erhölls i en relativt ren metallisk form 1925 och praseodym [89] 1931 .
En detaljerad studie av holmium av Lecoq de Boisbaudran ledde till upptäckten av dysprosium 1886. Det nya grundämnet hette så eftersom dess isolering krävde 32 tråkiga operationer för att fälla ut ammoniumsalter och efterföljande 26 operationer för oxalater; efterföljande studie av spektra och fluorescens gjorde det möjligt att upptäcka ett nytt element [75] . Upptäckten av dysprosium mottogs av kemister utan den misstro och kontroverser som var vanliga för den tiden [84] ; Fram till 1950 kunde metallen (tillsammans med andra sällsynta jordartsmetaller) inte erhållas i ren form förrän utvecklingen av jonbytesreaktioner och den metallografiska reduktionstekniken utvecklad av F. Spedding [90] .
I början av nästa århundrade var många kemister övertygade om existensen av följande grundämnen: lantan, cerium, praseodym, neodym, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium [91] .
Den långa vägen att studera och hitta majoriteten av lantanider i naturen fullbordades tack vare forskningen av J. Urbain , som 1907 (mer än ett sekel efter upptäckten av cerium [43] ) i J. Marignacs ytterbium avslöjade närvaron av lutetium [66] . Ett år senare och oberoende av Urbain, 1908 upptäcktes detta grundämne av C. Auer von Welsbach, som kallade grundämnet Cassiopeia [19] . Namnen lutetium och cassiopeia användes parallellt i flera decennier, med det senare i bruk i Tyskland och Österrike fram till 1950 -talet [79] .
Om spektralanalys gjorde det möjligt att identifiera enskilda sällsynta jordartsmetaller i olika bergarter, för att dra en slutsats om deras renhetsgrad, så kunde han inte antyda något om den initiala förekomsten av lantanider, för att förutse förekomsten av nya element. Svaret på den sista frågan gavs efter att ha studerat röntgenspektra för REE. Sålunda, med hjälp av Moseleys lag , fann man att lantan har atomnumret 57, det tyngsta grundämnet från lantanidfamiljen är 71. Efter röntgenspektralbestämningen av atomnumren för alla kända lantanider, fann man att bland dem fanns det är inget element med talet 61 [92] . En grupp italienska forskare från University of Florence tillkännagav upptäckten av florentium 1924. En liknande rapport om upptäckten av illinium (till ära av delstaten Illinois ), lät två år senare, var också för tidig [76] .
Sökandet efter detta element började. Femtio prover av lantanidmineraler utsattes för en grundlig studie i de optiska och röntgenområdena i spektrumet - det 61:a elementet hittades inte. Den tyske kemisten L. Prandtl föreslog att detta element antingen inte existerar, eller att dess närvaro i naturen är lika liten som teknetium . Den tyske forskaren I. Noddak , som var känd för att söka efter analoga element av mangan och särskilt rhenium , lade dock fram en hypotes om instabiliteten hos atomerna i det 61:a elementet, det vill säga om dess radioaktivitet : grunden för en sådan hypotesen var att det 62:a grundämnet - samarium - har en svag radioaktiv emission, och hypotesen bekräftades. Atomer av det 61:a grundämnet erhölls på grund av kärnreaktioner [92] : 1945 erhöll de amerikanska forskarna J. Marinsky, L. Glendenin och C. Coryell 61 grundämnen [93] (i form av nukliden 147 Pm ) och identifierade kemiskt två isotoper med jonbyteskromatografi. 1947 tillkännagavs dess kemiska egenskaper för att bevisa upptäckten, och ett år senare gavs namnet [94] [95] [96] .
Trender inom lärande1937 förberedde W. Klemm och G. Bommer REE i en form som gjorde det möjligt för dem att beskriva flera av metallernas egenskaper: beskriva deras kristallstrukturer, magnetiska känslighet , densiteter och även bekräfta Viktor Goldschmidts data från 1925 om lantanidkompression Lanthaniden-Kontraktion) med en ökning av serienumret. Arbetet ledde till slutsatsen att elementen inte är så lika varandra, att döma av deras egenskaper, som man trodde tidigare: tvåvärda tillstånd beskrevs för Eu och Yb, och valensen för Ce visade sig vara större än 3+ . Skillnaderna ökade gradvis med deras fortsatta studie [97] [98] [99] .
Sedan mitten av 1900-talet har olika frågor relaterade till lantanidernas taxonomi, Sc och Y, varit föremål för många publicerade arbeten, vilket generellt har lett till en djupare förståelse av den kemiska, metallurgiska och fysikaliska naturen. av de 17 elementen [99] . Under andra världskriget och under efterföljande år studerades och utökades tekniken att separera sällsynta jordartsmetaller med jonbytarhartser avsevärt av F. Spedding [K 11] . Hundratals kilo rena oxider av grundämnena separerades och producerades vid Ames Laboratory . Parallellt blev sällsynta jordartsmetaller gradvis tillgängliga för användning och studier av deras egenskaper. Efter 1957, när industrin började få fram högrena föreningar, sjönk priserna för vissa av dem (från Eu till Lu) med i genomsnitt 282 gånger [97] [K 12] .
Studiet av grundläggande fysikaliska egenskaper, särskilt magnetism i metaller, legeringar och föreningar, har varit föremål för intensiva studier av forskare i flera decennier. På 1960-talet - början av 1970-talet. den huvudsakliga uppmärksamheten var inriktad på "tunga" lantanider; "lungor" väckte dock uppmärksamhet på 1970-talet, när de blev tillgängliga i form av kristaller [100] . Under samma år började det dyka upp verk relaterade till effekten av metaller på människokroppen [101] : radioaktivt 144 Ce hittades i benen hos djur och blötdjur [102] , såväl som i lungor och lymfkörtlar hos människor som andades in radioaktiva aerosoler [103] . I mitten av 1980-talet. Forskarnas uppmärksamhet lockades av deras antikorrosionsegenskaper: verk publicerades som beskrev den positiva effekten av REE-klorider på hämning av korrosion av vissa metaller (till exempel aluminium) i klorhaltiga elektrolyter [104] [105] [106] .
Sedan Manhattan-projektet har USA varit ett centrum för forskning om REE och relaterad teknologi. I början av 1980-talet "kraftens" centrum har flyttat till Japan på grund av de snabba framstegen inom landets elektronik- och bilindustrier och flyttar för närvarande till Kina, kanske av samma skäl (inklusive fördelaktigt geografiskt läge) [107] .
Det totala antalet vetenskapliga artiklar som registrerades hos Chemical Abstracts Service 1990 var cirka 490 000 , varav 18 000 handlade om studier av sällsynta jordartsmetaller ; 2007 var totalen nära 1 000 000 , varav cirka 3 % var REE. Det mesta av materialet publicerades om ämnen relaterade till gruppens oxider (upp till 5000 artiklar, 2008), sedan spektroskopi (mer än 1400 artiklar, 2008), magnetism (upp till 1400, 2006), magneter (samma), katalys och katalysatorer (upp till 1400, 2008) [107] .
De viktigaste mineralerna av sällsynta jordartsmetaller [108] | |||
---|---|---|---|
namn | Mineralets sammansättning | Innehållet av grundämnen från ceriumgruppen, % |
Innehållet av grundämnen från yttriumgruppen, % |
Monazit | REE och toriumortofosfater (Ln, Th) PO 4 |
42-70 | 0,5—5 |
Bastnäsite | REE fluorkarbonater (Ce, La) CO 3 F |
73-76 | 0,0—0,1 |
Loparite | Titanoniobater REE, kalcium | 30,7-34 | 0,0–0,5 |
Cerite | REE silikater | 59,4-70 | — |
euxenit | Titanoniobater REE, kalcium (Y, Ca, Ce,) (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 |
0,2–4,3 | 18.2—28.1 |
Xenotim | REE ortofosfater YPO 4 |
0,3-5 | 52-63 |
Gadolinit | Silikater av REE, järn, beryllium | 2,9–7,9 | 31-46,6 |
Samarskit | Yttriumtantaloniobat, erbium, etc. | 0,3—1,7 | 9,1-38 |
fergusonit | En blandning av tantaloniobater , titanoniobater av samarium, yttrium, erbium och järn |
0,9–6,2 | 31,2—42,3 |
Pyroklor | (Na, Ca, Ce, Y, Th, U) 2 (Nb, Ta, Ti, Fe) 2 O 6 (OH, F) |
0,78—7,5 | 0,1–0,6 |
Lantaniderna är brett spridda i naturen. Deras fördelning i jordskorpan är 0,015 % [109] . Deras totala koncentration närmar sig överflödsvärdena av koppar , bly , zink [109] , tenn , guld [19] , arsenik , som inte är sällsynta grundämnen i naturen. Det finns inga stenar på jorden som inte innehöll åtminstone en liten blandning av cerium, lantan, praseodym, yttrium, etc. Lantanider finns i apatiter , bariter , graniter , basalter , pyroxeniter , andesiter , leror , i havsvatten, etc. Dessutom fanns deras närvaro också i kol , olja , i olika jordar, djur och växter [92] .
Geologisk fördelning av metallreserver [110] | |
---|---|
Land | Reserver av oxider, t |
Kina | 55 000 000 |
OSS-länderna | 19 000 000 |
USA | 13 000 000 |
Indien | 3 100 000 |
Australien | 1 600 000 |
Brasilien | 48 000 |
Malaysia | 30 000 |
Övrig | 22 000 000 |
Total | 113 778 000 |
Lantaniderna är dock fortfarande ganska spårämnen och finns inte ofta i mineraler som lätt kan återvinnas. Endast vissa länder ( Indien , Sydafrika ) har tillräckligt med fyndigheter för att producera koncentrat, men mer än 95% av alla fyndigheter finns i Kina . Paradoxalt nog, på grund av deras ökade roll inom jordbruket och industrin, har deras negativa påverkan på miljön också ökat [109] . I naturen finns det mer koncentrerade ansamlingar av REE. Redan under första hälften av 1800-talet identifierades ett antal mineraler som innehåller lantanider. Innehållet i denna grupp av grundämnen i mineraler närmar sig 250 arter. Det finns cirka 60–65 typer av mineraler där REE utgör 5–8 viktprocent . De flesta mineraler innehåller cerium och närliggande grundämnen (ceriummetaller). Mycket mindre är känt om mineraler som innehåller yttrium och tunga lantanider [108] .
Koncentrationen av "lätta" lantanider är vanligtvis högre än den för "tunga": de flesta elementavlagringar innehåller från 80 till 99 % av lantan-, cerium-, praseodym- och neodymföreningar. Metaller kan brytas i form av deras oxider eller i ren form ( mischmetal ) följt av separation. Endast lantan, cerium, praseodym och yttrium bryts separat och står för ungefär en fjärdedel av den totala produktionen [111] .
Rika avlagringar av lantanider (sällsynta jordartsmetaller) finns i Indien ; monazitsand förekommer på Travankoris kuststränder, i Brasilien , Australien , USA , Afrika , Skandinavien , etc. I Europa finns REE-mineraler på Kolahalvön , Ural , Ukraina , i Asien - i Kazakstan , Sibirien .
I juni 2011 upptäckte forskare från Japan omfattande avlagringar av metaller - lantanider och yttrium - på botten av Stilla havet . I internationellt vatten , på 78 platser belägna på ett djup av 3,5 till 6 km, avlägsnades siltavlagringar från botten [115] . Enligt forskarnas uppskattningar är den totala volymen metallhaltiga sediment på havsbotten ungefär mer än 110 miljoner ton [116] . De studerade platserna valdes på ett sådant sätt att de täcker större delen av bottenytan. De områden som är rikast på föreningar (främst metallhaltiga sediment, zeolitlera , rödlera ) är belägna från den centrala (cirka 13°30′ N 175°00′ W ) till sydost ( 15° S lat 145° W ) områden i havet. Men så länge som djupet på 4–5 km, där majoriteten av oxidrik silt finns, kommer att starkt påverka gruvdriftens ekonomiska och tekniska genomförbarhet, kommer fyndigheterna bara att förbli en mycket lovande resurs för gruvdrift [117] .
De huvudsakliga malmerna från vilka sällsynta jordartsmetaller bryts är bastnäsit , monazit , xenotime och jonabsorptionsleror [118] .
Elementarsammansättning av vissa metallavlagringar (i %) [118] [119] | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Mount Weld (CLD) [K 16] (Australien) |
Mount Weld (Duncan) [K 16] (Australien) |
Mountain Pass (USA) |
Bayan-Obo (Kina) |
Guangdong (Kina) |
Xunwu (Kina) |
Longnan (Kina) | |
Mineral | Sekundär monazit | Churchit | Bastnäsite | Bastnäsite | Xenotim | laterit | laterit |
Lantan | 25,57 | 23,93 | 33.2 | 23 | 1.2 | 43,4 | 1,82 |
Cerium | 46,9 | 39,42 | 49,1 | femtio | 3 | 2.4 | 0,4 |
Praseodym | 4,92 | 4,85 | 4,34 | 6.2 | 0,6 | 9 | 0,7 |
neodym | 16,87 | 18.08 | 12 | 18.5 | 3.5 | 31.7 | 3 |
Samarium | 2,29 | 2,87 | 0,8 | 0,8 | 2.2 | 3.9 | 2.8 |
Europium | 0,49 | 0,77 | 0,1 | 0,2 | 0,2 | 0,5 | 0,1 |
Gadolinium | 1,33 | 2.15 | 0,2 | 0,7 | 5 | 3 | 6.9 |
Terbium | 0,13 | 0,29 | — | 0,1 | 1.2 | — | 1.3 |
Dysprosium | 0,31 | 1,36 | — | 0,1 | 9.1 | — | 6.7 |
Holmium | 0,04 | 0,21 | — | — | 2.6 | — | 1.6 |
Erbium | 0,113 | 0,46 | — | — | 5.6 | — | 4.9 |
Thulium | 0,01 | 0,04 | — | — | 1.3 | — | 0,7 |
Ytterbium | 0,05 | 0,2 | — | — | 6 | 0,3 | 2.5 |
Lutetium | 0,02 | 0,03 | — | — | 1.8 | 0,1 | 0,4 |
Det finns tre huvudsakliga gruvområden i Kina: i Baotou , Sichuan och Jiangxi - de står för 88% av alla fyndigheter i landet. I Bayan-Obo (Baotou, Inre Mongoliet ) är cirka 83 % av Kinas fyndigheter koncentrerade, i Shandong -provinsen - 8 %, i Sichuan-provinsen - 3 % (det finns avlagringar av lätta lantanider i dessa provinser); 3% av tunga lantanidavlagringar finns i Jiangxi-provinsen i södra Kina [118] [120] .
Förekomsten av grundämnen i bastnasit och monazit från Bayan-Obo är liknande: 26 % är La 2 O 3 , 50 % är Ce 2 O 3 , 5 % är Pr 2 O 3 , 16 % är Nd 2 O 3 och 1 % Sm 2 O 3 (övriga mindre än 1%). I provinsen Sichuan utvecklas bastnasit med följande sammansättning: 37 % - La 2 O 3 , 47 % - Ce 2 O 3 , 4 % - Pr 2 O 3 , 10 % - Nd 2 O 3 (andra - mindre än 1 %). I sydöstra Kina är förekomsten av lateritisk lera som innehåller REE känd; i flera provinser som ligger runt Jiangxi utvecklas jonabsorberande leror som uppvisar ganska olika sammansättning: 2-30% - La 2 O 3 , 1-7% - Ce 2 O 3 och Pr 2 O 3 , 3-30% - Nd2O3 , 2-7 % - Dy2O3 [ 118 ] [ 121 ] [122] . Det är tack vare det senare som världsförsörjningen av yttriumgruppmetaller uppnås; de bryts vanligtvis och lättare från sådana leror direkt på plats - denna process är mycket mindre energikrävande än brytning från hårda stenar [114] [123] [124] .
Andra utforskade platser i provinserna Yunnan , Guizhou och Sichuan inkluderar basaltvittringsskorpan, som är föremål för ytterligare utforskning av potentiella fyndigheter [125] .
Utvinningsnivån av sällsynta jordartsmetaller av Kina är för närvarande 80 % eller mer av den globala nivån [126] .
Kostnaden för metallföreningar 2009 (uppskattad) [127] och 2011 [128] . | |||||
---|---|---|---|---|---|
metalloxid | Renhet, % | Kostnad, USD/kg | |||
2009 | 2011 | ||||
Lantan | 99,99 | trettio | 100 | ||
Cerium | 96-99,50 | trettio | 100 | ||
Praseodym | 96 | 38 | 225 | ||
neodym | 95 | 42 | 270 | ||
Samarium | 99,90 | 130 | 118 | ||
Europium | 99,99 | 1600 | 3 300 | ||
Gadolinium | 99,99 | 150 | 239 | ||
Terbium | 99,99 | 900 | 2750 | ||
Dysprosium | 99 | 170 | 1600 | ||
Holmium | 99,90 | 750 | — | ||
Erbium | 96 | 100 | 255 | ||
Thulium | 99,90 | 1500 | — | ||
Ytterbium | 99 | 325 | 450 | ||
Lutetium | 99,99 | 1800 | 4000 |
Efterfrågan på REE har ökat under de senaste 35 åren från 30 000 ton (1980-talet) till cirka 120 000 ton (2010), vilket är högre än produktionen av metallföreningar 2011 - 112 000 ton [116] . Förbrukningen av sällsynta jordartsmetaller uppgick 2014 till 120148 ton [129] . De genomförda studierna gjorde det möjligt att förutsäga att den sammansatta årliga tillväxttakten (från engelskan. Compound annual growth rate ) kräver från 2014 till 2020. kommer att vara 3,9% (från 120148 ton till 150766 ton) främst på grund av stark efterfrågan på oxider av neodym, praseodym och dysprosium (bland andra sällsynta jordartsmetaller) [130] .
2010 införde Kina allvarliga kvoter: minskningen av metallexportens volym uppgick till nästan 70 %, vilket återspeglades i den högsta tillväxten (2011) och fallet (2012) av priserna [131] , och som ett resultat, världen priset på La från 2009 till 2012. ökade med en faktor 5, med Sm och Tb med 5,8, med Er med 6,3, med Ce och Pr med 9, med Nd med 11 och med Dy med 12,4 [132] . Efter denna händelse initierades många projekt för att utveckla metallgruvor i olika länder [131] , samt att utforska (möjliga) nya [117] [133] [134] [135] [136] , vilket ledde till en ökning av resurser utanför länder med mer än 7 gånger - från 13,4 (2010) till 100,2 miljoner ton (2015) [126] .
Enligt vissa antaganden kan prisökningarna för närvarande också orsakas av en obalans mellan efterfrågan på enskilda sällsynta jordartsmetaller och deras kvantitativa innehåll i malmer [137] .
Förutom att söka efter gruvplatser publiceras recensioner:
Nya data visar att nivån av REE-bearbetning är mindre än 1 % (2011) [156] [157] eller 1–2 % (2013) [158] [159] när det gäller EOL-RR ( end-of- life recycling) rate - procentandel av mängden metall som går till bearbetning i en använd produkt).
Ett yttrande om den kritiska betydelsen av dessa metaller för högteknologi publicerades av US Geological Survey 2002 [160] . Europeiska kommissionen erkände också 2010 gruppen som kritisk och av medelstor betydelse för ekonomin [5] [161] , och Institutet för energi och transport , en del av Centrum för gemensam forskning , på grund av marknadsrisk och politiska faktorer, isolerade neodym och dysprosium [162] . 2014 släppte UNCTAD en specialrapport som anger den höga graden av beroende av kinesisk produktion och betydelsen av element för försvarssystem [5] [163] . Många experter[ vad? ] grundämnen är erkända som de fjärde viktigaste efter olja , vatten och järnmalm [164] och kallas ibland "vitaminer" ("industriella vitaminer", "vitaminer för metaller"): tillsats av även små mängder kan avsevärt förbättra fördelaktiga egenskaper hos slutprodukten [165] [166] [167] [168] [169] .
Med exemplet Kina, ett land som samtidigt var den största tillverkaren , konsumenten och exportören av REE [171] [K 18] , kan man dra slutsatsen att det har skett en betydande förändring i strukturen för metallkonsumtion under 20 år från 1988 till 2008. Så om 1988 mer än hälften (56%) av konsumtionen stod för metallurgisk industri och maskiner, så var det 1998 redan mindre än en tredjedel (30%) och 2008 - 15%. Tvärtom var produktionen av magneter, fosforer, polerpulver etc. 1988 mindre än 1%, men efter 10 år - 18% och 2008 - 52%. Andra konsumtionsområden - kemisk industri , olja , textil , belysningsindustri , jordbruk , för produktion av glasögon , linser , keramiska material - står för upp till 56% för varje enskilt år av intervallet. En betydande ökning av metallkonsumtionen i Kina förväntas i framtiden på grund av en ökning av antalet utländska företag som flyttar sin produktion och har möjlighet att köpa dem billigare inhemskt, vilket minskar kostnaderna för att tillverka slutprodukten och är en av de huvudstrategier för det land som vill behålla kontrollen över industrin [170] .
Kemiskt element | La | Ce | Pr | Nd | Pm | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Eh | Tm | Yb | Lu |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
avgiftsnummer | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 |
Bild | — | ||||||||||||||
Densitet, g/cm³ | 6,162 | 6,77 | 6,77 | 7.01 | 7,26 | 7,52 | 5,244 | 7.9 | 8.23 | 8,54 | 8,79 | 9,066 | 9.32 | 6,90 | 9,841 |
Smältpunkt, °C | 920 | 795 | 935 | 1024 | 1042 | 1072 | 826 | 1312 | 1356 | 1407 | 1461 | 1529 | 1545 | 824 | 1652 |
Kokpunkt, °C | 3464 | 3443 | 3520 | 3074 | 3000 | 1794 | 1529 | 3273 | 3230 | 2567 | 2720 | 2868 | 1950 | 1196 | 3402 |
Elektronisk konfiguration [K 19] | 5d 1 | 4f1 5d1 _ _ | 4f 3 | 4f 4 | 4f5 _ | 4f 6 | 4f7 _ | 4f 7 5d 1 | 4f9 _ | 4f 10 | 4f 11 | 4f 12 | 4f 13 | 4f 14 | 4f 14 5d 1 |
metallgaller | DGPU | HCC | DGPU | DGPU | DGPU | R | BCC | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU |
Metallradie, kl | 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 |
Resistivitet (vid 25 °C), µOhm cm |
57-80 (vid 20°C) |
73 | 68 | 64 | — | 88 | 90 | 134 | 114 | 57 | 87 | 87 | 79 | 29 | 79 |
Magnetisk känslighet , χ mol / 10 −6 (cm 3 mol −1 ) |
+95,9 | +2500 (β) | +5530(α) | +5930 (α) | — | +1278(α) | +30900 | +185 000 (vid 350 K) |
+170 000 (α) | +98 000 | +72900 | +48 000 | +24700 | +67 (β) | +183 |
Det är känt att lantanidatomer har följande elektroniska konfigurationer [Xe] 4 f n 6 s 2 och [Xe] 4 f n −1 5 d 1 6 s 2 (där n är ett tal från 1 till 14) [172] . Lantan ([Xe] 5 d 1 6s 2 ) har inga f -elektroner, cerium har en ([Xe] 4 f 1 5 d 1 6 s 2 ), praseodym har 3. Vidare, med ökande serienummer, antalet f - elektroner ökar gradvis med halvfyllning av 4 f- nivån i gadolinium (4 f 7 5 d 1 6 s 2 ) och dess fullständiga komplettering i lutetium (4 f 14 5 d 1 6 s 2 ) [173] .
I lantan, gadolinium och lutetium är 5 d 1 6 s 2 elektroner valens, därför är dessa element i föreningar uteslutande trevärda. I andra lantanider skapas valensbindningar med deltagande av 4 f elektroner. Men de har också en valens på 3. Med hänsyn till stabiliteten för 4 f 0 -, 4 f 7 - och 4 f 14 konfigurationerna, elementen Eu ([Xe] 4 f 7 6 s 2 ) och Yb ([ Xe] 4 f 14 6 s 2 ) [175] kan uppvisa valens 2, medan Ce ([Xe] 4 f 1 5 d 1 6 s 2 ) och Tb ([Xe] 4 f 9 6 s 2 ) även 4 [173 ] .
Lantanidernas första joniseringspotentialer och tillsammans med dem REE är små: 5,61 (La)-5,64 eV ( Sc ). Den andra och tredje potentialen är inte heller särskilt höga. Dessutom kan ytterligare jonisering av enkel- eller dubbelladdade joner enkelt utföras, eftersom den energi som krävs för detta erhålls som en energivinst under bildandet av ett kristallgitter eller hydrater av mindre R3 + . Därför bildar lantanider lätt R3 + -joner . Därför har bindningarna som skapas av dem med andra element en hög procentandel av jonicitet [173] .
Alla lantanidjoner Ln 3+ , med undantag för La 3+ och Lu 3+ , har oparade 4 f - elektroner. Detta indikerar deras paramagnetism och karaktäristiska egenskaper hos jonspektrat. Eftersom de yttre 5 s 2 och 5 p 6 subskalen avskärmar 4 f orbitaler mycket märkbart, förblir 4 f n elektronerna praktiskt taget oförändrade i alla sina föreningar.
Lantaniderna kännetecknas av sin silverfärgade färg, formbarhet , låga hårdhet och medelhöga smältpunkter , värdeintervallet är från 804 °C (cerium) till 1700 °C (lutetium). Baserat på densitetsvärdena kan lantanider delas in i två grupper: lätta och tunga. Den första gruppen inkluderar lantan , cerium , praseodym , neodym , samarium , europium och gadolinium . Densiteten för dessa metaller är under 8 g/cm³ . De återstående grundämnena utgör den andra gruppen, i vilken densiteten, exklusive ytterbium , ligger mellan 8,272 ( terbium ) och 9,482 g/cm³ ( lutetium ) [176] .
Metalliska lantanider kännetecknas av paramagnetism . De flesta treladdade lantanidjonerna är också paramagnetiska . Vissa av lantanidmetallerna, förutom cerium, behåller sina paramagnetiska egenskaper även vid mycket låga temperaturer (temperatur för flytande kväve ), medan andra märkbart ändrar sin paramagnetism med temperaturförändringar [176] .
Lantan och lantanider leder värme och elektricitet . Ytterbium har den bästa elektriska ledningsförmågan , sämre - yttrium, lantan, cerium, praseodym och neodym. Värst av allt leder el gadolinium och terbium. Det följer att förändringen i elektrisk ledningsförmåga med ökande serienummer ökar ojämnt. Och på grund av denna egenskap delas lantaniderna in i två grupper [177] .
Lantanidernas atomvolym kännetecknas av en ännu mer ojämn förändring . Beroendet av lantanidatomernas atomvolym eller radier på serienumren har karaktären av en streckad linje med toppar i början, mitten och slutet. Således indikerar förändringen i de fysikaliska egenskaperna hos lantanidmetaller redan en sekundär periodicitet i denna familj och deras uppdelning i två grupper: cerium och yttrium.
En viktig fysisk egenskap hos lantaniderna är deras förmåga att absorbera termiska neutroner . I detta avseende är gadolinium, samarium, europium och dysprosium särskilt utmärkande. Till exempel för cerium är det termiska neutroninfångningstvärsnittet 0,73 barn , medan detta värde för gadolinium är lika med 46 000. Förutom cerium absorberar yttrium (1,3 barn ) och lantan (9,3 barn ) neutroner dåligt [173] .
Det djupt liggande fjärde lagret 4f 14 är fyllt i lantanidatomen . Därför kan det bara finnas 14 lantanider. Eftersom strukturen på de två yttre elektronskalen inte förändras när kärnladdningen ökar, har alla lantanider liknande kemiska egenskaper [178] .
I naturen följer lantanider med varandra. Isoleringen av enskilda element med kemiska metoder är en mycket svår uppgift på grund av den stora likheten mellan deras egenskaper.
PolymorfismPolymorfa modifieringar av lantanider [179] | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Element | Modifiering | Kristallsystem _ |
Typstruktur _ |
Gitterparametrar, pm | Space group , Schoenflies och Pearson symboler |
Stabilitetsintervall | |||
a | c | ||||||||
Lantan | a-La | Hexagonal | a-La | 377,4 | 1217.1 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | Rum takt. och tryck |
P-La | HCC | Cu | 530,45 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF2 | > 613K | |
y-La | BCC | W | 426,5 | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1141 K | |
P'-La | HCC | Cu | 517 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | > 2 GPa | |
Cerium | a-Ce | HCC | Cu | 516,1 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | Rum takt. och tryck |
p-Ce | Hexagonal | a-La | 367,3 | 1180,2 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | >263K | |
y-Ce | HCC | Cu | — | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | < 95 000 | |
α'-Ce | HCC | Cu | 482 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | > 1,5 GPa | |
Ce-III | ortorombisk | α- U | — | — | cmcm | D17 2h |
oC4 | 5,1 GPa | |
Praseodym | a-Pr | Hexagonal | a-La | 367,21 | 1183,26 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | Rum takt. och tryck |
p-Pr | BCC | W | 413 | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1094K | |
y-Pr | HCC | Cu | 488 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | > 4 GPa | |
neodym | a-Nd | Hexagonal | a-La | 365,82 | 1179,66 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | Rum takt. och tryck |
p-Nd | BCC | W | 413 | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1135K | |
y-Nd | HCC | Cu | 480 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | > 5 GPa | |
Prometium | a-Pm | Hexagonal | a-La | 365 | 1165 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | Rum takt. och tryck |
p-Pm | BCC | W | — | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1163K | |
Samarium | a-Sm | Trigonal | a-Sm | 362,9 | 2620,7 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | Comp. takt. och tryck |
p-Sm | BCC | W | — | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1190K | |
y-Sm | Hexagonal | a-La | 361,8 | 1166 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | > 4 GPa | |
Gadolinium | a-Gd | GPU | mg | 363,36 | 578,1 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Rum takt. och tryck |
p-Gd | BCC | W | 406 | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1535K | |
y-Gd | Trigonal | a-Sm | 361 | 2603 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 3 GPa | |
Terbium | a-Tb | GPU | mg | 360,55 | — | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Rum takt. och tryck |
p-Tb | BCC | W | — | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1589 K | |
Tb-II | Trigonal | a-Sm | 341 | 2450 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 6 GPa | |
Dysprosium | a-Dy | GPU | mg | 359,15 | 565,01 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Rum takt. och tryck |
p-Dy | BCC | W | — | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1243K | |
α'-Dy | ortorombisk | — | a=359,5, b=618,4, c=567,8 | cmcm | D17 2h |
oC4 | < 86K | ||
y-Dy | Trigonal | a-Sm | 343,6 | 2483 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 7,5 GPa | |
Holmium | a-Ho | GPU | mg | 357,78 | 561,78 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Rum takt. och tryck |
p-Ho | BCC | W | — | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | Vid hög temperatur | |
y-Ho | Trigonal | a-Sm | 334 | 2450 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 4 GPa | |
Erbium | a-Er | GPU | mg | 355,92 | 558,5 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Rum takt. och tryck |
p-Er | BCC | W | — | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | Vid hög temperatur | |
Thulium | a-Tm | GPU | mg | 353,75 | 555,4 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Rum takt. och tryck |
p-Tm | BCC | W | — | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | Vid hög temperatur | |
Tm-II | Trigonal | a-Sm | — | — | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 6 GPa | |
Ytterbium | a-Yb | HCC | Cu | 548,48 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | Rum takt. och tryck |
p-Yb | BCC | W | 444 | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1005K | |
y-Yb | GPU | mg | 387,99 | 638,59 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | <270K | |
Lutetium | a-Lu | GPU | mg | 350,52 | 554,94 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Rum takt. och tryck |
p-Lu | BCC | W | — | — | jag är 3m _ | O9 h |
cl2 | > 1005K | |
Lu II | Trigonal | a-Sm | — | — | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 23 GPa |
För lantan och lantanider är polymorfism karakteristiskt, liksom för aktinider . Så, lantan har tre modifikationer (α-, β- och γ-lantan), cerium har fyra modifikationer (α-, β-, γ- och δ-cerium). Under normala förhållanden kännetecknas lantanider av ett hexagonalt gitter (med undantag av cerium) [177] .
Lantanider är kemiskt aktiva, de bildar starka oxider , halogenider, sulfider , reagerar med väte , kol , kväve , fosfor . De sönderdelar vatten, löser sig i saltsyra , svavelsyra och salpetersyra . I fluorväte- och fosforsyror är lantanider stabila, eftersom de är täckta med skyddande filmer av svårlösliga salter - fluorider och fosfater .
Med ett antal organiska föreningar bildar lantanider komplexa föreningar . Viktiga för separationen av lantanider är komplex med citron- och etylendiamintetraättiksyra .
De första proverna av kristallografiskt karakteriserade komplexa föreningar av Tb 2+ , Pr 2+ , Gd 2+ , Lu 2+ joner visade att joner av alla Ln 2+ (utom, möjligen, prometium) kan erhållas i lösningar [180] [181 ] [182] .
För att bestämma innehållet av lantanider i en lösning kan kalceinblått [ K 20] [183] [184] användas .
Binära föreningar Oxider och hydroxiderLnO-monoxider (där Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Ho, Er, Yb) är mekaniskt stabila, har god motståndskraft mot plastisk deformation och har en metallisk bindningskaraktär . De höga värdena för Youngs modul , jämfört med bulkmodul och skjuvmodul , indikerar att La-, Ce-, Nd-, Sm-, Eu-, Ho-, Er- och Yb-monoxider är styvare till sin karaktär än TbO; Poissons förhållande mellan alla ovanstående monoxider ligger i intervallet från 0,23 till 0,409, vilket indikerar deras motståndskraft mot yttre deformation. Beräkningar av den elektroniska laddningstäthetsfördelningen längs (100)-planet i föreningar bekräftade data om den kovalenta naturen hos bindningen i LaO , SmO , EuO , ErO , HoO och jonkaraktären hos bindningen i CeO , PrO , NdO , TbO och YbO [185] .
HaliderSamarium(II)jodid , som används inom organisk kemi som ett av de viktigaste reduktionsmedlen i organisk syntes [186] , kan till exempel erhållas genom högtemperatursönderdelning av dess trijodid [187] [188] [189 ] eller genom reaktion av samariumpulver med dijodoetan i vattenfri THF under laboratorieförhållanden [190] . Dysprosium(II)- och thulium(II)-föreningar är starkare reduktionsmedel i organisk syntes än samarium(II)-föreningar [191] [192] [193] [194] .
Tack vare de utförda beräkningarna erhölls experimentella data om egenskaperna i föreningarna LnX 4 (Ln = Ce, Pr, Tb; X = F, Cl, Br, I), där 4f- och n p-nivåerna (för lantanider) och halogenider, respektive) är signifikant överlagrade på varandra. Bidraget från 4f-nivån till Ln-X-bindningen i tetrahalider är ungefär en tredjedel större än i trihalider (LnX 3 ) [195] .
Organometalliska föreningarRecensioner inom området för syntes av metallorganiska föreningar av gruppmetaller publiceras på årsbasis [181] [196] [197] [198] [199] .
Effekter i 4f-undernivånLikheten mellan de kemiska egenskaperna hos lantaniderna är en konsekvens av särdragen i deras atomstruktur: de har samma antal och typ av valenselektroner i det sista sjätte lagret, trots ökningen av atomnummer. Dessa valenselektroner, som kompenserar för den ökade positiva laddningen i kärnan, fyller den delvis upptagna 4f-subnivån. Och eftersom det förblir ofyllt har lantaniderna liknande kemiska egenskaper [200] .
På grund av ökande attraktionskrafter mellan den positiva laddningen i kärnan och den negativa i 4f-subnivån [200] tenderar lantanider att förlora tre elektroner (bildar Ln III ) [172] och minska deras atomradie . Men det finns undantag när vissa joner av element antar "ovanliga" joniska tillstånd, till exempel: i den grundläggande miljön kan europium ta en elektron och anta ett 2-valent tillstånd (Eu 2+ ), och i ett surt medium, cerium kan förlora det och bli 4-valent (Ce 4+ ) [200] .
De unika spektroskopiska egenskaperna hos atomerna i gruppen förklaras av den radiella ökningen i 4f-orbitalen, som i sin tur är mindre än ökningen av de fyllda 5s 2 och 5p 6 undernivåerna. Denna egenskap ger elementen särskild uppmärksamhet från forskare inom fotonikområdet , särskilt i frågor om ljusgenerering, dess förstärkning och transformation [201] .
Henry Moseley 1914 [129] var den första som bekräftade det faktum att det måste finnas exakt 15 lantanider . Det är vanligt att klassificera exakt 15 grundämnen som lantanider, men inte ens för närvarande finns det någon allmän överenskommelse om lantanets position, det vill säga om grundämnen från lantan till lutetium eller från cerium till lutetium utgör denna grupp [15] [1] [ 202] . I december 2015 skapade IUPAC ett projekt för att studera denna fråga [203] . I en vetenskaplig artikel av Pekka Pyukkö , en finsk professor i kemi vid Helsingfors universitet , finns det tre olika utdata för arrangemanget av f-elementen i det periodiska systemet [204] [K 21] :
Liknande tvister genereras av frågan om familjens position i det periodiska systemet: för att besvara den föreslogs flera olika idéer om den periodiska klassificeringen, där element i d- och f-blocket blandades [205] [206 ] . Angående majoriteten av lantaniderna som upptäcktes 1906, som inte passar i tabellen, skrev D. I. Mendeleev följande [207] :
Här har min personliga åsikt ännu inte bestämt sig för något bestämt, och här ser jag en av de svåraste uppgifterna som periodisk laglighet presenterar.
allmän information | ||||
---|---|---|---|---|
Symbol | CAS | Innehåll i humant blodserum [208] [K 22] , pg /ml | Toxikologiska data [209] | LD 50 [209] |
La | 7439-91-0 | 62,7 ± 7,1 | Hos djur: injektion av lantanföreningar leder till hyperglykemi , lågt blodtryck , degeneration av mjälte och leverförändringar | Lantan(III)oxid , oral, råttor: mer än 8,5 g/kg; möss, ip: 530 mg/kg |
Ce | 7440-45-1 | 214 ± 22 | Cerium är ett starkt reduktionsmedel, antänds spontant i luft från 65 till 80 °C. De ångor som frigörs vid förbränning är giftiga. Injektioner av stora doser cerium i djur resulterade i dödsfall på grund av hjärt-kärlsvikt . Cerium(IV)oxid är ett starkt oxidationsmedel vid höga temperaturer, reagerar med brandfarliga organiska material | Cerium(IV)oxid , oral, råtta: 5 g/kg, intradermalt: 1–2 g/kg, inandning av ångor: 5,05 mg/l |
Pr | 7440-10-0 | 11,1±1,5 | — | — |
Nd | 7440-00-8 | 33,7 ± 4,2 | Neodymföreningar har inte testats utförligt för toxicitet. Neodymdamm och salter är starkt irriterande för ögon och slemhinnor , måttligt irriterande för huden. | Neodym(III)oxid , oral, råttor: mer än 5 g/kg, möss, intraperitonealt: 86 mg/kg. Föreningen är en mutagen |
Pm | 7440-12-2 | — | Vilka organ som påverkas när de interagerar med metallen är okänt; eventuellt finns i benvävnad | — (exklusive radioaktiva egenskaper) |
sm | 7440-19-9 | 5,8±1,1 | Den totala metallhalten hos en vuxen är cirka 50 μg, främst i levern och njurarna, 8 μg löses i blodet. Olösliga salter är ogiftiga, lösliga salter är lätt giftiga. Vid intag kommer endast 0,05% av metallsalterna in i blodomloppet, resten utsöndras naturligt. Av blodet kommer cirka 45% in i levern, 45% sätter sig på ytan av benen, där det kan stanna upp till 10 år; 10 % av den totala produktionen | — |
Eu | 7440-53-1 | 0,82 ± 0,19 | Det finns inga tydliga tecken på metalltoxicitet jämfört med tungmetaller | Europium(III)klorid , ip: 550 mg/kg, oralt: 5 g/kg. Europium(III)nitrat , ip: 320 mg/kg, oralt: 5 g/kg |
Gd | 7440-54-2 | 7,2 ± 1,4 | I det fria tillståndet är metalljoner mycket giftiga; kelatföreningar som används vid magnetisk resonanstomografi anses vara ganska säkra. Toxiciteten beror på styrkan hos kelatbildaren. Anafylaktiska reaktioner är sällsynta: i cirka 0,03-0,1 % av fallen | — |
Tb | 7440-27-9 | 1,30±0,22 | — | — |
Dy | 7429-91-6 | 9,6 ± 1,1 | Lösliga metallsalter (t.ex. dysprosiumklorid , dysprosiumnitrat ) har låg toxicitet vid intag. Olösliga salter uppvisar inte giftiga egenskaper | Dödlig dos av dysprosiumklorid per person: mer än 500 g |
Ho | 7440-60-0 | 2,55±0,54 | — | — |
Eh | 7440-52-0 | 9,5 ± 1,9 | — | — |
Tm | 7440-30-4 | 1,69±0,42 | Lösliga metallsalter anses vara lågtoxiska i stora mängder, olösliga är ogiftiga. Thulium tas inte upp av växtrötter och kommer därför inte in i den mänskliga näringskedjan | — |
Yb | 7440-64-4 | 13,2 ± 3,2 | Alla föreningar bör anses vara mycket giftiga eftersom de orsakar hud- och ögonirritation; några av föreningarna kan vara teratogena | — |
Lu | 7439-94-3 | 2,46 ± 0,58 | Metallen är lågt giftig. Lutetiumfluorid är farligt vid inandning och orsakar hudirritation. Lutetiumoxidpulver är giftigt både vid inandning och förtäring. Lösliga metallsalter är lågtoxiska, olösliga är giftiga | — |
Lantaniders farmakologiska egenskaper är sådana att deras innehåll i kroppen minskar blodtryck , kolesterol och glukosnivåer , minskar aptiten , förhindrar blodpropp och förhindrar åderförkalkning hos försöksdjur. Den potentiella fördelen med att använda substanser i medicin med sådana farmakologiska egenskaper kommer inte att lämna dem utanför forskarna. Vissa lantanidkomplex har antiinflammatoriska effekter; till exempel är phlogodyn ( eng. phlogodyn ) ganska flitigt använt i Ungern [210] .
Lantaniderna har olika fysiologiska effekter på växter och djur och anses generellt ha låg toxicitet. Först nyligen har forskning fokuserat på miljöaspekter av påverkan och deras potentiellt skadliga effekter på livskvalitet [109] .
Det finns en hypotes att sällsynta jordartsmetaller i levande organismer har samma funktion som kalcium . På grund av detta ackumuleras de i organ, vars kalciuminnehåll är högre jämfört med resten. I jordar når REE-halten 0,24 % . Från jorden kommer dessa element in i växterna . Det finns ett ökat innehåll i lupin , sockerbetor , blåbär , olika alger och en del andra växter. I mjölk, blod och ben från djur avslöjades närvaron av metaller från ceriumgruppen [92] .
Användningen av lantanidmetaller och deras föreningar inom industrin har börjat öka avsevärt sedan förra seklet, med början med den tidiga användningen av små mängder cerium- och toriumoxider för att skapa glödande gasväv i slutet av 1800-talet och inte begränsat till kritiska komponenter i ett brett utbud av avancerad teknik [211] .
I slutet av 1800-talet stod det klart att monazitsand , som var billig att bryta och bestod av föreningar av cerium, lantan, neodym, praseodym och stora mängder torium, fanns i USA och Brasilien. Karl Auer von Welsbach (som inte bara var en vetenskapsman, utan också en bra affärsman) upptäckte att tillsats av en blandning av en av föreningarna av ovanstående grundämnen till toriumdioxid , som utgjorde grunden för det gaseldade nätet, gjorde det möjligt för att uppnå ett starkare eldljus och brinntid än hans tidigare "aktinofor" (en blandning av lantan- och zirkoniumoxider ). Det tog lite tid att förstå att föroreningen var cerium, och att bestämma det "perfekta" förhållandet mellan torium och cerium i glödgallret förbättrats av honom: 99 till 1 [215] , vilket inte förändrades på länge [20 ] .
Den 4 november 1891 avslöjade vetenskapsmannen och visade sin uppfinning för allmänheten i Wien - denna dag var början på användningen av sällsynta jordartsmetaller i industrin. Författaren hittade den första användningen för element som var mystiska på den tiden: cirka 90 000 lampor såldes under de första 9 månaderna efter starten av deras produktion vid fabriken i Atzgersdorf , 1913 hade det totala antalet ökat till 300 miljoner stycken [215 ] (som krävde bearbetning av 3 000 ton monazitsand [216] ), på 30-talet nådde den 5 miljarder [129] [212] . De största köparna var järnvägsbolagen, som använde dem inomhus eftersom de var billigare än el; utomhus upplyste lampor, till exempel, gatorna i Bombay , den första staden som använde dem [215] .
1915 publicerades boken Rare Earths . Deras förekomst. Kemi. Och Teknik , som beskrev andra (möjliga) tillämpningar än till exempel värmenät [217] . Det fanns förslag om att använda ceriumsalter för garvning , emaljproduktion och betningsmedelsfärgning med alizarin . Inom kemin överträffade ceriumdubbelsulfat andra metaller (koppar, järn och mangan) för den katalytiska oxidationen av anilin till anilinsvart — en av de tidigaste studierna, daterad 1874, med tonvikt på metallens tekniska tillämpningar; för att erhålla aldehyder , kinoner , etc. föreningar från aromatiska kolväten , var det tänkt att man skulle använda de oxiderande egenskaperna hos dess sulfat i en sur lösning. Tillsatsen av ceriumföreningar till elektroden på en båglampa gjorde det möjligt, enligt uppfinnarna, att uppnå en mer intensiv glöd. Obetydlig användning hittades också: ceriumoxalat - i medicin; ceriumsulfat har visat sig användbart för färg och svartvit fotografering ; den djupa färgen hos högre praseodymiumoxid gjorde det möjligt att använda den som en del av didymium för märkning av textilier , etc. [16]
Tack vare den enorma kommersiella framgången för gasvävarna och den parallella processen att isolera torium med en stor mängd lantanider, visade det sig med tiden att elektrolysen av kloridsmältan, som erhölls efter avlägsnande av toriumresten, gav en pyrofor mischmetal (50% Ce, 25% La, 25% - andra lantanider), tillsats till vilken 30% Fe gjorde det möjligt att erhålla idealisk lätt flinta . Dessutom användes metaller i speciella glas för att kontrollera absorptionen vid vissa våglängder - detta uttömde användningen av metaller fram till 1940 -talet [20] .
Funktionell användning av lantanider [118] [218] [219] | ||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
La | Ce | Pr | Nd | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Eh | Tm | Yb | Lu | |
Batterier | ||||||||||||||
Katalysatorer | ||||||||||||||
polerande pulver | ||||||||||||||
Metallurgi | ||||||||||||||
magneter | ||||||||||||||
Keramik | ||||||||||||||
Glas | ||||||||||||||
Fosforer | ||||||||||||||
Övrig | ||||||||||||||
- större, - mindre, - funktionell användning observeras inte |
Några exempel på användningen av lantanider [209] | |
---|---|
Metall | Ansökan |
Eu, Tb | Lysrör , lysdioder |
Nd, Eu, Tb, Dy, Pr | Bärbar trådlös utrustning, smarta telefoner , mobiltelefoner , etc. |
Eu, Tb, Er | fiberoptik |
Eu, Tb, Gd, Pr, Ce | Platta skärmar |
Nd, Tb, Pr, Dy | Medicinsk avbildning ( magnetisk resonanstomografi ), röntgen |
La | Elektriska batterier |
Nd, Pr, Dy, Tb | Hybridfordon , datorskivor , sladdlösa elektriska verktyg , vind- och vattengeneratorer , start-stopp-system |
La, Ce | Katalytisk krackning , behandlingssystem (t.ex. vattenrening ) |
Användningsvolymen för representanter för familjen i är enorm: från glas till metallurgisk industri; som katalysatorer i oljeraffinaderier, som luminescerande aktivatorer , i elektrokeramiska föreningar, i högtemperatursupraledare [220] . Trots ett brett spektrum av tillämpningar och liknande kemiska egenskaper har vissa metaller (Gd, Dy, Nd, Sm) mycket goda magnetiska egenskaper, medan Er- och Tb-atomer har vissa energitillstånd som gör att de kan användas i lasrar eller ljusanordningar [ 5] . Den moderna användningen av metaller i högteknologi är av stor strategisk betydelse [211] .
Självlysande materialSom beskrivits ovan började den första industriella applikationen med tillsats av CeO 2 till ThO 2 , vilket resulterade i ett starkare ljus vid upphettning. I början av XX-talet. J. Urbains studie av Eu III -joner lösta i olika matriser ledde till upptäckten av en ovanligt ljus fosfor som avger orangerött starkt ljus (Y 2 O 3 : Eu [4-6 mol.%)]. Denna fosfor har använts i lysrör och katodstrålerör sedan början av 1960-talet. och används fortfarande för att producera rent rött i lysdioder , olika typer av bildskärmar, inklusive platta bildskärmar , trots olika andra möjliga och studerade (med begränsad framgång) substitut [221] .
Den första rapporten om produktionen av ligandaktiverad (ligandsensibiliserad) luminescens av lantanider 1942 ledde till efterföljande upptäckter av ett brett spektrum av antennligander, vilket gjorde det möjligt att förbättra ljusemissionen [222] [223] . S. Wiseman bevisade att emissionen av Ln-komplex med organiska ligander kan utföras på grund av exciteringen av elektroniska nivåer i liganden själv, varefter energi samlas på de exciterade tillstånden av metalljoner på grund av intramolekylär energiöverföring. Upptäckten kallades antenneffekten [221] .
De självlysande egenskaperna hos lantanidjoner visade sig vara viktiga för skapandet av självlysande material förknippade med högteknologi [3] . Representanter för familjen används i plasmapaneler (till exempel dopning av små mängder Eu 3+ i Y 2 O 3 - en av fosforerna - gör att du kan uppnå samma intensitet av ljusemission som den för YBO 3 , Y 1 - x Gd x BO 3 , men med lägre tryck av inerta gaser i gasfyllda celler), FED-displayer (där seskvioxider av fosfor , som är mer stabila och miljövänliga än sulfid, är dopad med lantanider), i organiskt ljus- emitterande dioder ( Ln 3+ komplexa föreningar ) [226] .
Deras joner har också funnits i högenergistrålningsdetektorer - scintillatorer ; lantanider dopade med oorganiska kristaller används i mätanordningar för registrering av y-strålning och i röntgendiagnostik . Den snabba 5d → 4f- emissionen av Ce 3+ (med en varaktighet på 10–70 ns ) gör den till den bästa kandidaten för användning i sådana enheter. Företräde ges till föreningar med halogenider , såsom LuI3 :Ce3 + , där ljuseffekten är 95 000 fotoner per 1 MeV [226] .
MagneterHistorien om studien av permanentmagneter baserade på sällsynta jordartsmetaller går tillbaka till 1959, där ett arbete publicerades om studiet av GdCo 5 -legeringen . Därefter publicerades många arbeten om metoder för att erhålla, studera, förbättra egenskaperna hos YCo 5 , SmCo 5 och föroreningar till det [227] [K 25] . I mitten av 1980-talet. forskare har erhållit de tre mest användbara legeringarna: SmCo 5 , Sm 2 Co 17 och Nd 2 Fe 14 B . Var och en av dem är vida överlägsen i sina användbara egenskaper jämfört med tidigare typer av magneter, och de bästa är tio gånger starkare än alnico eller ferritlegeringar [ 228] [229] . Enligt produktens maximala energiindex kan magneterna ordnas i följande ordning: Nd 2 Fe 14 B (upp till 56,7 M Gs Oe ) > Sm 2 Co 17 (22-32) > SmCo 5 (22) > Alnico (upp till 11) > Ferriter (upp till 6) [230] [K 26] .
Magneter bestående av samarium och kobolt (SmCo 5 ) utvecklades 1967 [227] [231] [K 27] och ansågs länge vara de starkaste [232] , men nu används neodym sådana mer sällan (i fall som kräver motstånd mot korrosion eller motstånd mot drift vid förhöjda temperaturer [230] ) på grund av det svaga magnetfältet och de höga kostnaderna för dess komponenter [233] : järn och neodym är billigare än kobolt respektive samarium, och själva NdFeB-legeringen innehåller en relativt mindre mängd lantanid [228] . Samarium-koboltmagneter har funnit sin tillämpning inom flyg- och flygindustrin , och kräver termisk stabilitet vid 400-500 °C (Sm 2 Co 17 är att föredra ) [227] .
De magnetiska egenskaperna hos neodym gör det möjligt att skapa de mest kraftfulla permanentmagneterna [234] . 1984 erhölls först en legering av neodym, järn och bor (Nd 2 Fe 14 B) [228] [235] [236] , som för närvarande används allmänt [K 28] i en mängd olika tekniker som kräver hög tvångskraft [233] [237] , och ingen bättre ersättare har ännu hittats [238] . Neodym kan ersättas med praseodym och upp till 5 viktprocent cerium för att öka produktens slutenergi [239] [240] , och tillsatsen av terbium eller dysprosium till legeringen gör det möjligt att öka dess koercitivitet [227] [ 241] [242] [243] . Å andra sidan, på grund av sin termiska avmagnetisering, kan den relativt låga koercitiviteten [en] inte uppfylla de ökande kraven på den vid drift av högtemperaturenheter, såsom vindkraftverk eller vissa delar av hybridelektriska fordon [235] [ 244] [245] [246] .
Några exempel på användning av magneter: hårddiskar - 24,5 och 5,8 vikt% Nd respektive Pr (magnetvikt 4,3 g; modell Seagate ST3500418AS, 2009); 286 g Nd och 130 g Dy stod i genomsnitt för varje hybridbil (av 265 000 enheter) som såldes i USA och Tyskland 2010 [118] ; vindkraftverk (ungefär) - från 150 till 200 kg Nd och från 20 till 30 kg Dy per 1 MW genererad effekt [247] .
Gadolinium, dess salter och legeringar spelar en framträdande roll i magnetisk kylning , där ett ämne värms upp när det placeras i ett externt magnetfält [9] . Det första experimentet, tack vare vilket det var möjligt att konsekvent uppnå en temperaturminskning till 0,25 K av de studerade proverna av gadolinium(III) sulfatoktahydrat (Gd 2 (SO 4 ) 3 8H 2 O) och vars resultat förutspåddes i förväg, utfördes 1933 av W. Gyok och D. McDougall [248] . (Senare, 1949, tilldelades Gioku Nobelpriset för att studera ämnens beteende vid ultralåga temperaturer [249] .) För närvarande är denna metall ett av de mest studerade kylande magnetiska materialen [250] .
IndustriGadoliniumisotoper ( 155 Gd , 157 Gd ) har ett ovanligt stort neutrontvärsnitt , vilket gör att de kan användas inom kärnkraftsindustrin , till exempel i reaktorstavar [9] . Holmiumatomer, som har ett av de största magnetiska momenten bland de andra elementen, låter dig skapa de starkaste magnetfälten ; dessa starka magneter, vars komponenter är holmium, har funnit sin tillämpning i stavar vid kärnkraftverk [251] [252] [253] .
Vissa lantanider, till exempel cerium, kan på grund av sin exoterma reaktion med väte (som med andra representanter) användas redan vid rumstemperatur som en gasabsorbator inom elektrovakuumindustrin och metallurgin [50] .
Användning av metaller för militära ändamål [254] [255] | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Metall | Applikationsområde | Teknologi | Exempel | ||||||
Nd, Pr, Sm, Dy, Tb | Kommando- och kontrollsystem | Starka och kompakta magneter | Tomahawk-missiler , precisionsbomber, JDAM , UAV | ||||||
Mest Ln | elektronisk krigföring | Energilagring, densitetsförbättring | Störare , elektromagnetisk järnvägspistol , aktivt avstötningssystem | ||||||
Eu, Tb | inriktningssystem | Förstärkning av kraft och upplösning | Laservägledning, luftburna lasrar | ||||||
Nd, Pr, Sm, Dy, Tb | Elektriska motorer | Starka och kompakta magneter | Integrerad startgenerator, Zamvolt (DDG-1000) , HMETD , JSF | ||||||
Nd, La, Eu | Kommunikationssystem | Förstärk och förbättra signalen | Hydroakustiska givare, radar , MICAD |
Baserat på alla lantanidoxider utom prometium, är keramiska plattor mycket hydrofoba och hållbara, vilket gör att de kan användas där lämpliga egenskaper krävs, till exempel: på bladen på turbiner i kraftverk genom vilka ånga passerar, vattendroppar (flera mikrometer i diameter) kondensera ), vilket negativt påverkar effektiviteten [256] [257] . Denna egenskap förklaras av den elektroniska strukturen, som förhindrar bildandet av vätebindningar med gränssnittsvattenmolekyler, och kvarstår även efter testning i en aggressiv miljö (till exempel uppvärmning till höga temperaturer eller bearbetning med slipande material ). Dessutom kan dessa oxider användas för att tillverka ultrahydrofoba ytor [258] [259] .
Effektivitet (liksom låg toxicitet jämfört med kromater [260] [261] ) noteras för användning av lantan, cerium och yttrium som korrosionsinhibitorer för aluminium och zinklegeringar i en vattenlösning av klor [262] [263] [ 264] [265] [ 266] , samt bromsa korrosionen av järn och stål i en gaslösning av klor [262] [267] [268] [269] [270] [271] . Bildandet av en skyddsfilm bestående av ett komplex av hydratiserade oxider sker på grund av närvaron av metallsalter i lösningen, vilket bekräftas av XPS [262] [272] . Det finns ett fortsatt intresse hos forskare för användningen av lantanider: egenskaperna hos salter och deras användning på ett antal metaller har varit kända och studerade i nästan 30 år, och cerium och lantan har tilldragit sig den största uppmärksamheten. Det mesta av arbetet har fokuserat på aluminiumlegeringar; utvecklingen av omvandlingsbeläggningar för andra metaller har gått mycket långsammare av olika anledningar [273] .
Metallerna i gruppen har hittat sin tillämpning i flerskikts keramiska kondensatorer ( Engelska Multilayer Ceramic Capacitor ) - de flesta lantaniderna (från vilka Dy, Er och Ho är isolerade) kan förbättra sina egenskaper [164] : minska förlustvinkeltangenten [274 ] och åldringshastigheten [275] [276] [277] , uppnå en stabil kapacitet (±15%) över ett brett temperaturområde (-55 till +150 °C) [278] . Det senare faktumet uppfyller kraven i EIA X8R och tillåter användningen av sådana kondensatorer i högtemperaturenheter: lutande brunnar ( oljeprospektering ), bilar, för militära behov och inom flygindustrin - alla ovanstående fakta tillåter oss att dra slutsatsen att lantanider är mycket kritiska (i form av en förorening, dopningsmedel) under tillverkning av kondensatorer med kvalitativt goda egenskaper [164] .
Moderna elektroniska enheter innehåller många av dessa kondensatorer, som såg en 15% årlig ökning av leveranser från fabriker i början av 2000-talet; i USA användes de cirka 3 miljarder/år [164] [K 29] . Till exempel innehåller en mobiltelefon cirka 250 stycken, 400 i en bärbar dator (laptop) och mer än 1000 i bilelektronik [279] .
MedicinGadolinium i föreningar används i magnetisk resonanstomografi som ett av de bästa kontrastmedlen, eftersom det ackumuleras, till exempel i ärrvävnader eller tumörer , och "framhäver" sådana vävnader i MRT [284] . Och för att minska den negativa påverkan på kroppen omges metalljoner av kelatbildande ligander [9] . På Ryska federationens territorium finns kommersiellt tillgängliga kontrastpreparat under namnen Gadovist och Magnevist [285] som innehåller metalljoner [281] [286] .
Kombinationen av inerta och biokompatibla guldnanopartiklar med stabila Ln 3+ -joner med långvarig luminescens eller karakteristiska magnetiska egenskaper gör det möjligt att erhålla en nanosond som skulle vara lämplig för användning inom biomedicin eller studier av biologiska system [287] .
Våglängden på holmiumlasrar är 2,08 μm (strålning är säker för ögonen), vilket gör att de kan användas inom medicin, till exempel i form av holmiumdopad yttriumaluminiumgranat ( YAG ) eller yttrium-lantan-fluorid (YLF) , LaYF 4 ) lasrar [288] . CW erbium- och thuliumpulsade lasrar som arbetar vid en våglängd av 3 μm är lämpliga för användning vid laserkirurgi : den operationella våglängden sammanfaller med oscillationsfrekvensen för O - H -atomerna i vatten - en stark absorption av strålen av biologiska vävnader uppnås [ 289] .
Tvärsnittet av dysprosium gör att det kan användas för att absorbera termiska neutroner , och dess höga smältpunkt gör att det kan användas i speciella rostfria stållegeringar eller i enheter och delar för kärnkraftskontroll. Att kombinera metallen med vanadin och andra sällsynta jordartsmetaller kan användas i lasermaterial. Dysprosium- kadmium -kalkogenider , som är källor till infraröd strålning , har funnit sin tillämpning i studiet av kemiska reaktioner [90] .
Lantanider och lantan används som tillsatser till stål , gjutjärn och andra legeringar för att förbättra mekanisk beständighet, korrosionsbeständighet och värmebeständighet. Lantanider och lantan används för att tillverka speciella typer av glas inom kärnteknik. Föreningar av lantan, såväl som lantanider, används för tillverkning av lacker och färger, lysande kompositioner, vid tillverkning av läder, i textilindustrin och i radioelektronik för tillverkning av katoder . Lantanidföreningar används i laser .
Olika termodynamiskt stabila intermetalliska föreningar med sammansättningen Ln x M y (där M = Mn , Fe , Co , Ni , Cu och grundämnena under dem i tabellen) kan finna sin tillämpning i form av nanopartiklar eller tunna filmer inom området för nanoteknik , till exempel: inom fotokatoder , dielektrik , ferroelektrik , halvledare , likriktare (radioteknik och elektronik), bärbara datorer , glasögon (absorberar UV och sänder IR-strålning ), permanentmagneter (kommunikationssystem och dator), supraledare och kompositmaterial , solida -tillståndslasrar (särskilt för militära behov), färg-TV- fosforer , katalysatorer ( fordonsavgasåtervinning ) och vätebatterier . Dessutom ökar närvaron av lantanider i metallnanopartiklar slaghållfastheten och förbättrar deras struktur och plasticitet [290] .
Tack vare forskning utförd i Kina syntetiserades ultratunna nanokristaller av kemiskt stabila oxybromider (OBr −3 ) av europium , gadolinium , terbium och lantan , varav de senare, när de dopats med Eu 3+ atomer (LaOBr:Eu 3 + ), kan användas för exakt detektion av cancerceller . Kristaller kan accepteras av dessa sjuka (men inte friska) celler, och på grund av föreningarnas luminiscerande egenskaper och biokompatibilitet , inställning av vissa våglängder av reflekterat ljus (synligt när spänning appliceras eller under ultraviolett ljus ) och efterföljande belysning, kan de ses till exempel genom ett mikroskop . Alla dessa egenskaper gör det möjligt för onkologer att identifiera det minsta antalet sjuka celler i biopsiprover [291] [292] .
Det finns ett antagande om användningen av lantanidoxibromider i lågkostnadsenergiapparater som använder luminiscerande egenskaper, som ett alternativ, till exempel till lysdioder [291] .
Färgförändrande metallgeler under UV-strålning innehållande Eu 3+- och Tb 3+-joner i ,mekano--metallgeler funktionaliserade med terpyridylligander är känsliga för externa interaktioner genom manifestationen avPEG2015.MITutvecklades vidförhållandenspecifikaolika , termo - och kemokromism, kan användas som tunnfilmsindikatorbeläggningar i en lösning eller gasfas av ett ämne, till exempel för att bestämma föroreningar , toxiner , patogener , temperaturförändringar och mekaniskt tryck [293] [294] .
Det finns ett förslag att använda lantanider i form av ett märkningsmaterial ( eng. taggant , från tag - tag) för att markera det källmaterial som används för att skapa slutprodukten i varje steg av dess tillverkning, för att kontrollera och spåra leverantörer, säljare, etc. Det noteras att det är låg kostnad jämfört med konventionella åtgärder mot förfalskning (t.ex. märkning eller chipning): det räcker med att endast applicera några miljondelar av ett sådant ämne på matriscellen för att skapa ett märke [ 295] .
Kommentarer
Källor
Ordböcker och uppslagsverk | ||||
---|---|---|---|---|
|
Periodiskt system av kemiska element av D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Periodiska systemet | |
---|---|
Format |
|
Objektlistor efter | |
Grupper | |
Perioder | |
Familjer av kemiska grundämnen |
|
Periodiska systemet block | |
Övrig | |
|