Lanthanoidy ( lanthanoidy ) [K 1] - skupina skládající se z 15 chemických prvků skupiny III 6. periody periodické tabulky - kovy s atomovými čísly 57-71 (od lanthanu po lutecium ) [1] [2] [3 ] [4 ] [5] [6] [7] [8] [9] . Všichni členové rodiny mají stabilní izotopy kromě promethia . Název pochází z řeckého slova λανθάνειν („skrytý“).
Skandium , yttrium a lanthanoidy patří do skupiny prvků vzácných zemin (zkr. REE ) a jsou v této souvislosti často zvažovány, nicméně prevalence jednotlivých prvků ukazuje, že nejsou vzácné. Ve vědeckých materiálech se výše uvedený termín používá k označení lanthanoidů, včetně yttria a skandia, nebo samostatně.
Zápis Ln se používá k označení všech nebo některých kovů, iontů, oxidačních stavů, při psaní chemických vzorců atd.
Všechny lanthanoidy, od ceru po ytterbium, mají podslupku vyplněnou 4f ; lanthan nemá žádné 4f elektrony, zatímco lutecium má 14. Nespárované 4f elektrony dodávají některým kovům různé cenné magnetické , spektroskopické a luminiscenční vlastnosti. Navíc, protože tyto elektrony jsou dobře stíněny vnějšími podobaly (5s a 5p), spektrální charakteristiky jsou zachovány, když jsou přidány ligandy . Všechny lanthanoidy tvoří kationty Ln 3+ (některé i Ln 2+ , Ln 4+ ), jejichž iontový poloměr se s rostoucím atomovým číslem neustále zmenšuje - tento jev je znám jako kontrakce lanthanoidů (stejně se projevuje i u aktinidů ) [10] . Zásaditost prvků od lanthanu po lutecium neustále klesá, což způsobuje rozdíl v rozpustnosti solí a ve stabilitě jejich komplexních sloučenin [11] .
Chemická vazba s lanthanoidy je téměř vždy iontová . Lanthanoidy jsou "těžké" akceptory a svými vlastnostmi mají významnou podobnost s atomovým donorem kyslíku, proto jsou pro ně nejpravděpodobnějšími biologickými ligandy karboxylové a fosfátové skupiny. Koordinační čísla pro ně mohou být od 6 do 12 (8-9 hlavně v biologických systémech) [10] .
K vydání práce norského geochemika Victora Goldschmidta , ve které byl poprvé použit termín lanthanoidy , došlo v roce 1925 (název aktinidy byl obdobně uveden v roce 1937) [12] [13] [14] .
* | Los Angeles | Ce | Pr | Nd | Odpoledne | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu |
S lanthanoidy je v používání terminologie spojeno mnoho nedorozumění. Název „vzácné zeminy“ byl původně používán pro označení téměř všech neprozkoumaných, neznámých přírodních oxidů a až do roku 1920 se pro ně označovaly i ThO 2 a ZrO 2 . Přibližně ve stejné době se tento termín začal používat pro označení prvků samotných a také skupiny prvků, které bylo možné od sebe velmi obtížně oddělit [15] [16] .
Prvotní rozdělení prvků na skupiny cer („lehké zeminy“; La-Eu) a yttrium („těžké zeminy“; Gd-Lu) bylo založeno na rozdílu v rozpustnosti podvojných síranů tvořených lanthanoidy se sírany sodnými nebo draselnými. . Následně byla stanovena periodicita změn vlastností ve skupině odpovídající jejich rozdělení do dvou podskupin [11] .
Je pozoruhodné, že výrazy "vzácné zeminy" a " alkalické zeminy " - stále používané v chemii - pocházejí z podstatného jména "země", používaného alchymisty , iatrochemiky a ranými flogistoniky jako hlavní označení odolnosti proti ohni , nerozpustnosti srážek. vznikající po spalování (oxidaci) nebo jiných hlubokých chemických interakcích v látkách. Teprve po 50. letech 18. století. chemici začali chápat, že křemíková zemina ( anglicky silika ), hliníková zemina ( anglicky alumina ), mastek , vápno - všechny jsou různé zeminy , soudě podle chemických vlastností. V roce 1779 k nim byla přidána baryová zemina ( angl . baryta ), kterou K. V. Scheele izoloval z vápna. A. L. Lavoisier zahrnul všech pět zemin v roce 1789 do svého seznamu 33 prvků s poznámkou: mohou to být oxidy kovů s větší podobností s vazbou s kyslíkem než s uhlíkem. To přimělo mnoho chemiků na začátku 19. století k obnově známých zemí a hledání nových. Mezi novými šesti zeměmi: zirkonium (1789, M. Klaproth ), stroncium (1790, A. Crawford ), berylium (1798, L. N. Vauquelin ) a thorium (1829, J. Berzelius [K 2] ), yttrium ( 1794) a cer (1803). Objev posledně jmenovaného určil rozdíl mezi zeminami a obyčejnými oxidy kovů a v roce 1808 poté, co G. Davy redukoval alkalické zeminy elektrolýzou na kovy alkalických zemin - vápník , baryum , stroncium a hořčík - bylo většině chemiků jasné, že pravé zeminy jsou ne jiné než oxidy kovů [17] .
Lanthanoidy tvoří největší skupinu prvků v periodické tabulce vyskytující se v přírodě. Jejich vlastnosti jsou si natolik podobné, že od roku 1794, kdy Johan Gadolin izoloval oxid yttrium , až do roku 1907 bylo o objevu prvků učiněno téměř sto tvrzení [K 3] . To je vysvětleno skutečností, že v té době neexistoval žádný test na individualitu prvku a výzkumníci nechápali, kolik prvků by mělo být v rodině, protože pouze jeden prvek, lanthan, mohl být umístěn v periodickém systému. . Již v roce 1913 se na základě práce G. Moseleyho ukázalo, že mezi lanthanem a hafniem se počet prvků přesně rovná čtrnácti [15] : při porovnání energie rentgenových spekter atomů prvků periodické tabulky a jejich atomové hmotnosti, našel mezery, vynechání. Aby se odstranily mezery, vědec zjistil, že je nutné uspořádat prvky v souladu s chemickými vlastnostmi, a nikoli s rostoucí atomovou hmotností. Jeho práce ukázala, že každý prvek má konstantní hodnotu - atomové číslo , které se od prvku k prvku neustále zvyšuje. Nakonec byly lanthanoidy umístěny na samostatném místě pod hlavním stolem. A v roce 1921 Niels Bohr navrhl strukturu elektronových orbitalů atomu, což vysvětlilo problém prvků vzácných zemin [18] . (Lantanoidy jsou často pojmenovány a zahrnuty do konceptu prvků vzácných zemin , nicméně například lutecium převyšuje množství stříbra v zemské kůře [3] .)
Určitou představu o jejich podobných chemických vlastnostech lze získat z faktů historie studia. Oddělení různých prvků od minerálů, které je obsahují, trvalo vědcům více než sto let [3] [9] , a dokonce až do poloviny 20. století (před rozvojem separačních technik iontové výměny) až 40 000 opakování operace bylo zapotřebí k získání některých sloučenin vzácných lanthanoidů ve skutečně čisté formě frakční rekrystalizací [19] . Například: v roce 1911 si izolace čistého bromičnanu thulnatého C. Jamesem vyžádala asi 15 000 takových operací [20] , za 15 let jich J. Urbain a jeho pomocníci provedli celkem asi 20 000 [21] . Tato separační metoda je jen jednou z několika klasických a zahrnuje některé vlastnosti [20] :
Kromě výše uvedeného existuje možnost přenosu do jiných oxidačních stavů než +3, například Ce IV , Eu II . Tato metoda, použitelná v některých případech, umožnila získat nejčistší produkt [20] . V současné době je metoda rekrystalizace zastaralá, protože iontoměničové reakce a extrakce rozpouštědlem jsou rychlejší a méně pracné ve srovnání [24] .
Historie objevů [K 4] | |||||
---|---|---|---|---|---|
V. pokoj, místnost | Živel | datum | Objevitel | původ jména | Zdroj |
57 | Lanthanum | 1839 | K. Mosander | Z řečtiny. "úkryt" | [25] [K 5] |
58 | Cerium | 1803 | J. Berzelius a W. Hisinger ; M. Klaproth |
Na počest asteroidu Ceres | [25] |
59 | Praseodym | 1885 | C. Auer von Welsbach | Z řečtiny. "zelená" + "dvojčata" | [25] [26] |
60 | neodym | 1885 | C. Auer von Welsbach | Z řečtiny. "nové" + "dvojčata" | [25] [26] |
61 | Promethium | 1947 | J. Marinsky , L. Glendenin a C. Coryell |
na počest Prométhea | [25] [27] [11] |
62 | Samarium | 1879 | P. Lecoq de Boisbaudran | Podle názvu minerálu samarskit | [25] [28] [29] |
63 | europium | 1901 | E. A. Demarce | Od slova Evropa | [25] [30] [31] |
64 | Gadolinium | 1880 | J. Marignac | Pojmenován podle minerálu gadolinitu | [25] [32] |
65 | Terbium | 1843 | K. Mosander | Od názvu města Ytterby | [25] [33] |
66 | Dysprosium | 1886 | P. Lecoq de Boisbaudran | Z řečtiny. "těžko dosažitelné" | [25] [34] [35] |
67 | Holmium | 1879 | P. T. Kleve | Ze starého lat. Holmia ze Stockholmu | [25] [36] |
68 | Erbium | 1843 | K. Mosander | Od názvu města Ytterby | [25] [33] |
69 | Thulium | 1879 | P. T. Kleve | Z lat. Thule – „nejsevernější země“ | [25] [36] |
70 | Ytterbium | 1878 | J. Marignac | Od názvu města Ytterby | [25] [37] |
71 | lutecium | 1907 | J. Urbain ; C. James | Z lat. Lutetia z Paříže | [38] [39] |
Studium a další klasifikace lanthanoidů se datuje od konce 18. století: v létě 1787 nalezl švédský důstojník K. A. Arrhenius v lomu u města Ytterby neznámý černý nerost , přezdívaný ytterbit (později přejmenovaný na gadolinit) [ 40] . Johan Gadolin , který to studoval v roce 1794, v něm objevil novou zemi - oxid yttrium [K 6] . S objevem jedné ze sloučenin prvku, který má podobné chemické vlastnosti, ale není zařazen do rodiny, pokračovalo další studium minerálů a objev lanthanoidů [41] . Chemická analýza gadolinitu vedla při studiu ceritu k objevu 7 chemických prvků ze skupiny yttria a sedmi více - ceru [42] . ( Yttrium a cerové zeminy byly dva počátky „cest“ k objevu lanthanoidových prvků [42] .) Je pozoruhodné, že objev mnoha lanthanoidů byl způsoben minerály z jejich společného místa původu: slavného pegmatitového ložiska se nachází poblíž Ytterby ve Švédsku [43] .
Minerál cerit , objevený v roce 1751 A. Kronstedtem a obsahující prvky vzácných zemin, posloužil jako výchozí bod pro objev ceru [43] . V roce 1803 Wilhelm von Hisinger a Jöns Berzelius ve Švédsku (a nezávisle Martin Klaproth ve Francii) našli novou zemi v minerálu , pojmenovanou cer podle asteroidu Ceres [44] [45] . Po objevu ji nejprve prozkoumal francouzský chemik Louis Vauquelin a ukázal, že cerová zemina může být bílá a oranžová. Tato skutečnost poprvé naznačila existenci ceru ve dvou valenčních formách. Vědec obnovil Zemi a dospěl k závěru, že cer je kov, který se nepodobá žádnému jinému v té době známému [46] . Následně (v letech 1839 až 1843) Karl Mosander dokázal, že tyto a dříve objevené - yttriové - zeminy byly směsí oxidů několika lanthanoidů [20] . Prvek byl izolován v kovové formě W. Hillebrand a T. Norton až v roce 1875 [44] .
V roce 1826 Karl Mosander, student, asistent a jeden z blízkých přátel J. Berzeliuse, zkoumal cerovou zeminu a dospěl k závěru, že je heterogenní: může obsahovat alespoň jeden nový prvek. K otestování tohoto předpokladu bylo zapotřebí hodně ceritu [47] . V roce 1839, ve snaze izolovat čistou drogu z cerové zeminy, ji vědec ošetřil kyselinou dusičnou a krystalizoval sůl a odpařil vodu. Zjistil také, že tato sůl (je kontaminována dusičnanem ceričitým [48] ) se při zahřívání rozkládá a mění se na nažloutlou látku. Ošetřením tohoto žlutého, zemitého zbytku zředěnou kyselinou dusičnou bylo pozorováno, že jeho silně zbarvená část se v kyselině nerozpustila: byl to oxid ceričitý , se kterým se poprvé setkal Vauquelin [46] [K 7] . Po odstranění dusičnanu ceru z roztoku se vědci podařilo extrahovat novou, lanthanovou zeminu [48] , jejíž jméno navrhl Berzelius a uvedl Mosander 12. února 1839 [49] . Prvek, který je předchůdcem skupiny prvků, byl objeven jako druhý po ceru pouze jako nečistota. Je možné, že lanthan byl takto pojmenován, protože se před vědci „schovával“ 36 let [50] . V relativně čisté formě byl získán v roce 1923 [51] .
V lednu 1840 se Mosanderovi podařilo izolovat dvě frakce z ametystového roztoku síranu lanthanitého :
Od této chvíle mohl vědec prokázat, že ametystová barva solí oxidů ceru a lanthanu byla způsobena přítomností oxidu Lar a tyto zhnědly , když se zahřívaly na vzduchu do červeného žáru [55] . Carl Mosander v roce 1842 [56] pojmenoval neznámý oxid La r - didymium (Di) [55] , aby ukázal jeho souvislost s již objeveným lanthanem a cerem [33] [57] [52] . Poté byl vědec přesvědčen, že didymium bylo získáno v čisté formě a nikdy se k němu nevrátilo [58] , a název, který dal tomuto „prvku“, se objevoval v tehdejších učebnicích chemie dalších 50 let [56] .
Carl Mosander, znepokojený homogenitou vzorků, ze kterých bylo yttrium získáno, a inspirován pokrokem ve studiu ceritu, začal studovat gadolinit [59] . Na podzim roku 1842 se vědec přesvědčil, že vzorky yttriové zeminy , izolované z gadolinitu , ceritu, cerinu , orthitu , všechny obsahují kromě „pravého“ oxidu yttria (protože dávají bezbarvé soli) také neznámý žlutý oxid, méně zásaditý, v roztocích jeho solí - ametyst. V únoru 1843 dostala tato země jméno Odin (na počest boha Odina ), ale výsledky následných experimentů provedených v dubnu ho přesvědčily, že v zemi existují nejméně tři oxidy . Z roztoku kyseliny dusičné a oxidu yttritého získal Mosander frakčním srážením zásadité amonné soli, z nichž silným zahřátím byly získány tři různé oxidy, nepodobné těm dříve získaným. (O něco dříve, v roce 1842, provedl Jöns Berzelius práci, která potvrdila rozdělení yttriové zeminy na tři oxidy, ale v dubnu 1843 stále nebyla publikována.) Pro nejzásaditější oxid (bílé barvy, bezbarvý ve svých solích) vědec opustil starý název - yttrium earth , další - v sestupném pořadí základních vlastností - se nazýval oxid terbia , ve své čisté formě, pravděpodobně - bílý (roztoky solí - růžový [60] ), a třetí - oxid erbium : když zahřátý na vzduchu byl oxid natřen tmavým odstínem oranžovo-žluté, ztracený při zahřátí v atmosféře vodíku (nedávná data nám umožnila dojít k závěru, že má dva valenční stavy) [23] . Z erbia, které bylo v té době definitivně objeveno, bylo později izolováno ytterbium a thulium [61] .
Činnost vědce vedla k závěru, že se rodina rozšířila v roce 1843 na šest prvků [62] [63] : sloučeniny ceru jsou žluté, sloučeniny lanthanu jsou bílé, sloučeniny didyma jsou červené, sloučeniny yttria a erbia jsou bílé, sloučeniny terbia jsou růžová [K 8 ] . K prokázání tehdejšího objevu bylo potřeba získat údaje o izolaci (získání), barvě, tvaru krystalů a schopnosti tvořit sloučeniny s prvkem [22] . Ale i přes autoritu objevitele byla historie objevu terbia opakovaně zpochybňována, například: R. V. Bunsen a P. T. Kleve našli v yttriové zemi pouze dva oxidy [60] . Později byla existence prvku znovu potvrzena vědci: studie gadolinitu Marignacem (1878), izolace prvku ze samarskitu L. Smithem (ve stejném roce), komunikace J.-L. Soret o studiu absorpčních spekter prvku (1880), příjem čistých preparátů J. Urbainem (začátek 20. století) - všechny potvrdily studie Mosandera [64] [60] . Erbium bylo získáno v dosti čisté kovové formě v roce 1934 [65] .
D. I. Mendělejev se držel myšlenky, kterou později potvrdil výzkumem, že prvky vzácných zemin jsou trojmocné. Díky tomu byla v první polovině 19. století konstatována nejen existence velké domoviny živlů, ale byly studovány i některé jednotlivé vlastnosti [66] .
V roce 1848 zemřel J. Berzelius , významný chemik, který se ve vědě zabýval téměř 50 let, a na dalších 30 let zájem vědců o organickou chemii zastínil anorganickou chemii : většina kovových sloučenin se naučila získávat tradičními metodami. metody frakčního srážení a krystalizace – bylo jasné, že světlé období v historii objevů skončilo [67] . Další pokrok vyžadoval nové koncepce a vývoj v technikách učení [63] .
Studium prvků vzácných zemin však neustalo, přestože se zpočátku pozornost soustředila především na lanthan, cer a didymium. Novou výraznou postavou studie byl Jean Charles Marignac, který o něco později identifikoval tři nové prvky; také přesněji určil atomové hmotnosti několika prvků (cer, lanthan a didymium), zdokonalil metodu separace vyvinutou Mosanderem, která umožnila získat čistší přípravky. V roce 1848 vypočítal atomovou hmotnost ceru při reakci síranu ceritého s chloridem barnatým (později několikrát změněný jinými badateli) a o rok později vypočítal hmotnosti lanthanu a didymia. V roce 1853 podrobně studoval chemické vlastnosti didymia: barvu, krystaly soli, rozpustnost, způsoby získávání halogenidů, sulfidů, fosfátů, síranů, šťavelanů, sloučeniny s arsenem; o dva roky později udělal totéž s lanthanem [68] .
Krok vpřed nezbytný pro další rozvoj vědy spektrální analýzou učinili R. Bunsen a G. Kirchhoff v roce 1859 [63] .
Mark Delafontaine v roce 1864 začal pracovat s gadolinitem: erbium a jeho sloučeniny byly podrobně studovány různými metodami, včetně použití plynového hořáku . Poskytl také poměrně jasný důkaz pro objev erbia, nikoli však terbia [69] . A jestliže existenci prvního nakonec potvrdil nález ve slunečním spektru C. Young v roce 1872 [70] , pak přítomnost druhého v přírodě popřel O. Popp (popřel existenci terbia i erbia [71] ), J. Bar , R. Bunsen , P. T. Cleve . Výsledky několika dalších studií až do počátku 80. let 19. století. vedlo k dalším a dalším zmatkům: existence terbia byla buď potvrzena nebo vyvrácena, Delafontaine oznámil objev několika dalších „prvků“ (mosandria, filipium, decipium) atd. [K 9] [69]
Pochopení, že prvky lze organizovat do logické řady, skupinu po skupině, jak naznačuje periodická tabulka D. I. Mendělejeva od roku 1869, nepřišlo okamžitě [63] . Umožnil také vidět směr dalších objevů, vložit do rukou vědců „mapu“, jejíž pochopení trvalo dlouho [72] . Takže například Delafontainovu poznámku, že didymium není homogenní, potvrdil Lecoq de Boisbaudran v roce 1875 paralelním studiem spekter gallia (ekaaluminium), prvního prvku „eka“ předpovězeného tabulkou D. I. Mendělejeva, odrážejícího realitu existenční prvek a který měl složitější vysvětlení polohy prvků [73] . O něco dříve, v roce 1870, sám D. I. Mendělejev předpověděl existenci ekaboru ( scandium ) [74] , jehož spektra objevil L. Nilson v roce 1879 a o rok později izoloval i oxid skandia s příměsí ytterbia z oxenitu [ 75] .
Objev skandia ještě před jeho objevením v přírodě významně napomohl k dalšímu utváření a schvalování periodického systému chemických prvků [75] . Navíc různé polohy prvků v tabulce poskytli výzkumníci ve snaze vyřešit problém polohy prvků vzácných zemin [76] , protože chyběly teoretické znalosti; zatímco většina prvků dobře zapadá do určitých buněk (míst) tabulky, kovy vzácných zemin se svými velmi podobnými vlastnostmi stále zůstávaly v neurčité poloze a sloužily jako zdroj inspirace pro výzkumníky [77] .
Výzkum Carla Gustafa Mosandera (1797-1858) podnítil mnoho chemiků ke zkoumání minerálů obsahujících cer a yttrium. Pokrok byl však pomalý až do vědců na konci 70. let 19. století. nenaučil studovat chemické vlastnosti pomocí spektroskopie (kromě zdokonalení separačních technik). V následujících letech byl pokrok ve studiu a objevování prvků mnohem rychlejší [66] [78] . Díky analýze spekter byli objeveni (nebo potvrzeni) někteří zástupci: terbium, ytterbium, holmium, thulium a samarium. Na druhou stranu použití citlivější techniky také vedlo k chybným závěrům: i malé množství nečistot ve studovaném preparátu mohlo značně změnit zaznamenané spektrum [79] .
Jean Marignac dosáhl úspěchu tím, že 22. října 1878 izoloval ytterbiovou zeminu od yttriové zeminy [80] následovně: ze směsi terbia s ytriem badatel izoloval sraženinu erbia a dospěl k závěru, že je heterogenní na základě skutečnosti, že oxid neznámý prvek (ytterbium) byl stejně jako jeho soli bezbarvý, na rozdíl od oxidu erbia [73] ; současně výzkumník učinil závěr o 3-valentním stavu prvku a vypočítal atomovou hmotnost - 172 [81] [K 10] . Tuto zemi zkontroloval L. Nilson a další vědci, kteří byli téměř zcela přesvědčeni o její čistotě, ale někteří věřili, že nečistoty jsou v ní přítomny. Mezi posledně jmenované patřili J. Urbain ve Francii a K. Auer von Welsbach v Rakousku (později oba nezávisle objevili lutecium, v roce 1907 a 1908), ke stejnému závěru dospěl W. Crookes (oznámil objev několika prvků) , spektroskopisté F. Exner a E. Hašek (1899) a E. A. Demarce při studiu spekter objevili v roce 1900 prvek " Θ " a poznamenali jeho vstup do země Marignac [81] .
Minerál samarskit (objevený G. Rosem v roce 1839 a pojmenovaný po ruském důlním inženýrovi ) přitáhl v roce 1878 velkou pozornost badatelů; M. Delafontaine, který studoval vzorky minerálu, objevil vynikající absorpční spektrum didymu z toho izolovaného z ceritu. Jako potenciální zdroj nových prvků minerál studoval P. E. Lecoq de Boisbaudran , který našel ve spektru nevysvětlitelné čáry naznačující nový prvek. Později bylo prokázáno, že jej lze na základě různých chemických vlastností oddělit od didymia a decipia a 16. července 1879 badatel ohlásil objev samaria, poprvé izolovaného z minerálu [64] [73]. [82] .
Per Theodor Cleve v roce 1879, když studoval erbium, které zůstalo po oddělení od ytterbia, dospěl k závěru, že frakce je heterogenní: spektrum zaznamenané R. Alainem pomohlo pochopit, že obsahuje nečistotu. Výzkumník rozdělil látku do tří frakcí: první byla podobná ytriu, druhá ytterbiu a třetí erbiu. Mezi předpokládanými čarami spektra erbia byla jedna (čára) přítomna pouze ve frakci blízké ytterbiu, nikoli však ytterbium samotné; druhý je podobný - pouze ve zlomku blízkém yttriu, ale ne yttria samotnému; obě linie byly ve spektru erbiové frakce přítomny velmi slabě. Vědec si uvědomil, že objevil dva nové prvky a okamžitě jim dal jména: thulium a holmium. Kleve zároveň poznamenal, že rozdělení prvků není konečné [83] . Jakmile se tak stalo, ukázalo se, že o rok dříve J.-L. Soret našel stejné absorpční spektrum holmia ve vzorku erbia získaného od J. Marignace; výzkumník jej označil jako prvek „X“ [75] . Lecoq de Boisbaudran zároveň potvrdil studie Cleva a Soreta [84] .
Nejistota ohledně přítomnosti nových prvků vedla k intenzivnímu studiu samaria, což vedlo k objevu dvou lanthanoidů: gadolinia a europia [85] . V roce 1880 začal J. Marignac studovat samarskit. Aplikací frakčního srážení a použitím síranu draselného s následnou izolací oxalátů byly získány dvě potenciálně nové půdy: Yα a Yβ. Spektrální analýza Soreta naznačila, že Yβ bylo samarium a Yα nebylo podobné žádnému ze známých prvků, včetně decipia [85] . V roce 1881 Delafonte získal čistší decipium, což umožnilo dojít k závěru, že je podobné prvku Yα a že zde již dříve byla příměs samaria [84] .
P. E. Lecoq de Boisbaudran (s Marignacovým souhlasem) navrhl v roce 1880, aby byl prvek pojmenován gadolinium, ale není známo, zda byl prvek pojmenován po Johanu Gadolinovi nebo minerálu, nebo obojím; gadolinium je však jediným lanthanoidem, jehož jméno pochází z hebrejštiny : kořen gadol ("velký") byl vybrán jako příjmení vědcovým otcem a pochází z názvu farmy ve Finsku ( finsky Maunala ), na které žil [9 ] . V roce 1886 pojmenoval Marignac prvek Yα, gadolinium [84] .
V roce 1885 obdržel E. A. Demarcet kontaminované vzorky samaria od P. T. Cleve a po prozkoumání spektrálních čar pochyboval o přítomnosti nečistot. Tato otázka zůstala otevřená několik let a později dokonce Lecoq de Boisbaudran a Demarcet oznámili objev nečistot (v letech 1892 a 1893). Čistou sloučeninu europia získal E. A. Demarce v roce 1901. O něco později Georges Urbain (1903 a 1904) referoval o izolaci europia z gadolinia pomocí nové metody, kde byl separačním prvkem vizmut [85] .
V roce 1882 hlásil B. Brauner (kromě J. Marignace v roce 1853, M. Delafonte v roce 1875 a P. T. Cleve v roce 1882) heterogenitu didymia, označil nečistotu heslem Diγ a o rok později své předpoklady potvrdil. O několik let později, během nichž se K. Auer von Welsbach zabýval separací různých objevených lanthanoidů, díky více než stonásobnému opakování operací frakční krystalizace (nikoli srážení) a analýze spekter, v 1885 frakcích byly získány praseodydium (nazelenalé) a neodydium [86] [87] . Později byly jejich názvy zkráceny na praseodym a neodym a v roce 1890 objev nezávisle potvrdil A. Bettendorff [87] . Jako první byl v roce 1925 získán neodym [88] v relativně čisté kovové formě a v roce 1931 praseodym [89] .
Podrobná studie holmia od Lecoqa de Boisbaudran vedla k objevu dysprosia v roce 1886. Nový prvek byl tak pojmenován, protože jeho izolace vyžadovala 32 únavných operací pro vysrážení amonných solí a následných 26 operací pro oxaláty; následné studium spekter a fluorescence umožnilo objevit nový prvek [75] . Objev dysprosia přijali chemici bez nedůvěry a kontroverze obvyklé pro tu dobu [84] ; Až do roku 1950 nebylo možné kov (spolu s dalšími prvky vzácných zemin) získat v čisté formě, dokud se nerozvinuly iontoměničové reakce a technika metalografické redukce vyvinutá F. Speddingem [90] .
Na začátku příštího století bylo mnoho chemiků přesvědčeno o existenci následujících prvků: lanthan, cer, praseodym, neodym, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium [91] .
Dlouhá cesta studia a nalezení většiny lanthanoidů v přírodě byla dokončena díky výzkumu J. Urbaina , který v roce 1907 (více než století po objevu ceru [43] ) v ytterbiu J. Marignace odhalil přítomnost lutecium [66] . O rok později a nezávisle na Urbainovi v roce 1908 tento prvek objevil C. Auer von Welsbach, který prvek nazval Cassiopeia [19] . Názvy lutecium a cassiopeia byly používány paralelně po několik desetiletí, přičemž posledně jmenovaný byl používán v Německu a Rakousku až do 50. let 20. století [79] .
Jestliže spektrální analýza umožnila identifikovat jednotlivé prvky vzácných zemin v různých horninách, vyvodit závěr o jejich stupni čistoty, pak nemohl navrhnout nic o počátečním množství lanthanoidů, předvídat existenci nových prvků. Odpověď na poslední otázku byla dána po studiu rentgenových spekter REE. Pomocí Moseleyho zákona bylo tedy zjištěno, že lanthan má atomové číslo 57, nejtěžší prvek z rodiny lanthanoidů je 71. Po rentgenovém spektrálním určení atomových čísel všech známých lanthanoidů bylo zjištěno, že mezi nimi existuje není žádný prvek s číslem 61 [92] . Skupina italských vědců z univerzity ve Florencii oznámila objev florentia v roce 1924. Podobná zpráva o objevu illinia (na počest státu Illinois ), která zazněla o dva roky později, byla rovněž předčasná [76] .
Začalo hledání tohoto prvku. Padesát vzorků lanthanoidových minerálů bylo podrobeno důkladnému studiu v optické a rentgenové oblasti spektra – 61. prvek nalezen nebyl. Německý chemik L. Prandtl navrhl, že tento prvek buď neexistuje, nebo je jeho přítomnost v přírodě stejně malá jako technecium . Německý badatel I. Noddak , který byl známý hledáním analogických prvků manganu a zejména rhenia , však předložil hypotézu o nestabilitě atomů 61. prvku, tedy o jeho radioaktivitě : základ pro takový hypotéza byla, že 62. prvek - samarium - má slabou radioaktivní emisi, a hypotéza se potvrdila. Atomy 61. prvku byly získány díky jaderným reakcím [92] : v roce 1945 získali američtí výzkumníci J. Marinsky, L. Glendenin a C. Coryell 61 prvků [93] (ve formě nuklidu 147 Pm ) a chemicky identifikovali dvou izotopů za použití iontoměničové chromatografie. V roce 1947 byly na důkaz objevu oznámeny jeho chemické vlastnosti a o rok později dostal název [94] [95] [96] .
Trendy ve vzděláváníV roce 1937 W. Klemm a G. Bommer připravili REE ve formě, která jim umožnila popsat několik vlastností kovů: popsat jejich krystalové struktury, magnetickou susceptibilitu , hustoty a také potvrdit údaje Viktora Goldschmidta z roku 1925 o kompresi lanthanoidů ( německá die Lanthaniden-Kontraktion) se zvýšením sériového čísla. Práce vedla k závěru, že prvky si nejsou tak podobné, soudě podle jejich vlastností, jak se dříve obecně věřilo: divalentní stavy byly popsány pro Eu a Yb a valence Ce se ukázala být větší než 3+ . Rozdíly se s jejich dalším studiem postupně zvětšovaly [97] [98] [99] .
Od poloviny 20. století se různé otázky související s taxonomií lanthanoidů Sc a Y staly předmětem mnoha publikovaných prací, což obecně vedlo k hlubšímu pochopení chemické, metalurgické a fyzikální podstaty. ze 17 prvků [99] . Během druhé světové války a v následujících letech techniku oddělování prvků vzácných zemin pomocí iontoměničových pryskyřic významně studoval a rozšířil F. Spedding [K 11] . V Amesově laboratoři byly odděleny a vyrobeny stovky kilogramů čistých oxidů prvků . Paralelně s tím se kovy vzácných zemin staly postupně dostupnými pro použití a studium jejich vlastností. Po roce 1957, kdy průmysl začal získávat vysoce čisté sloučeniny, ceny některých z nich (od Eu po Lu) klesly v průměru 282krát [97] [K 12] .
Studium základních fyzikálních vlastností, zejména magnetismu v kovech, slitinách a sloučeninách, je předmětem intenzivního studia vědců již několik desetiletí. V 60. letech – začátkem 70. let. hlavní pozornost byla zaměřena na "těžké" lanthanoidy; „plíce“ však vzbudily pozornost v 70. letech 20. století, kdy se staly dostupnými ve formě krystalů [100] . Ve stejných letech se začaly objevovat práce související s vlivem kovů na lidský organismus [101] : radioaktivní 144 Ce bylo nalezeno v kostech zvířat a měkkýšů [102] , stejně jako v plicích a lymfatických uzlinách lidí kteří vdechovali radioaktivní aerosoly [103] . V polovině 80. let. Pozornost vědců přitahovaly jejich antikorozní vlastnosti: byly publikovány práce, které popisovaly pozitivní vliv chloridů REE na inhibici koroze některých kovů (například hliníku) v elektrolytech obsahujících chlór [104] [105] [106] .
Od projektu Manhattan jsou USA střediskem výzkumu vzácných zemin a souvisejících technologií. Na počátku 80. let 20. století centrum "moci" se přesunulo do Japonska kvůli rychlému pokroku v elektronickém a automobilovém průmyslu země a v současné době se přesouvá do Číny, možná ze stejných důvodů (včetně výhodné geografické polohy) [107] .
Celkový počet vědeckých prací registrovaných u Chemical Abstract Service v roce 1990 byl přibližně 490 000 , z nichž 18 000 se zabývalo studiem prvků vzácných zemin ; v roce 2007 se celkový počet blížil 1 000 000 , z čehož asi 3 % byly vzácné druhy vzácných zemin. Většina materiálů byla publikována na témata související s oxidy skupiny (až 5000 článků, 2008), dále spektroskopie (více než 1400 článků, 2008), magnetismus (až 1400, 2006), magnety (stejné), katalýza a katalyzátory (do 1400, 2008) [107] .
Nejdůležitější minerály prvků vzácných zemin [108] | |||
---|---|---|---|
název | Složení minerálu | Obsah prvků skupiny ceru, % |
Obsah prvků skupiny yttria, % |
Monazit | REE a ortofosfáty thoria (Ln, Th) PO 4 |
42-70 | 0,5–5 |
Bastnäsite | REE fluorokarbonáty (Ce, La) CO 3 F |
73-76 | 0,0-0,1 |
Loparit | Titanoniobates REE, vápník | 30,7-34 | 0,0-0,5 |
Cerite | REE silikáty | 59,4-70 | — |
euxenit | Titanoniobates REE, vápník (Y, Ca, Ce,) (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 |
0,2-4,3 | 18.2—28.1 |
Xenotim | REE ortofosfáty YPO 4 |
0,3–5 | 52-63 |
Gadolinit | Silikáty REE, železo, berylium | 2,9–7,9 | 31-46,6 |
Samarskit | Yttrium tantaloniobate, erbium atd. | 0,3-1,7 | 9,1-38 |
Fergusonit | Směs tantaloniobátů , titanoniobátů samaria, yttria, erbia a železa |
0,9-6,2 | 31,2–42,3 |
Pyrochlor | (Na, Ca, Ce, Y, Th, U) 2 (Nb, Ta, Ti, Fe) 2 O 6 (OH, F) |
0,78-7,5 | 0,1-0,6 |
Lanthanoidy jsou v přírodě široce rozšířeny. Jejich distribuce v zemské kůře je 0,015 % [109] . Jejich celková koncentrace se blíží hodnotám hojnosti mědi , olova , zinku [109] , cínu , zlata [19] , arsenu , což nejsou v přírodě vzácné prvky. Na zemi nejsou horniny, které by neobsahovaly alespoň nepatrnou příměs ceru, lanthanu, praseodymu, yttria atd. Lanthanidy se nacházejí v apatitech , barytech , žulách , čedicích , pyroxenitech , andezitech , jílech , v mořské vodě atd. Kromě toho byla jejich přítomnost zjištěna také v uhlí , ropě , v různých půdách, zvířatech a rostlinách [92] .
Geologické rozložení zásob kovů [110] | |
---|---|
Země | Zásoby oxidů, t.j |
Čína | 55 000 000 |
země SNS | 19 000 000 |
USA | 13 000 000 |
Indie | 3 100 000 |
Austrálie | 1 600 000 |
Brazílie | 48 000 |
Malajsie | 30 000 |
jiný | 22 000 000 |
Celkový | 113 778 000 |
Lanthanoidy jsou však stále docela stopové prvky a nejsou často nalezeny v minerálech, které lze snadno recyklovat. Pouze některé země ( Indie , Jižní Afrika ) mají dostatek ložisek k výrobě koncentrátů, ale více než 95 % všech ložisek se nachází v Číně . Paradoxně se díky nárůstu jejich role v zemědělství a průmyslu zvýšil i jejich negativní dopad na životní prostředí [109] . V přírodě jsou koncentrovanější akumulace REE. Ještě v první polovině 19. století byla identifikována řada minerálů , které obsahují lanthanoidy. Obsah této skupiny prvků v minerálech se blíží 250 druhům. Existuje přibližně 60–65 druhů minerálů, ve kterých REE tvoří 5–8 % hmotnosti. Většina minerálů obsahuje cer a jemu blízké prvky (cerové kovy). Mnohem méně je známo o minerálech obsahujících yttrium a těžké lanthanoidy [108] .
Koncentrace „lehkých“ lanthanoidů je obvykle vyšší než u „těžkých“: většina ložisek prvků obsahuje 80 až 99 % sloučenin lanthanu, ceru, praseodymu a neodymu. Kovy lze těžit ve formě jejich oxidů nebo v čisté formě ( mischmetal ) s následnou separací. Samostatně se těží pouze lanthan, cer, praseodym a yttrium, které tvoří zhruba čtvrtinu celkové produkce [111] .
Bohatá ložiska lanthanoidů (prvky vzácných zemin) se nacházejí v Indii ; monazitový písek se vyskytuje na pobřežních plážích Travankori, v Brazílii , Austrálii , USA , Africe , Skandinávii atd. V Evropě se vzácné minerály nacházejí na poloostrově Kola , na Uralu , na Ukrajině , v Asii - v Kazachstánu , na Sibiři .
V červnu 2011 objevili vědci z Japonska rozsáhlá ložiska kovů - lanthanoidů a yttria - na dně Tichého oceánu . V mezinárodních vodách byly na 78 místech nacházejících se v hloubce 3,5 až 6 km ze dna odstraněny nánosy bahna [115] . Podle odhadů vědců je celkový objem sedimentů obsahujících kovy na dně oceánu přibližně více než 110 milionů tun [116] . Studovaná místa byla vybrána tak, aby pokrývala většinu povrchu dna. Oblasti nejbohatší na sloučeniny (hlavně sedimenty obsahující kovy, zeolitový jíl, červený jíl ) nacházejí od středu (přibližně 13°30′ s. š. 175°00′ z. š. k jihovýchodu ( 15° j. š ) oblasti oceánu. Dokud však hloubka 4–5 km, kde se nachází většina bahna bohatého na oxidy, bude silně ovlivňovat ekonomickou a technologickou proveditelnost těžby, zůstanou ložiska jen velmi perspektivním zdrojem pro těžbu [117] .
Hlavní rudy, ze kterých se těží kovy vzácných zemin, jsou bastnäsit , monazit , xenotim a jíly absorbující ionty [118] .
Elementární složení některých kovových ložisek (v %) [118] [119] | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Mount Weld (CLD) [K 16] (Austrálie) |
Mount Weld (Duncan) [K 16] (Austrálie) |
Mountain Pass (USA) |
Bayan-Obo (Čína) |
Guangdong (Čína) |
Xunwu (Čína) |
Longnan (Čína) | |
Minerální | Sekundární monazit | Churchit | Bastnäsite | Bastnäsite | Xenotim | laterit | laterit |
Lanthanum | 25,57 | 23,93 | 33.2 | 23 | 1.2 | 43.4 | 1,82 |
Cerium | 46.9 | 39,42 | 49.1 | padesáti | 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 |
lutecium | 0,02 | 0,03 | — | — | 1.8 | 0,1 | 0,4 |
V Číně jsou tři hlavní těžební oblasti: v Baotou , Sichuan a Jiangxi – tvoří 88 % všech ložisek v zemi. V Bayan-Obo (Baotou, Vnitřní Mongolsko ) je soustředěno přibližně 83% čínských ložisek, v provincii Shandong - 8%, v provincii Sichuan - 3% (v těchto provinciích jsou ložiska lehkých lanthanoidů); 3 % těžkých ložisek lanthanoidů se nachází v provincii Ťiang-si na jihu Číny [118] [120] .
Hojnost prvků v bastnasitu a monazitu z Bayan-Obo je podobná: 26 % je La 2 O 3 , 50 % je Ce 2 O 3 , 5 % je Pr 2 O 3 , 16 % je Nd 2 O 3 a 1 % Sm 2 O 3 (ostatní méně než 1 %). V provincii Sichuan je vyvinut bastnasit s následujícím složením: 37 % - La 2 O 3 , 47 % - Ce 2 O 3 , 4 % - Pr 2 O 3 , 10 % - Nd 2 O 3 (ostatní - méně než 1 %). Na jihovýchodě Číny je známá přítomnost lateritické hlíny obsahující REE; v několika provinciích kolem Jiangxi se vyvíjejí jíly absorbující ionty, které vykazují zcela odlišné složení: 2-30 % - La 2 O 3 , 1-7 % - Ce 2 O 3 a Pr 2 O 3 , 3-30 % - Nd203 , 2-7 % - Dy203 [ 118 ] [ 121 ] [122] . Právě díky posledně jmenovanému je dosaženo světové nabídky kovů skupiny yttria; obvykle a snadněji se těží z takových jílů přímo na místě - tento proces je mnohem méně energeticky náročný než těžba z tvrdých hornin [114] [123] [124] .
Mezi další prozkoumané lokality v provinciích Yunnan , Guizhou a Sichuan patří čedičová zvětrávací kůra, která je předmětem dalšího průzkumu potenciálních ložisek [125] .
Úroveň těžby prvků vzácných zemin v Číně je v současnosti 80 % nebo více celosvětové úrovně [126] .
Náklady na sloučeniny kovů v roce 2009 (odhad) [127] a 2011 [128] . | |||||
---|---|---|---|---|---|
oxid kovu | Čistota, % | Cena, USD/kg | |||
2009 | 2011 | ||||
Lanthanum | 99,99 | třicet | 100 | ||
Cerium | 96-99,50 | třicet | 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 | ||
lutecium | 99,99 | 1800 | 4000 |
Poptávka po REE za posledních 35 let vzrostla z 30 000 tun (80. léta) na cca 120 000 tun (2010), což je více než produkce kovových sloučenin v roce 2011 – 112 000 tun [116] . Spotřeba kovů vzácných zemin v roce 2014 činila 120148 tun [129] . Provedené studie umožnily předpovědět, že složená roční míra růstu (z angl. Compound Annual growth rate ) poptávka od roku 2014 do roku 2020. bude 3,9 % (z 120148 tun na 150766 tun) především kvůli silné poptávce po oxidech neodymu, praseodymu a dysprosia (mimo jiné prvky vzácných zemin) [130] .
V roce 2010 Čína zavedla seriózní kvóty: pokles objemu exportu kovů dosáhl téměř 70 %, což se odrazilo ve vrcholném růstu (2011) a poklesu (2012) cen [131] , a v důsledku toho svět cena La od roku 2009 do roku 2012. zvýšené o faktor 5, u Sm a Tb o 5,8, u Er o 6,3, u Ce a Pr o 9, u Nd o 11 au Dy o 12,4 [132] . Po této události bylo zahájeno mnoho projektů na rozvoj lokalit pro těžbu kovů v různých zemích [131] , jakož i na průzkum (možných) nových [117] [133] [134] [135] [136] , což vedlo k zvýšení zdrojů mimo země o více než 7x – z 13,4 (2010) na 100,2 mil. tun (2015) [126] .
Podle některých předpokladů může být v současnosti růst cen způsoben i nerovnováhou mezi poptávkou po jednotlivých kovech vzácných zemin a jejich kvantitativním obsahem v rudách [137] .
Kromě vyhledávání těžebních lokalit jsou publikovány recenze:
Nedávná data ukazují, že úroveň zpracování REE je menší než 1 % (2011) [156] [157] nebo 1–2 % (2013) [158] [159] z hlediska EOL-RR ( recyklace na životnosti sazba - procento množství kovu určeného ke zpracování v použitém produktu).
Stanovisko o kritickém významu těchto kovů pro špičkové technologie zveřejnila US Geological Survey v roce 2002 [160] . Evropská komise v roce 2010 rovněž uznala skupinu za kritickou a se středním významem pro hospodářství [5] [161] , a Institut pro energetiku a dopravu , součást Centra pro společný výzkum , kvůli tržnímu riziku a politickým faktorům, izolovaným neodym a dysprosium [162] . V roce 2014 vydala UNCTAD zvláštní zprávu, která uvádí vysokou míru závislosti na čínské výrobě a důležitost prvků pro obranné systémy [5] [163] . Mnoho odborníků[ co? ] prvky jsou považovány za čtvrté nejdůležitější po ropě , vodě a železné rudě [164] a někdy se jim říká „vitamíny“ („průmyslové vitamíny“, „vitamíny pro kovy“): přidání i malého množství může výrazně zvýšit příznivé vlastnosti konečného produktu [165] [166] [167] [168] [169] .
Na příkladu Číny, země, která byla současně největším výrobcem , spotřebitelem a vývozcem vzácných zemin [171] [K 18] , lze usuzovat, že došlo za 20 let k významné změně ve struktuře spotřeby kovů. období od roku 1988 do roku 2008. Pokud tedy v roce 1988 více než polovina (56 %) spotřeby připadala na hutní průmysl a strojírenství, tak v roce 1998 to byla již méně než třetina (30 %) a v roce 2008 - 15 %. Naopak výroba magnetů, fosforů, leštících prášků atd. v roce 1988 byla méně než 1 %, ale po 10 letech - 18 % a v roce 2008 - 52 %. Ostatní oblasti spotřeby - chemický , ropný , textilní , osvětlovací průmysl, zemědělství , výroba brýlí , čoček , keramických materiálů - tvoří až 56 % za každý jednotlivý rok intervalu. Do budoucna se očekává výrazný nárůst spotřeby kovů v Číně díky nárůstu počtu zahraničních společností, které přesouvají svou výrobu a mají možnost je nakoupit levněji v tuzemsku, což snižuje náklady na výrobu finálního produktu a je jedním z hlavní strategie země, která si přeje udržet kontrolu nad průmyslem [170] .
Chemický prvek | Los Angeles | Ce | Pr | Nd | Odpoledne | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
číslo poplatku | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 |
obraz | — | ||||||||||||||
Hustota, 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 |
Teplota tání, °C | 920 | 795 | 935 | 1024 | 1042 | 1072 | 826 | 1312 | 1356 | 1407 | 1461 | 1529 | 1545 | 824 | 1652 |
Bod varu, °C | 3464 | 3443 | 3520 | 3074 | 3000 | 1794 | 1529 | 3273 | 3230 | 2567 | 2720 | 2868 | 1950 | 1196 | 3402 |
Elektronická konfigurace [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 |
kovový rošt | DGPU | HCC | DGPU | DGPU | DGPU | R | BCC | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU |
Kovový rádius, 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 |
Odpor (při 25 °C), µOhm cm |
57-80 (při 20 °C) |
73 | 68 | 64 | — | 88 | 90 | 134 | 114 | 57 | 87 | 87 | 79 | 29 | 79 |
Magnetická susceptibilita , χ mol / 10 −6 (cm 3 mol −1 ) |
+95,9 | +2500 (β) | +5530(α) | +5930 (α) | — | +1278(α) | +30900 | +185 000 (při 350 K) |
+170 000 (α) | +98 000 | +72900 | +48 000 | +24700 | +67 (β) | +183 |
Je známo, že atomy lanthanoidů mají následující elektronové konfigurace [Xe] 4 f n 6 s 2 a [Xe] 4 f n −1 5 d 1 6 s 2 (kde n je číslo od 1 do 14) [172] . Lanthan ([Xe] 5 d 1 6s 2 ) nemá žádné f -elektrony, cer má jeden ([Xe] 4 f 1 5 d 1 6 s 2 ), praseodym má 3. Dále s rostoucím pořadovým číslem počet f - elektrony postupně přibývají s polovičním zaplněním hladiny 4 f v gadoliniu (4 f 7 5 d 1 6 s 2 ) a jeho úplným dokončením v luteciu (4 f 14 5 d 1 6 s 2 ) [173] .
V lanthanu, gadoliniu a luteciu je 5 d 1 6 s 2 elektronů valenčních, proto jsou tyto prvky ve sloučeninách výhradně trojmocné. U ostatních lanthanoidů se valenční vazby vytvářejí za účasti 4 f elektronů. Mají však také valenci 3. Vezmeme-li v úvahu stabilitu konfigurací 4 f 0 -, 4 f 7 - a 4 f 14 , prvky Eu ([Xe] 4 f 7 6 s 2 ) a Yb ([ Xe] 4 f 14 6 s 2 ) [175] může vykazovat valenci 2, zatímco Ce ([Xe] 4 f 1 5 d 1 6 s 2 ) a Tb ([Xe] 4 f 9 6 s 2 ) dokonce 4 [173 ] .
První ionizační potenciály lanthanoidů a spolu s nimi REE jsou malé: 5,61 (La)-5,64 eV ( Sc ). Druhý a třetí potenciál také nejsou příliš vysoké. Navíc lze snadno provést dodatečnou ionizaci jednoduše nebo dvakrát nabitých iontů , protože energie k tomu nezbytná se získává jako zisk energie při tvorbě krystalové mřížky nebo hydrátů menších R3 + . Proto lanthanoidy snadno tvoří ionty R3 + . Proto jimi vytvořené vazby s jinými prvky mají vysoké procento ionismu [173] .
Všechny lanthanoidové ionty Ln 3+ , s výjimkou La 3+ a Lu 3+ , mají nepárové 4 f elektrony. To ukazuje na jejich paramagnetismus a charakteristické rysy iontových spekter. Protože vnější 5 s 2 a 5 p 6 podslupky cloní 4 f orbitaly velmi nápadně, zůstávají 4 f n elektrony prakticky nezměněny ve všech svých sloučeninách.
Lanthanoidy se vyznačují stříbřitou barvou, kujností , nízkou tvrdostí a středními body tání v rozmezí hodnot od 804 °C (cer) do 1700 °C (lutetium). Na základě hodnot hustoty lze lanthanoidy rozdělit do dvou skupin: lehké a těžké. Do první skupiny patří lanthan , cer , praseodym , neodym , samarium , europium a gadolinium . Hustota těchto kovů je pod 8 g/cm³ . Zbývající prvky tvoří druhou skupinu, ve které hustota, vyjma ytterbia , leží mezi 8,272 ( terbium ) a 9,482 g/cm³ ( lutetium ) [176] .
Kovové lanthanoidy se vyznačují paramagnetismem . Většina tří nabitých lanthanoidových iontů je také paramagnetická . Některé z kovů lanthanoidů, kromě ceru, si zachovávají své paramagnetické vlastnosti i při velmi nízkých teplotách (teplota kapalného dusíku ), zatímco jiné znatelně mění svůj paramagnetismus se změnou teploty [176] .
Lanthan a lanthanoidy vedou teplo a elektřinu . Ytterbium má nejlepší elektrickou vodivost , horší - yttrium, lanthan, cer, praseodym a neodym. Nejhorší ze všeho je vedení elektřiny gadolinium a terbium. Z toho vyplývá, že změna elektrické vodivosti s rostoucím sériovým číslem roste nerovnoměrně. A kvůli této vlastnosti se lanthanoidy dělí do dvou skupin [177] .
Atomový objem lanthanoidů se vyznačuje ještě nerovnoměrnější změnou . Závislost atomového objemu nebo poloměrů atomů lanthanoidů na pořadových číslech má charakter lomené čáry s píky na začátku, středu a konci. Změna fyzikálních vlastností kovů lanthanoidů tedy již naznačuje sekundární periodicitu v této rodině a jejich rozdělení do dvou skupin: cer a yttrium.
Důležitým fyzikálním rysem lanthanoidů je jejich schopnost absorbovat tepelné neutrony . V tomto ohledu jsou zvláště rozlišovány gadolinium, samarium, europium a dysprosium. Například pro cer je průřez záchytu tepelných neutronů 0,73 barn , zatímco pro gadolinium je tato hodnota rovna 46 000. Kromě ceru špatně absorbuje neutrony yttrium (1,3 barn ) a lanthan (9,3 barn ) [173] .
Hluboko položená čtvrtá vrstva 4f 14 je vyplněna atomem lanthanoidů . Lanthanoidů tedy může být pouze 14. Vzhledem k tomu, že struktura dvou vnějších elektronových obalů se s rostoucím jaderným nábojem nemění, mají všechny lanthanoidy podobné chemické vlastnosti [178] .
V přírodě se lanthanoidy vzájemně doprovázejí. Izolace jednotlivých prvků chemickými metodami je pro velkou podobnost jejich vlastností velmi obtížný úkol.
PolymorfismusPolymorfní modifikace lanthanoidů [179] | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Živel | Modifikace | Krystalový systém |
Typová struktura |
Parametry mřížky, pm | Vesmírná skupina , symboly Schoenflies a Pearson |
Rozsah stability | |||
A | C | ||||||||
Lanthanum | a-La | Šestihranný | a-La | 377,4 | 1217,1 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP4 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
β-La | HCC | Cu | 530,45 | — | Fm 3m _ | Ó5 h |
cF2 | > 613 kB | |
y-La | BCC | W | 426,5 | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1141 kB | |
β'-La | HCC | Cu | 517 | — | Fm 3m _ | Ó5 h |
cF4 | > 2 GPa | |
Cerium | a-Ce | HCC | Cu | 516,1 | — | Fm 3m _ | Ó5 h |
cF4 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
p-Ce | Šestihranný | a-La | 367,3 | 1180,2 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP4 | >263 tis | |
y-Ce | HCC | Cu | — | — | Fm 3m _ | Ó5 h |
cF4 | < 95 tis | |
a'-Ce | HCC | Cu | 482 | — | Fm 3m _ | Ó5 h |
cF4 | > 1,5 GPa | |
Ce-III | ortorombický | α- U | — | — | cmcm | D17 2h |
oC4 | 5,1 GPa | |
Praseodym | a-Pr | Šestihranný | a-La | 367,21 | 1183,26 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP4 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
β-Pr | BCC | W | 413 | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1094 kB | |
γ-Pr | HCC | Cu | 488 | — | Fm 3m _ | Ó5 h |
cF4 | > 4 GPa | |
neodym | a-Nd | Šestihranný | a-La | 365,82 | 1179,66 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP4 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
p-Nd | BCC | W | 413 | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1135 K | |
y-Nd | HCC | Cu | 480 | — | Fm 3m _ | Ó5 h |
cF4 | > 5 GPa | |
Promethium | a-Pm | Šestihranný | a-La | 365 | 1165 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP4 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
β-Pm | BCC | W | — | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1163 kB | |
Samarium | a-Sm | Trigonální | a-Sm | 362,9 | 2620,7 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | Comp. tempo. a tlak |
β-Sm | BCC | W | — | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1190 tis | |
γ-Sm | Šestihranný | a-La | 361,8 | 1166 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP4 | > 4 GPa | |
Gadolinium | a-Gd | GPU | mg | 363,36 | 578,1 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP2 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
p-Gd | BCC | W | 406 | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1535 kB | |
y-Gd | Trigonální | a-Sm | 361 | 2603 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 3 GPa | |
Terbium | a-Tb | GPU | mg | 360,55 | — | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP2 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
p-Tb | BCC | W | — | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1589 K | |
Tb-II | Trigonální | a-Sm | 341 | 2450 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 6 GPa | |
Dysprosium | α-Dy | GPU | mg | 359,15 | 565,01 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP2 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
β-Dy | BCC | W | — | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1243 kB | |
α'-Dy | ortorombický | — | a=359,5, b=618,4, c=567,8 | cmcm | D17 2h |
oC4 | < 86 tis | ||
γ-Dy | Trigonální | 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 46 h _ |
hP2 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
β-Ho | BCC | W | — | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | Při vysoké teplotě | |
y-Ho | Trigonální | 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 46 h _ |
hP2 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
β-Er | BCC | W | — | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | Při vysoké teplotě | |
Thulium | a-Tm | GPU | mg | 353,75 | 555,4 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP2 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
β-Tm | BCC | W | — | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | Při vysoké teplotě | |
Tm-II | Trigonální | a-Sm | — | — | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 6 GPa | |
Ytterbium | a-Yb | HCC | Cu | 548,48 | — | Fm 3m _ | Ó5 h |
cF4 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
p-Yb | BCC | W | 444 | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1005 tis | |
y-Yb | GPU | mg | 387,99 | 638,59 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP2 | <270 tis | |
lutecium | a-Lu | GPU | mg | 350,52 | 554,94 | P6 3 /mmc | D 46 h _ |
hP2 | Pokoj, místnost tempo. a tlak |
p-Lu | BCC | W | — | — | je mi 3m_ | Ó9 hodin |
cl2 | > 1005 tis | |
Lu II | Trigonální | a-Sm | — | — | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 23 GPa |
Pro lanthan a lanthanoidy je charakteristický polymorfismus, stejně jako pro aktinidy . Lanthan má tedy tři modifikace (α-, β- a γ-lanthan), cer má čtyři modifikace (α-, β-, γ- a δ-cer). Za normálních podmínek se lanthanoidy vyznačují hexagonální mřížkou (s výjimkou ceru) [177] .
Lanthanoidy jsou chemicky aktivní, tvoří silné oxidy , halogenidy, sulfidy , reagují s vodíkem , uhlíkem , dusíkem , fosforem . Rozkládají vodu, rozpouštějí se v kyselině chlorovodíkové , sírové a dusičné . V kyselině fluorovodíkové a fosforečné jsou lanthanoidy stabilní, protože jsou pokryty ochrannými filmy z těžko rozpustných solí - fluoridů a fosforečnanů .
S řadou organických sloučenin tvoří lanthanoidy komplexní sloučeniny . Důležité pro separaci lanthanoidů jsou komplexy s kyselinou citrónovou a ethylendiamintetraoctovou .
První vzorky krystalograficky charakterizovaných komplexních sloučenin iontů Tb 2+ , Pr 2+ , Gd 2+ , Lu 2+ ukázaly, že ionty všech Ln 2+ (možná kromě promethia) lze získat v roztocích [180] [181 ] [182] .
Pro stanovení obsahu lanthanoidů v roztoku lze použít kalceinovou modř [K 20] [183] [184] .
Binární sloučeniny Oxidy a hydroxidyMonoxidy LnO (kde Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Ho, Er, Yb) jsou mechanicky stabilní, mají dobrou odolnost proti plastické deformaci a mají charakter kovové vazby . Vysoké hodnoty Youngova modulu ve srovnání s objemovým modulem a modulem ve smyku naznačují, že monooxidy La, Ce, Nd, Sm, Eu, Ho, Er a Yb mají tužší charakter než TbO; Poissonův poměr mezi všemi výše uvedenými monoxidy je v rozmezí od 0,23 do 0,409, což ukazuje na jejich odolnost vůči vnější deformaci. Výpočty distribuce hustoty elektronového náboje podél roviny (100) ve sloučeninách potvrdily údaje o kovalentní povaze vazby v LaO , SmO , EuO , ErO , HoO a iontové povaze vazby v CeO , PrO , NdO , TbO a YbO [185] .
HalogenidyJodid samarnatý , který se používá v organické chemii jako jedno z nejdůležitějších redukčních činidel v organické syntéze [186] , lze získat například vysokoteplotním rozkladem jeho trijodidu [187] [188] [189 ] nebo reakcí prášku samaria s dijodethanem v bezvodém THF v laboratorních podmínkách [190] . Sloučeniny dysprosia(II) a thulium(II) jsou silnější redukční činidla v organické syntéze než sloučeniny samaria(II) [191] [192] [193] [194] .
Díky provedeným výpočtům byla získána experimentální data o vlastnostech ve sloučeninách LnX 4 (Ln = Ce, Pr, Tb; X = F, Cl, Br, I), ve kterých jsou hladiny 4f- a n p (pro lanthanoidy a halogenidy, v tomto pořadí) jsou významně navrstveny na sebe. Příspěvek hladiny 4f k vazbě Ln—X v tetrahalogenidech je přibližně o jednu třetinu větší než u trihalogenidů (LnX 3 ) [195] .
Organokovové sloučeninyKaždoročně jsou publikovány přehledy v oblasti syntézy organokovových sloučenin kovů skupiny [181] [196] [197] [198] [199] .
Efekty v podúrovni 4fPodobnost chemických vlastností lanthanoidů je důsledkem zvláštností jejich atomové struktury: mají stejný počet a typ valenčních elektronů v poslední šesté vrstvě, navzdory nárůstu atomového čísla. Tyto valenční elektrony, kompenzující zvýšený kladný náboj v jádře, vyplňují částečně obsazenou podúroveň 4f. A protože zůstává nevyplněný, lanthanoidy mají podobné chemické vlastnosti [200] .
V důsledku rostoucích přitažlivých sil mezi kladným nábojem v jádře a záporným nábojem v podúrovni 4f [200] mají lanthanoidy tendenci ztrácet tři elektrony (vytvářejí Ln III ) [172] a zmenšovat svůj atomový poloměr . Existují však výjimky, kdy určité ionty prvků nabývají „neobvyklých“ iontových stavů, například: v bazickém prostředí může europium přijmout elektron a nabýt 2-valentního stavu (Eu 2+ ) a v kyselém prostředí, cer jej může ztratit a stát se 4-valentním (Ce 4+ ) [200] .
Jedinečné spektroskopické vlastnosti atomů skupiny jsou vysvětleny radiálním nárůstem orbitalu 4f, který je naopak menší než nárůst naplněných podúrovní 5s 2 a 5p 6 . Tato vlastnost dává prvkům zvláštní pozornost ze strany výzkumníků v oblasti fotoniky , zejména v otázkách generace světla, jeho zesílení a transformace [201] .
Henry Moseley v roce 1914 [129] jako první potvrdil skutečnost, že musí existovat přesně 15 lanthanoidů . Mezi lanthanoidy je zvykem zařazovat právě 15 prvků, ale ani v současnosti nepanuje obecná shoda o postavení lanthanu, tedy zda prvky od lanthanu k luteciu nebo od ceru k luteciu tvoří tuto skupinu [15] [1] [ 202] . V prosinci 2015 vytvořil IUPAC projekt na studium této problematiky [203] . Ve vědecké práci Pekky Pyukkö , finského profesora chemie na univerzitě v Helsinkách , existují tři různé výstupy pro uspořádání f-prvků v periodické tabulce [204] [K 21] :
Podobné spory vyvolává i otázka pozice čeledi v periodické tabulce: k jejímu zodpovězení bylo navrženo několik různých představ o periodické klasifikaci, ve kterých se mísily prvky d- a f-bloku [205] [206 ] . Pokud jde o většinu lanthanoidů objevených v roce 1906, které se nevejdou do tabulky, D. I. Mendělejev napsal následující [207] :
Zde se můj osobní názor ještě na ničem definitivním neustálil a zde vidím jeden z nejtěžších úkolů, který představuje periodická zákonnost.
obecná informace | ||||
---|---|---|---|---|
Symbol | CAS | Obsah v lidském krevním séru [208] [K 22] , pg / ml | Toxikologická data [209] | LD 50 [209] |
Los Angeles | 7439-91-0 | 62,7 ± 7,1 | U zvířat: injekce sloučenin lanthanu vede k hyperglykémii , nízkému krevnímu tlaku , degeneraci sleziny a jaterním změnám | Oxid lanthanitý , orálně, potkani: více než 8,5 g/kg; myši, ip: 530 mg/kg |
Ce | 7440-45-1 | 214 ± 22 | Cer je silné redukční činidlo, samovolně se vznítí na vzduchu od 65 do 80 °C. Páry uvolňované při spalování jsou toxické. Injekce velkých dávek ceru zvířatům vedly k úmrtí na kardiovaskulární selhání . Oxid ceričitý je silné oxidační činidlo při vysokých teplotách, reaguje s hořlavými organickými materiály | Oxid ceričitý , orálně, potkan: 5 g/kg, intradermálně: 1–2 g/kg, inhalace par: 5,05 mg/l |
Pr | 7440-10-0 | 11,1 ± 1,5 | — | — |
Nd | 7440-00-8 | 33,7 ± 4,2 | Sloučeniny neodymu nebyly rozsáhle testovány na toxicitu. Neodymový prach a soli silně dráždí oči a sliznice , středně dráždí pokožku. | Oxid neodymný , orálně, potkani: více než 5 g/kg, myši, intraperitoneálně: 86 mg/kg. Sloučenina je mutagen |
Odpoledne | 7440-12-2 | — | Jaké orgány jsou ovlivněny při interakci s kovem, není známo; pravděpodobně přítomen v kostní tkáni | — (kromě radioaktivních vlastností) |
sm | 7440-19-9 | 5,8±1,1 | Celkový obsah kovů u dospělého člověka je přibližně 50 μg, hlavně v játrech a ledvinách, 8 μg je rozpuštěno v krvi. Nerozpustné soli jsou netoxické, rozpustné soli jsou mírně toxické. Při požití se do krevního oběhu dostane pouze 0,05 % kovových solí, zbytek se vyloučí přirozeně. Z krve se přibližně 45 % dostává do jater, 45 % se usazuje na povrchu kostí, kde může zůstat až 10 let; 10 % z celkové produkce | — |
Eu | 7440-53-1 | 0,82 ± 0,19 | Neexistují žádné jasné známky toxicity kovů ve srovnání s těžkými kovy | Europium(III) chlorid , ip: 550 mg/kg, orálně: 5 g/kg. Europium(III) nitrát , ip: 320 mg/kg, orálně: 5 g/kg |
Gd | 7440-54-2 | 7,2 ± 1,4 | Ve volném stavu jsou kovové ionty vysoce toxické; chelátové sloučeniny používané při zobrazování magnetickou rezonancí jsou považovány za zcela bezpečné. Toxicita závisí na síle chelatačního činidla. Anafylaktické reakce jsou vzácné: asi v 0,03-0,1 % případů | — |
Tb | 7440-27-9 | 1,30 ± 0,22 | — | — |
Dy | 7429-91-6 | 9,6 ± 1,1 | Rozpustné kovové soli (např. dysprosium chlorid , dysprosium nitrát ) mají nízkou toxicitu při požití. Nerozpustné soli nevykazují toxické vlastnosti | Smrtelná dávka dysprosium chloridu na osobu: více než 500 g |
Ho | 7440-60-0 | 2,55 ± 0,54 | — | — |
Er | 7440-52-0 | 9,5 ± 1,9 | — | — |
Tm | 7440-30-4 | 1,69 ± 0,42 | Rozpustné soli kovů jsou ve velkém množství považovány za málo toxické, nerozpustné jsou netoxické. Thulium není přijímáno kořeny rostlin, a proto nevstupuje do lidského potravního řetězce | — |
Yb | 7440-64-4 | 13,2 ± 3,2 | Všechny sloučeniny by měly být považovány za vysoce toxické, protože způsobují podráždění kůže a očí; některé ze sloučenin mohou být teratogenní | — |
Lu | 7439-94-3 | 2,46 ± 0,58 | Kov je málo toxický. Fluorid lučitý je nebezpečný při vdechování a způsobuje podráždění kůže. Práškový oxid lutecnatý je toxický jak při vdechování, tak při požití. Rozpustné soli kovů jsou málo toxické, nerozpustné jsou toxické | — |
Farmakologické vlastnosti lanthanoidů jsou takové, že jejich obsah v těle snižuje krevní tlak , hladinu cholesterolu a glukózy , snižuje chuť k jídlu , zabraňuje srážení krve a zabraňuje ateroskleróze u pokusných zvířat. Případná výhoda použití látek s takovými farmakologickými vlastnostmi v medicíně je nenechá stranou od výzkumníků. Některé komplexy lanthanoidů mají protizánětlivé účinky; například phlogodyn ( angl. phlogodyn ) je poměrně široce používán v Maďarsku [210] .
Lanthanoidy mají různé fyziologické účinky na rostliny a zvířata a obecně se považují za málo toxické. Teprve nedávno se výzkum zaměřil na environmentální aspekty vlivu a jejich potenciálně škodlivé účinky na kvalitu života [109] .
Existuje hypotéza, že v živých organismech plní prvky vzácných zemin stejnou funkci jako vápník . Kvůli tomu se hromadí v orgánech, jejichž obsah vápníku je ve srovnání se zbytkem vyšší. V půdách dosahuje obsah REE 0,24 % . Z půdy se tyto prvky dostávají do rostlin . Zvýšený obsah má lupina , cukrová řepa , borůvky , různé řasy a některé další rostliny. V mléce, krvi a kostech zvířat byla zjištěna přítomnost kovů skupiny cer [92] .
Použití lanthanoidových kovů a jejich sloučenin v průmyslu se od minulého století začalo výrazně zvyšovat, počínaje časným používáním malých množství oxidů ceru a thoria na konci 19. širokou škálu pokročilých technologií [211] .
Na konci 19. století bylo jasné, že monazitové písky, které byly levné na těžbu a sestávaly ze sloučenin ceru, lanthanu, neodymu, praseodymu a velkého množství thoria, se nacházejí ve Spojených státech a Brazílii. Karl Auer von Welsbach (který byl nejen vědcem, ale také dobrým obchodníkem) zjistil, že přidáním příměsi jedné ze sloučenin výše uvedených prvků do oxidu thorium , který tvořil základ plynové sítě, bylo možné dosáhnout jasnějšího světla ohně a doby hoření než jeho předchozí „aktinofor“ (směs oxidů lanthanu a zirkonia ). Chvíli trvalo, než pochopil, že nečistotou je cer, a určil „dokonalý“ poměr thoria k ceru v jím vylepšené mřížce žárovky: 99 ku 1 [215] , který se dlouho neměnil [20 ] .
4. listopadu 1891 vědec odhalil a ukázal svůj vynález veřejnosti ve Vídni – tento den byl počátkem využití prvků vzácných zemin v průmyslu. První využití našel autor pro prvky, které byly v té době záhadné: za prvních 9 měsíců po zahájení jejich výroby v továrně v Atzgersdorfu se prodalo asi 90 000 lamp , do roku 1913 se celkový počet zvýšil na 300 milionů kusů [215 ] (což vyžadovalo zpracování 3 000 tun monazitového písku [216] ), ve 30. letech to bylo 5 miliard [129] [212] . Největšími kupci byly železniční společnosti, které je využívaly uvnitř budov, protože byly levnější než elektřina; venku osvětlovaly lampy například ulice Bombaje , prvního města, které je použilo [215] .
V roce 1915 vyšla kniha Vzácné zeminy . Jejich výskyt. Chemie. A Technology , který popsal (možné) aplikace jiné než např. topné mřížky [217] . Byly návrhy na použití solí ceru pro činění , výrobu smaltu a barvení mořidlem alizarinem . V chemii dvojnásobný síran ceru překonal jiné kovy (měď, železo a mangan) v katalytické oxidaci anilinu na anilinovou čerň — jedna z prvních studií z roku 1874 s důrazem na technologické aplikace kovu; k získání aldehydů , chinonů atd. sloučenin z aromatických uhlovodíků se předpokládalo využít oxidačních vlastností svého síranu v kyselém roztoku. Přidání sloučenin ceru k elektrodě obloukové lampy umožnilo podle vynálezců dosáhnout intenzivnější záře. Nevýznamné využití bylo také zjištěno: šťavelan ceritý - v lékařství; Síran ceru se osvědčil pro barevnou a černobílou fotografii ; sytá barva vyššího oxidu praseodymu umožnila jeho použití jako součást didymia pro značení textilií atd. [16]
Díky obrovskému komerčnímu úspěchu gáz a paralelnímu procesu izolace thoria s velkým množstvím lanthanoidů bylo postupem času zjištěno, že elektrolýza chloridové taveniny, která byla získána po odstranění zbytku thoria, poskytla pyroforický směsný kov (50 % Ce, 25 % La, 25 % - ostatní lanthanoidy), k němuž 30 % Fe umožnilo získat ideální lehký pazourek . Kromě toho byly kovy používány ve speciálních sklech pro kontrolu absorpce na určitých vlnových délkách - to vyčerpalo použití kovů až do 40. let 20. století [20] .
Funkční využití lanthanoidů [118] [218] [219] | ||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Los Angeles | Ce | Pr | Nd | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | |
Baterie | ||||||||||||||
Katalyzátory | ||||||||||||||
leštící prášky | ||||||||||||||
Hutnictví | ||||||||||||||
magnety | ||||||||||||||
Keramika | ||||||||||||||
Sklenka | ||||||||||||||
Fosfory | ||||||||||||||
jiný | ||||||||||||||
- hlavní, - vedlejší, - není dodrženo funkční využití |
Některé příklady použití lanthanoidů [209] | |
---|---|
Kov | aplikace |
Eu, Tb | Zářivky , LED diody |
Nd, Eu, Tb, Dy, Pr | Přenosná bezdrátová zařízení, chytré telefony , mobilní telefony atd. |
Eu, Tb, Er | vláknová optika |
Eu, Tb, Gd, Pr, Ce | Ploché displeje |
Nd, Tb, Pr, Dy | Lékařské zobrazování ( magnetická rezonance ), radiografie |
Los Angeles | Elektrické baterie |
Nd, Pr, Dy, Tb | Hybridní vozidla , počítačové disky , akumulátorové elektrické nářadí , větrné a vodní generátory , start-stop systém |
La, Ce | Katalytické krakování , systémy úpravy (např. úprava vody ) |
Objem využití zástupců rodu v je obrovský: od sklářského po hutnický průmysl; jako katalyzátory v ropných rafinériích, jako luminiscenční aktivátory , v elektrokeramických sloučeninách, ve vysokoteplotních supravodičech [220] . Přes širokou škálu aplikací a podobné chemické vlastnosti mají některé kovy (Gd, Dy, Nd, Sm) velmi dobré magnetické vlastnosti, zatímco atomy Er a Tb mají určité energetické stavy, které umožňují jejich použití v laserech nebo světelných zařízeních [ 5] . Moderní využití kovů ve špičkových technologiích má velký strategický význam [211] .
Luminiscenční materiályJak je popsáno výše, první průmyslová aplikace začala přidáním Ce02 k Th02 , což vedlo k jasnějšímu světlu při zahřátí. Na začátku XX století. Studium iontů Eu III rozpuštěných v různých matricích J. Urbaina vedlo k objevu neobvykle jasného fosforu vyzařujícího oranžovo-červené jasné světlo (Y 2 O 3 : Eu [4-6 mol. %]). Tento fosfor se používá ve zářivkách a katodových trubicích od počátku 60. let 20. století. a stále se používá k výrobě čistě červené v LED , různých typech displejů, včetně plochých displejů , i přes různé další možné a studované (s omezeným úspěchem) náhražky [221] .
První zpráva o produkci ligandem aktivované (ligandem senzibilizované) luminiscence lanthanoidů v roce 1942 vedla k následným objevům široké škály anténních ligandů, které umožnily zvýšit emisi světla [222] [223] . S. Wiseman prokázal, že emise Ln komplexů s organickými ligandy může být provedena díky excitaci elektronových hladin v samotném ligandu, po které se energie shromažďuje na excitovaných stavech kovových iontů v důsledku intramolekulárního přenosu energie. Objev byl nazván anténním efektem [221] .
Luminiscenční vlastnosti lanthanoidových iontů se ukázaly být důležité pro tvorbu luminiscenčních materiálů spojených se špičkovými technologiemi [3] . Zástupci rodiny se používají v plazmových panelech (například dopování malých množství Eu 3+ v Y 2 O 3 - jednom z fosforů - umožňuje dosáhnout stejné intenzity vyzařování světla jako u YBO 3 , Y 1 - x Gd x BO 3 , ale s nižším tlakem inertních plynů v článcích plněných plynem), FED-displeje (kde jsou seskvioxidy fosforů , které jsou stabilnější a ekologičtější než sulfidové, dopovány lanthanoidy), v organickém světle- emisní diody ( Ln 3+ komplexní sloučeniny ) [226] .
Také jejich ionty našly uplatnění ve vysokoenergetických detektorech záření - scintilátorech ; lanthanoidy dopované anorganickými krystaly se používají v měřicích zařízeních pro záznam γ-záření a v rentgenové diagnostice. Rychlé 5d → 4f emise Ce 3+ (s trváním 10–70 ns ) z něj činí nejlepšího kandidáta pro použití v takových zařízeních. Přednost se dává sloučeninám s halogenidy , jako je LuI 3 :Ce 3+ , kde světelný výkon je 95 000 fotonů na 1 MeV [226] .
MagnetyHistorie studia permanentních magnetů na bázi prvků vzácných zemin sahá do roku 1959, kdy byla publikována práce o studiu slitiny GdCo 5 . Následně bylo publikováno mnoho prací týkajících se metod získávání, studia, zlepšování vlastností YCo 5 , SmCo 5 a jejich nečistot [227] [K 25] . Do poloviny 80. let 20. století. vědci získali tři nejužitečnější slitiny: SmCo 5 , Sm 2 Co 17 a Nd 2 Fe 14 B . Každý z nich je svými užitnými vlastnostmi mnohem lepší než předchozí typy magnetů a ty nejlepší jsou desetkrát pevnější než alnico nebo feritové slitiny [228] [229] . Podle maximálního energetického indexu produktu lze magnety uspořádat v následujícím pořadí: Nd 2 Fe 14 B (až 56,7 M Gs Oe ) > Sm 2 Co 17 (22-32) > SmCo 5 (22) > Alnico (až 11) > Ferity (až 6) [230] [K 26] .
Magnety složené ze samaria a kobaltu (SmCo 5 ) byly vyvinuty v roce 1967 [227] [231] [K 27] a dlouhou dobu byly považovány za nejsilnější [232] , nyní se však méně často používají neodymové (v případech vyžadujících odpor vůči korozi nebo odolnosti vůči provozu při zvýšených teplotách [230] ) v důsledku slabého magnetického pole a vysoké ceny jeho součástí [233] : železo a neodym jsou levnější než kobalt a samarium a samotná slitina NdFeB obsahuje relativně menší množství lanthanoidů [228] . Samarium-kobaltové magnety našly své uplatnění v leteckém a kosmickém průmyslu , kde vyžadují tepelnou stabilitu při 400-500 °C ( upřednostňuje se Sm 2 Co 17 ) [227] .
Magnetické vlastnosti neodymu umožňují vytvářet nejvýkonnější permanentní magnety [234] . V roce 1984 byla poprvé získána slitina neodymu, železa a boru (Nd 2 Fe 14 B) [228] [235] [236] , která je v současnosti široce používána [K 28] v různých technologiích vyžadujících vysokou koercitivní sílu. [233] [237] , a zatím nebyla nalezena lepší náhrada [238] . Neodym lze nahradit praseodymem a až 5 hm. % ceru pro zvýšení konečné energie produktu [239] [240] a přidání terbia nebo dysprosia do slitiny umožňuje zvýšit její koercivitu [227] [ 241] [242] [243] . Na druhou stranu relativně nízká koercivita nemůže vzhledem ke své tepelné demagnetizaci splnit zvyšující se požadavky na ni při provozu vysokoteplotních zařízení, jako jsou větrné turbíny nebo některé prvky hybridních elektrických vozidel [ 235] [ 244] [245] [246] .
Některé příklady použití magnetů: pevné disky - 24,5 a 5,8 hm. % Nd a Pr (hmotnost magnetu 4,3 g; model Seagate ST3500418AS, 2009); Na každý hybridní automobil (z 265 000 kusů) prodaný v USA a Německu v roce 2010 připadalo v průměru 286 g Nd a 130 g Dy [118] ; větrné turbíny (přibližně) - od 150 do 200 kg Nd a od 20 do 30 kg Dy na 1 MW vyrobeného výkonu [247] .
Gadolinium, jeho soli a slitiny hrají významnou roli v magnetickém chlazení , ve kterém se látka zahřívá, když je umístěna do vnějšího magnetického pole [9] . První experiment, díky kterému bylo možné trvale dosáhnout poklesu teploty na 0,25 K u studovaných vzorků oktahydrátu síranu gadolinatého (Gd 2 (SO 4 ) 3 8H 2 O) a jehož výsledky byly predikovány předem, provedli v roce 1933 W. Gyok a D. McDougall [248] . (Později, v roce 1949, byla Giokuovi udělena Nobelova cena za studium chování látek při ultranízkých teplotách [249] .) V současnosti je tento kov jedním z nejvíce studovaných chladících magnetických materiálů [250] .
PrůmyslIzotopy gadolinia ( 155 Gd , 157 Gd ) mají neobvykle velký průřez neutronů , což umožňuje jejich použití v jaderném průmyslu , například v tyčích reaktorů [9] . Atomy holmia, které mají jeden z největších magnetických momentů mezi ostatními prvky, umožňují vytvářet nejsilnější magnetická pole ; tyto silné magnety, jejichž jednou součástí je holmium, našly své uplatnění v tyčích v jaderných elektrárnách [251] [252] [253] .
Některé lanthanoidy, např. cer, lze díky své exotermické reakci s vodíkem (stejně jako u jiných zástupců) použít již při pokojové teplotě jako pohlcovač plynů v elektrovakuovém průmyslu a metalurgii [50] .
Použití kovů pro vojenské účely [254] [255] | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kov | Oblast použití | Technika | Příklad | ||||||
Nd, Pr, Sm, Dy, Tb | Systémy velení a řízení | Silné a kompaktní magnety | Střely Tomahawk , přesné bomby, JDAM , UAV | ||||||
Většina Ln | elektronický boj | Ukládání energie, zvýšení hustoty | Rušičky , Elektromagnetická Railgun , Systém aktivního odmítnutí | ||||||
Eu, Tb | zaměřovací systémy | Zesílení výkonu a rozlišení | Laserové navádění, letecké lasery | ||||||
Nd, Pr, Sm, Dy, Tb | Elektromotory | Silné a kompaktní magnety | Integrovaný startér-generátor, Zamvolt (DDG-1000) , HMETD , JSF | ||||||
Nd, La, Eu | Komunikační systémy | Zesílit a zlepšit signál | Hydroakustické převodníky, radary , MICAD |
Keramické desky na bázi všech oxidů lanthanoidů kromě promethia jsou vysoce hydrofobní a odolné, což umožňuje jejich použití tam, kde jsou vyžadovány vhodné vlastnosti, například: na lopatkách turbín v elektrárnách, kterými prochází pára, kapičky vody (několik mikrometrů v průměr) kondenzovat ), což negativně ovlivňuje účinnost [256] [257] . Tuto vlastnost vysvětluje elektronická struktura, která zabraňuje tvorbě vodíkových vazeb s molekulami vody na rozhraní a zůstává zachována i po testování v agresivním prostředí (například zahřátí na vysoké teploty nebo zpracování s abrazivními materiály ). Kromě toho mohou být tyto oxidy použity k výrobě ultrahydrofobních povrchů [258] [259] .
Účinnost (stejně jako nízká toxicita ve srovnání s chromany [260] [261] ) je zaznamenána u použití lanthanu, ceru a yttria jako inhibitorů koroze slitin hliníku a zinku ve vodném roztoku chloru [262] [263] [ 264] [265] [ 266] , stejně jako zpomalení koroze železa a oceli v plynném roztoku chloru [262] [267] [268] [269] [270] [271] . K tvorbě ochranného filmu sestávajícího z komplexu hydratovaných oxidů dochází díky přítomnosti solí kovů v roztoku, což potvrzuje XPS [262] [272] . Zájem badatelů o použití lanthanoidů přetrvává: vlastnosti solí a jejich použití na řadě kovů jsou známy a studovány již téměř 30 let a hlavní pozornost přitahovaly cer a lanthan. Většina práce se zaměřila na hliníkové slitiny; vývoj konverzních povlaků pro jiné kovy byl z různých důvodů mnohem pomalejší [273] .
Kovy skupiny našly své uplatnění ve vícevrstvých keramických kondenzátorech ( anglicky Multilayer Ceramic Capacitor ) - většina lanthanoidů (ze kterých jsou izolovány Dy, Er a Ho) může zlepšit své vlastnosti [164] : snížit ztrátový úhel tečny [274 ] a rychlosti stárnutí [275] [276] [277] , dosáhnout stabilní kapacity (±15 %) v širokém teplotním rozsahu (-55 až +150 °C) [278] . Posledně jmenovaná skutečnost splňuje požadavky EIA X8R a umožňuje použití takových kondenzátorů ve vysokoteplotních zařízeních: šikmé vrty ( průzkum ropy ), automobily, pro vojenské potřeby a v leteckém průmyslu - všechny výše uvedené skutečnosti umožňují konstatovat, že lanthanoidy jsou vysoce kritické (ve formě nečistoty, dopantu) při výrobě kondenzátorů s kvalitativně dobrými vlastnostmi [164] .
Moderní elektronická zařízení obsahují mnoho z těchto kondenzátorů, které zaznamenaly 15% roční nárůst dodávek z továren na počátku 21. století; ve Spojených státech byly použity přibližně 3 miliardy/rok [164] [K 29] . Například mobilní telefon obsahuje přibližně 250 kusů, 400 v notebooku (laptopu) a více než 1000 v automobilové elektronice [279] .
MedicínaGadolinium ve sloučeninách se používá při zobrazování magnetickou rezonancí jako jedno z nejlepších kontrastních činidel, protože se hromadí například v jizvách nebo nádorech a „zvýrazní“ takové tkáně v MRI [284] . A aby se snížil negativní dopad na tělo, jsou kovové ionty obklopeny chelatačními ligandy [9] . Na území Ruské federace jsou komerčně dostupné kontrastní přípravky pod názvy Gadovist a Magnevist [285] s obsahem iontů kovů [281] [286] .
Kombinace inertních a biokompatibilních nanočástic zlata se stabilními ionty Ln 3+ s dlouhotrvající luminiscencí nebo charakteristickými magnetickými charakteristikami umožňuje získat nanosondu , která by byla vhodná pro použití v biomedicíně nebo studiu biologických systémů [287] .
Vlnová délka holmiových laserů je 2,08 μm (záření je pro oči bezpečné), což umožňuje jejich využití v medicíně např. ve formě holmiem dopovaného ytrium hliníkového granátu ( YAG ) nebo yttrium-lanthanum-fluoridu (YLF , LaYF 4 ) lasery [288] . CW erbiové a thuliové pulzní lasery pracující na vlnové délce 3 μm jsou vhodné pro použití v laserové chirurgii : provozní vlnová délka se shoduje s frekvencí oscilací atomů O - H ve vodě – je dosaženo silné absorpce paprsku biologickými tkáněmi [ 289] .
Průřez dysprosia umožňuje jeho použití k absorpci tepelných neutronů a jeho vysoký bod tání umožňuje jeho použití ve speciálních slitinách nerezové oceli nebo v zařízeních a částech pro jadernou kontrolu. V laserových materiálech lze použít kombinaci kovu s vanadem a dalšími prvky vzácných zemin. Dysprosium - kadmiové chalkogenidy , které jsou zdroji infračerveného záření , našly své uplatnění při studiu chemických reakcí [90] .
Lanthanoidy a lanthan se používají jako přísady do ocelí , litin a dalších slitin pro zlepšení mechanické odolnosti, odolnosti proti korozi a tepelné odolnosti. Lanthanoidy a lanthan se používají k výrobě speciálních typů skla v jaderné technologii. Sloučeniny lanthanu, stejně jako lanthanoidy, se používají k výrobě laků a barev, svítících kompozic, při výrobě kůže, v textilním průmyslu a v radioelektronice pro výrobu katod . Lanthanoidové sloučeniny se používají v laserech .
Své uplatnění ve formě nanočástic nebo tenkých vrstev v oblasti _ _ _ _ _ _ _ _ _ nanotechnologie , například: ve fotokatodách , dielektrikách , feroelektrikách , polovodičích , usměrňovačích (radiotechnika a elektronika), přenosných počítačích , brýlích (absorbujících UV a propouštějící IR záření ), permanentních magnetech (komunikační systémy a počítače), supravodičích a kompozitních materiálech , pevné látky -stavové lasery (zejména pro vojenské potřeby), barevné televizní luminofory , katalyzátory ( rekuperace výfukových plynů vozidel ) a vodíkové baterie . Kromě toho přítomnost lanthanoidů v kovových nanočásticích zvyšuje rázovou houževnatost a zlepšuje jejich strukturu a plasticitu [290] .
Díky výzkumu provedenému v Číně byly syntetizovány ultratenké nanokrystaly chemicky stabilních oxybromidů (OBr −3 ) europia , gadolinia , terbia a lanthanu , z nichž posledně jmenovaný byl dopován atomy Eu 3+ (LaOBr:Eu 3 + ), lze použít pro přesnou detekci rakovinných buněk . Krystaly mohou být přijímány těmito nemocnými (ale ne zdravými) buňkami a díky luminiscenčním vlastnostem a biokompatibilitě sloučenin, nastavení určitých vlnových délek odraženého světla (viditelné při použití napětí nebo pod ultrafialovým zářením ) a následného osvětlení je lze vidět. , například přes mikroskop . Všechny tyto vlastnosti umožní onkologům identifikovat nejmenší počet nemocných buněk ve vzorcích biopsie [291] [292] .
Existuje předpoklad použití oxybromidů lanthanoidů v nízkonákladových energetických zařízeních, která využívají luminiscenční vlastnosti, jako alternativu například k LED [291] .
Kovové gely měnící barvu pod UV zářením obsahující ionty Eu 3+ a Tb 3+ v ,mechano-kovové gely funkcionalizované terpyridylovými ligandy jsou citlivé na vnější interakce prostřednictvím projevuPEGv roce 2015.MITbyly vyvinuty napoměrechspecifickýchrůzných , termo - a chemochromismus, lze použít jako tenkovrstvé indikátorové povlaky v roztoku nebo plynné fázi látky, například ke stanovení znečišťujících látek , toxinů , patogenů , teplotních změn a mechanického tlaku [293] [294] .
Existuje návrh použít lanthanoidy ve formě značkovacího materiálu ( angl. taggant , z tag - tag) k označení výchozího materiálu použitého k vytvoření konečného produktu v každé fázi jeho výroby, za účelem kontroly a sledování dodavatelů, prodejců atd. Je třeba poznamenat, že je to nízké náklady ve srovnání s běžnými opatřeními proti padělání (např. značení nebo čipování): stačí nanést pouze několik částic na milion takové látky na matricovou buňku, aby se vytvořila značka [ 295] .
Komentáře
Prameny
Slovníky a encyklopedie | ||||
---|---|---|---|---|
|
Periodický systém chemických prvků D. I. Mendělejeva | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Periodická tabulka | |
---|---|
Formáty |
|
Seznam položek podle | |
Skupiny | |
Období | |
Rodiny chemických prvků |
|
Blok periodické tabulky | |
jiný | |
|