Lantano (Lantano, La) elemento químico número 57 en la tabla periódica.
Esta "familia" ocupa un lugar especial entre los elementos químicos, unidos por una excepcional similitud de propiedades. Su nombre obsoleto es elementos de tierras raras (REE). El interés por ellos aumentó significativamente después de la puesta en marcha de los primeros reactores nucleares, durante cuyo funcionamiento se forman estos elementos como subproductos.
Este elemento estuvo oculto a los químicos curiosos durante mucho tiempo, por lo que recibió el nombre de lantano ("lantano" en griego "me escondo", "me escondo"). Fue descubierto por el químico sueco Mozander en 1839. Durante más de cien años, el lantano fue un elemento difícil de obtener no sólo para la industria, sino también para el laboratorio químico. En su forma pura, el lantano (y sus compuestos) se obtuvo sólo después de que el llamado análisis cromatográfico, desarrollado por el científico ruso M. S. Tsvet en 1903, se consolidó firmemente en la práctica de laboratorios y empresas industriales.
La esencia de este método en los términos más generales es la siguiente. La solución de prueba se pasa a través de un tubo lleno de una sustancia incolora en polvo o de grano fino que tiene la capacidad de retener (adsorber) partículas de otras sustancias en su superficie.
Las sustancias incluidas en la mezcla, dependiendo del grado de su adsorción en la superficie del absorbente (adsorbente), se ubicarán a diferentes niveles de su altura en el tubo (columna). Si una solución consiste en una mezcla de sustancias coloreadas (MS Tsvet trabajó con tales soluciones en su época), entonces, debido a su diferente adsorbabilidad, se retienen en diferentes partes del adsorbente, coloreándolo en el color apropiado para la sustancia dada. .
Así, se separan los componentes de la mezcla. La masa del adsorbente en toda su longitud en el tubo, de acuerdo con el color de la sustancia retenida, tendrá diferentes colores o diferentes tonalidades de un mismo color (dependiendo de los colores de los componentes de la mezcla). La columna resultante de adsorbente coloreado se llama cromatograma (del griego "cromo" - pintura, color y "grafo" - escribir). Para aislar los componentes de la mezcla, la columna adsorbente se retira con cuidado del tubo y se divide en zonas de color. La composición de cada zona coloreada se determina mediante métodos convencionales de análisis químico. Está bastante claro que el análisis no presenta dificultades cuando sólo está presente una sustancia en cada zona. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las zonas del adsorbente coloreado no son tan diferentes entre sí como para que puedan separarse fácilmente mecánicamente. Por lo general, las zonas se combinan y gradualmente se transforman unas en otras. En estos casos, el tubo que contiene el adsorbente con las sustancias retenidas se lava con un disolvente especialmente seleccionado, que se relaciona de manera diferente con los componentes adsorbidos de la mezcla. Este método de extraer una sustancia adsorbida de un adsorbente se llama elución (del latín “elucio” - lavado). La elución permite aprovechar no solo la diferencia en la adsorbabilidad de los componentes de la mezcla, sino también en su solubilidad.
El lantano y sus compuestos muestran fuertes similitudes con otros elementos muy similares al lantano.
Se conoce el número de "parientes" del lantano. Hay 14. A partir del lantano, que es el mejor estudiado, todos se combinan en un grupo, en una célula del sistema periódico bajo el nombre de familia de los lantánidos.
La gran similitud de las propiedades químicas de los lantánidos se debe a la estructura especial de las capas electrónicas de los átomos de estos elementos, desde el lantano hasta el lutecio inclusive. Esta estructura especial conduce al hecho de que a medida que aumenta el número atómico de un elemento, el radio de los átomos no aumenta (compresión de lantánidos). Este fenómeno explica una similitud química tan grande entre todos los lantánidos.
Una vez que se aislaron las sales puras de lantano, obtener el lantano en sí ya no fue difícil. Por ejemplo, mediante electrólisis de cloruro de lantano se obtuvo el metal lantano, que en su comportamiento químico se parece al calcio metálico. El lantano tiene una dureza similar al estaño (densidad 6,2), su punto de fusión es de sólo 915-925°C, pero su punto de ebullición es sorprendentemente alto (4515°C). Como muchos metales activos, descompone el agua, reacciona bien con los ácidos y, cuando se calienta vigorosamente, con cloro, azufre y otros metaloides, es decir, exhibe las propiedades de un metal típico.
El lantano es un metal que se “autoprotege”: en el aire seco se cubre con una fina película de óxido que lo protege de una mayor oxidación. Pero tal “protección” se produce sólo en el aire seco; la humedad se combina con esta película y forma una base fuerte.
Hemos mencionado repetidamente un metal tan importante como el aluminio y hemos señalado, en particular, su capacidad para arder con la liberación de una gran cantidad de calor. Muchos procesos diferentes se basan en esta reacción. El lantano tiene un calor de reacción aún mayor con el oxígeno. Tan pronto como aprendieron a producir lantano en grandes cantidades, empezó a competir con el aluminio en la metalurgia. Para eliminar el oxígeno del acero líquido, a menudo se le introduce lantano, en lugar de aluminio. Para una tonelada de acero sólo se necesita un kilogramo de este “desoxidante”, como se denomina en tecnología a las sustancias que liberan el acero del oxígeno. Ya se han procesado de esta manera millones de toneladas de acero y se afirma que es un método excelente para mejorar su calidad.
El lantano se obtuvo en mezcla con cerio, otro miembro de la familia de los lantánidos, en una proporción de aproximadamente 1:1. Al fusionar una mezcla de estos metales con hierro, obtuvieron... el “pedernal”, que se usaba mucho en los encendedores de bolsillo. Por supuesto, el "pedernal" de hierro, cerio y lantano no tiene nada en común con el pedernal de piedra natural, un compuesto de silicio. Este nombre se le dio a la aleación por su capacidad de "chispar" cuando se frota contra ella una rueda dentada de acero. Esta habilidad se utilizó no sólo en encendedores inofensivos, sino también en proyectiles de artillería. Habiendo equipado el proyectil con una boquilla hecha de esta "mezcla de metales", pudimos observar el proyectil en vuelo. La "mezcla de metales" chispea al volar en el aire. En este caso, el papel de la rueda del encendedor lo desempeña el propio aire, que roza el metal.
Los compuestos de lantano se utilizan en la fabricación de vidrio para las mejores lentes de cámaras y gafas de seguridad especiales. Cuando se alea con magnesio, el lantano se utiliza para fabricar piezas de motores de aviones.
Es curioso que los conocidos "depósitos" de lantano sean la conocida planta del arándano, cuyas cenizas contienen hasta un 0,17% de óxido de lantano. Hay mucho lantano en las cenizas de los abedules de Carelia de bajo crecimiento.
DEFINICIÓN
Lantano ubicado en el sexto período del grupo III del subgrupo principal (A) de la Tabla periódica.
pertenece a la familia F-elementos. Metal. Designación - La. Número de serie: 57. Masa atómica relativa: 138,906 uma. El lantano es un metal de tierras raras. Todos tienen una estructura similar, por lo que se dividen en un grupo separado de elementos llamado lantánidos.
Estructura electrónica del átomo de lantano.
El átomo de lantano consta de un núcleo cargado positivamente (+57), en cuyo interior se encuentran 57 protones y 82 neutrones, y 57 electrones se mueven en seis órbitas.
Figura 1. Estructura esquemática del átomo de lantano.
La distribución de electrones entre orbitales es la siguiente:
57La) 2) 8) 18) 18) 9) 2 ;
1s 2 2s 2 2pag 6 3s 2 3pag 6 3d 10 4s 2 4pag 6 4d 10 4F 0 5s 2 5pag 6 5d 1 6s 2 .
El nivel de energía exterior del átomo de lantano contiene 3 electrones, que son electrones de valencia. El diagrama de energía del estado fundamental toma la siguiente forma:
Los electrones de valencia de un átomo de lantano se pueden caracterizar mediante un conjunto de cuatro números cuánticos: norte(cuanto principal), yo(orbital), ml(magnético) y s(girar):
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Subnivel |
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Ejemplos de resolución de problemas
EJEMPLO 1
Lo más significativo del elemento 57, por supuesto, es que encabeza una línea de 14 lantánidos, elementos con propiedades extremadamente similares. El lantano y los lantánidos siempre están juntos: en los minerales, en nuestra opinión, en los metales. En la Exposición Mundial de París de 1900, se demostraron por primera vez muestras de algunos que se creía que eran lantánidos puros. Pero no hay duda de que cada muestra, independientemente de la etiqueta, contenía lantano, cerio, neodimio y praseodimio, y los lantánidos más raros: tulio, holmio y lutecio. El más raro, excepto el elemento "extinto" y recreado en reacciones nucleares No. 61: el prometio. Sin embargo, si el prometio tuviera isótopos estables, también estaría presente en cualquier muestra de cualquier elemento de tierras raras.
Sólo en las últimas décadas el desarrollo de la ciencia y la tecnología ha alcanzado el nivel en el que la humanidad pudo aprovechar las cualidades individuales de cada (o casi cada) de los lantánidos, aunque, como antes, el mischmetal - “natural una aleación de lantano y lantánidos... Por lo tanto, sería lógico dedicar solo la mitad de esta historia directamente al elemento No. 57, y la otra mitad al "equipo" de tierras raras en su conjunto*. Por supuesto, cada uno de los lantánidos -como individuo químico- merece una historia independiente; aquí - sobre su "líder" y lo que tienen en común todos ellos.
* Además del lantano y los lantánidos, los elementos de tierras raras incluyen el escandio y el itrio.
Lantano sin lantánidos
Por muy triste que sea admitirlo, el héroe de nuestra historia es una persona completamente común y corriente. Se trata de un metal, de apariencia ordinaria (blanco plateado, cubierto con una película de óxido grisáceo) y de propiedades físicas: punto de fusión 920, punto de ebullición 3469 ° C; En términos de resistencia, dureza, conductividad eléctrica y otras características, el metal lantano siempre se encuentra en el medio de las tablas. El lantano también es común en las propiedades químicas. No cambia con el aire seco: la película de óxido protege de forma fiable contra la oxidación en la masa. Pero si el aire está húmedo (y en condiciones terrestres normales casi siempre está húmedo), el metal lantano se oxida gradualmente hasta formar hidróxido. La(OH) 3 es una base de resistencia media, lo que nuevamente es característico de un metal "promedio".
¿Qué más se puede decir sobre las propiedades químicas del lantano? En oxígeno, cuando se calienta a 450°C, arde con una llama brillante (y se libera bastante calor). Si se enciende en una atmósfera de nitrógeno, se forma nitruro negro. En el caso del cloro, el lantano se enciende a temperatura ambiente, pero reacciona con el bromo y el yodo sólo cuando se calienta. Se disuelve bien en ácidos minerales y no reacciona con soluciones alcalinas. En todos los compuestos, el lantano exhibe una valencia de 3+. En una palabra, un metal es como un metal, tanto en sus propiedades físicas como químicas.
Quizás la única característica distintiva del lantano sea la naturaleza de su interacción con el hidrógeno. La reacción entre ellos comienza a temperatura ambiente y continúa con la liberación de calor. Se forman hidruros de composición variable, ya que el lantano absorbe simultáneamente hidrógeno; cuanto más intensamente, mayor es la temperatura.
Los lantánidos también interactúan con el hidrógeno. Uno de ellos, el cerio, se utiliza incluso como absorbente de gas en la industria del vacío eléctrico y en la metalurgia.
Aquí llegamos a una de las partes importantes de nuestra historia, al tema "Lantano y cerio" y, en relación con él, a la historia del lantano.
En términos de prevalencia en la naturaleza, escala de producción y amplitud de uso, el lantano es inferior a su análogo más cercano: el primero de los lantánidos. “El ancestro” y siempre el segundo, tal es la posición del lantano en su familia. Y cuando los elementos de tierras raras comenzaron a dividirse en dos subgrupos en función de la totalidad de sus propiedades, el lantano se asignó a un subgrupo cuyo nombre se le dio en honor al cerio... Y el lantano se descubrió después del cerio, como una impureza del cerio, en el mineral cerita. Esta es la historia, la historia de profesores y estudiantes.
En 1803, el químico sueco Jene Jakob Berzelius, de 24 años, junto con su maestro Hisinger, investigaron el mineral que ahora se conoce como cerita. En este mineral se descubrió la tierra de itrio, descubierta por Gadolin en 1794, y otra tierra rara, muy similar al itrio. Se llamó cerio. Casi simultáneamente con Berzelius, el famoso químico alemán Martin Klaproth descubrió la tierra de cerio.
Berzelius volvió a trabajar con esta sustancia muchos años después, siendo ya un científico eminente. En 1826, Karl Mozander, estudiante, asistente y amigo cercano de Berzelius, examinó la tierra de cerio y concluyó que era heterogénea y que, además de cerio, contenía otro elemento, y quizás más de uno, nuevo. Pero para comprobar esta suposición se necesitaba mucha cerita. Mozander no logró demostrar la complejidad del cerio terrestre hasta 1839.
Curiosamente, un año antes, un estudiante Erdmann, desconocido entre los químicos, encontró un nuevo mineral en Noruega y lo llamó en honor a su maestro Mozander: mozanderita. De este mineral también se aislaron dos tierras raras, el cerio y la nova.
El nuevo elemento descubierto en la cerita y la mozanderita recibió el nombre de lantano por sugerencia de Berzelius. El nombre es una pista: proviene del griego λανθανειν - esconder, olvidar. ¡El lantano contenido en cerita se ocultó con éxito de los químicos durante 36 años!
Durante mucho tiempo se creyó que el lantano es divalente, que es un análogo del calcio y otros metales alcalinotérreos y que su peso atómico es 90...94. No hubo dudas sobre la exactitud de estas cifras hasta 1869. Mendeleev vio que no había lugar para las tierras raras en el grupo II de la tabla periódica y los colocó en el grupo III, asignando al lantano un peso atómico de 138...139. . Pero todavía había que demostrar la legalidad de tal medida. Mendeleev emprendió un estudio de la capacidad calorífica del lantano. El valor que obtuvo indicó directamente que este elemento debería ser trivalente...
El lantano metálico, por supuesto, lejos de ser puro, fue obtenido por primera vez por Mozander calentando cloruro de lantano con potasio.
Hoy en día se produce a escala industrial lantano con una pureza superior al 99%. Veamos cómo se hace esto, pero primero conozcamos los principales minerales del lantano y las primeras etapas del proceso más complejo de separación de elementos de tierras raras.
Ya se ha mencionado que en los minerales el lantano y los lantánidos invariablemente se acompañan. Hay minerales selectivos en los que la proporción de uno u otro elemento de tierras raras es mayor de lo habitual. Pero no existen minerales puramente de lantano o puramente de cerio, por no hablar de otros lantánidos. Un ejemplo de mineral de lantano selectivo es la davidita, que contiene hasta un 8,3% de La 2 O 3 y sólo un 1,3% de óxido de cerio. Pero el lantano se obtiene principalmente de la monacita y la bastnäsita, así como del cerio y todos los demás elementos del subgrupo del cerio.
La monacita es un mineral pesado y brillante, generalmente de color marrón amarillento, pero a veces de otros colores, ya que su composición no difiere en consistencia. Más exactamente, su composición se describe mediante esta extraña fórmula: (REE)PO 4. Quiere decir que la monacita es un fosfato de elementos de tierras raras (REE). Normalmente, la monacita contiene entre un 50...68% de óxidos REE y un 22...31,5% de P 2 O 5. También contiene hasta un 7% de dióxido de circonio, un 10% (en promedio) de dióxido de torio y un 0,1...0,3% de uranio. Estas cifras muestran claramente por qué los caminos de las industrias de tierras raras y nuclear están tan estrechamente entrelazados.
A finales del siglo pasado se empezó a utilizar una mezcla de metales de tierras raras (mischmetal) y una mezcla de sus óxidos, y a principios de este siglo se demostró un ejemplo destacado de robo internacional en relación con ellos. Los barcos alemanes que transportaban cargamentos a Brasil, preparándose para el viaje de regreso, llenaban sus bodegas con arena de las playas de la costa atlántica de este país y de ciertos lugares. Los capitanes afirmaron que la arena era simplemente lastre necesario para una mayor estabilidad del barco. En realidad, ellos, cumpliendo las órdenes de los industriales alemanes, robaron valiosas materias primas minerales: las arenas costeras del estado de Espíritu Santo, ricas en monacita...
Los placeres de monacita son comunes a lo largo de las orillas de ríos, lagos y mares de todos los continentes. A principios de siglo (datos de 1909), el 92% de la producción mundial de materias primas de tierras raras, y principalmente monacita, procedía de Brasil. Diez años después, el centro de gravedad se movió miles de kilómetros hacia el este (u oeste, según cómo se cuente), hacia la India. Después de 1950, debido al desarrollo de la industria nuclear, Estados Unidos se convirtió en el país hegemónico entre los países capitalistas en la extracción y procesamiento de materias primas de tierras raras.
Por supuesto, nuestro país y otros países de la comunidad socialista tuvieron que desarrollar su industria de tierras raras y encontrar sus materias primas.
Tracemos en términos generales el camino desde la arena de monacita hasta el lantano.
Aunque la arena se llama arena de monacita, no contiene mucha monacita: una fracción de un porcentaje. Por ejemplo, en los famosos placeres de monacita de Idaho (EE. UU.), una tonelada de arena contiene sólo 330 g de monacita. Por tanto, en primer lugar se obtiene el concentrado de monacita.
La primera etapa de concentración se produce ya en la draga. La densidad de la monacita es de 4,9...5,3 y la de la arena ordinaria es de 2,7 g/cm3 de media. Con tal diferencia de peso, la separación gravitacional no es particularmente difícil. Pero además de la monacita, las mismas arenas contienen otros minerales pesados. Por tanto, para obtener concentrado de monacita con una pureza del 92...96%, se utiliza un complejo de métodos de enriquecimiento gravitacional, magnético y electrostático. Como resultado, en el camino se obtienen ilmenita, rutilo, circón y otros concentrados valiosos.
Como cualquier mineral, la monacita debe “abrirse”. Muy a menudo, el concentrado de monacita se trata con ácido sulfúrico concentrado*. Los sulfatos resultantes de tierras raras y torio se lixivian con agua corriente. Después de disolverse, la sílice y la parte de circón que no se separó en las etapas anteriores permanecen en el sedimento.
* También es común el método alcalino para abrir la monacita.
En la siguiente etapa de separación, se extrae el mesotorio de vida corta (radio-228) y luego el torio mismo, a veces junto con el cerio, a veces por separado. La separación del cerio del lantano y una mezcla de lantánidos no es particularmente difícil: a diferencia de ellos, es capaz de exhibir valencia 4+ y precipitar en forma de hidróxido Ce(OH) 4, mientras que sus análogos trivalentes permanecen en solución. Solo notemos que la operación de separación de cerio, como las anteriores, se lleva a cabo muchas veces, para "exprimir" el costoso concentrado de tierras raras de la manera más completa posible.
Después de aislar el cerio, la solución contiene la mayor cantidad de lantano (en forma de nitrato de La(NO 3) 3, ya que en una de las etapas intermedias el ácido sulfúrico fue reemplazado por ácido nítrico para facilitar una mayor separación). El lantano se obtiene a partir de esta solución añadiendo amoníaco, nitratos de amonio y cadmio. En presencia de Cd(NO 3) 2 la separación es más completa. Con la ayuda de estas sustancias, todos los lantánidos precipitan, dejando solo cadmio y lantano en el filtrado. El cadmio se precipita con sulfuro de hidrógeno, el precipitado se separa y la solución de nitrato de lantano se purifica varias veces más mediante cristalización fraccionada para eliminar las impurezas de los lantánidos.
El resultado final suele ser cloruro de lantano LaCl 3 . La electrólisis del cloruro fundido produce lantano con una pureza de hasta el 99,5%. Se obtiene lantano aún más puro (99,79% y más) mediante el método térmico de calcio. Esta es la tecnología tradicional clásica.
Como puedes ver, obtener lantano elemental es un asunto complejo.
La separación de los lantánidos, del praseodimio al lutecio, requiere aún más esfuerzo, dinero y, por supuesto, tiempo. Por eso, en las últimas décadas, químicos y tecnólogos de muchos países del mundo han buscado crear métodos nuevos y más avanzados para separar estos elementos. Estos métodos (extracción e intercambio iónico) se crearon e introdujeron en la industria. Ya a principios de los años 60, en instalaciones que funcionaban según el principio de intercambio iónico, se lograba un rendimiento del 95% de productos de tierras raras con una pureza de hasta el 99,9%.
En 1965, las organizaciones de comercio exterior de nuestro país podían ofrecer a los compradores todos los lantánidos en forma de metales con una pureza superior al 99%. Además del prometio, por supuesto, aunque también se han vuelto bastante accesibles los preparados radiactivos de este elemento, producto de la desintegración nuclear del uranio.
Los catálogos de Techsnabexport también incluyen alrededor de 300 compuestos de lantano y lantánidos químicamente puros y de alta pureza. Esto es una prueba del alto nivel de desarrollo de la industria soviética de tierras raras.
Pero volvamos al lantano.
Brevemente sobre el uso de lantano y sus compuestos.
El lantano puro casi nunca se utiliza como metal de aleación; se utiliza cerio o metal misch, más barato y accesible; el efecto de aleación del lantano y los lantánidos es casi el mismo.
Se mencionó anteriormente que a veces el lantano se extrae de una mezcla mediante extracción, utilizando la diferente solubilidad de ciertos compuestos (principalmente complejos) de elementos de tierras raras en solventes orgánicos. Pero sucede que el propio elemento nº 57 se utiliza como extractante. El lantano fundido se utiliza para extraer plutonio del uranio líquido. He aquí otro punto de contacto entre las industrias nuclear y de tierras raras.
El óxido de lantano La 2 O 3 se utiliza mucho más ampliamente. Este polvo blanco amorfo, insoluble en agua pero soluble en ácidos, se convirtió en un componente importante de los vidrios ópticos. Las lentes fotográficas de la famosa empresa Kodak contienen entre un 20 y un 40% de La 2 O 3. Gracias a los aditivos de lantano, fue posible reducir el tamaño de la lente con la misma relación de apertura y mejorar enormemente la calidad de la fotografía en color. Se sabe que durante la Segunda Guerra Mundial se utilizaron vasos de lantano en instrumentos ópticos de campo. Las mejores lentes fotográficas nacionales, por ejemplo "Industar-61LZ", también están hechas de vidrio de lantano, y una de nuestras mejores cámaras de película para aficionados se llama "Lanthan"... Recientemente, el vidrio de lantano también se utiliza en la fabricación de cristalería de laboratorio. . El óxido de lantano confiere al vidrio no sólo valiosas propiedades ópticas, sino también una mayor resistencia al calor y a los ácidos.
Esto es, quizás, todo lo principal que se puede decir sobre el lantano sin lantánidos, aunque en algunos lugares era imposible no desviarse del principio "sin"...
Lantan y su equipo
Comparar el lantano y los lantánidos con un equipo deportivo puede parecer descabellado para algunos. Sin embargo, esta comparación no es más sediciosa que definiciones tan conocidas como “familia de los lantánidos” o “gemelos químicos”. Juzgue usted mismo: Lantan y su equipo tienen un solo uniforme (blanco plateado) y, al igual que los jugadores de hockey, todos tienen equipo de protección (hecho de películas de óxido). Todos ellos están dotados por naturaleza de cantidades aproximadamente iguales (las similitudes son extremadamente grandes), pero, como en los deportes, por diversas razones, las "habilidades" no se realizan en la misma medida: algunos "juegan" mejor, otros peor. Y, por supuesto, cada miembro de este equipo tiene sus “fintas” y “técnicas” favoritas: el ferromagnetismo con gadolinio, por ejemplo.
Y en términos de propiedades químicas, los lantánidos todavía no son gemelos; de lo contrario, no habría sido posible separarlos. Como buen equipo deportivo, están unidos en lo principal e individuales en lo particular. En cuanto al número de participantes, diferentes juegos tienen diferente número de jugadores, 14 está dentro del rango normal...
Es cierto que hubo un momento en que se recomendaron casi cincuenta candidatos para este "equipo". El número de elementos descubiertos similares al lantano creció a una velocidad catastrófica. Compilado por el profesor N.A. La lista de Figurov de elementos descubiertos falsamente contiene la mayor cantidad de lantánidos falsos. Incluso los grandes científicos no evitaron errores: Mozander, Lecoq de Boisbaudran, Auer von Welsbach, Crookes, Urbain.
Las propiedades no periódicas del lantano y su equipo, al salirse de la estricta secuencia del sistema periódico, causaron problemas a Mendeleev. Pero con el tiempo todo se solucionó. Boguslav Franzevich Brauner, profesor de la Universidad de Praga, fue el primero en proponer mover los lantánidos fuera de la parte principal de la mesa.
“Hay que ser un experto en “tierras raras” como B.F. Brauner, para comprender este tema complejo, difícil y aún difícilmente terminado, en el que la verificación se complica no sólo por la originalidad y similitud de muchas relaciones iniciales, sino también por las dificultades para obtener el material natural mismo”, escribió Mendeleev en 1902.
“En cuanto a la sistemática de las tierras raras y su lugar en la tabla periódica, actualmente podemos suponer con confianza que el escandio, el itrio y el lantano se encuentran en las filas pares del grupo III, como se desprende de sus pesos atómicos y el volumen de sus óxidos... Otros elementos de tierras raras probablemente forman un grupo o nodo interperiódico en el sistema, donde se suceden entre sí en pesos atómicos”. Estas son las palabras de Brauner en el artículo "Elementos de tierras raras", escrito para la penúltima edición (1903) de los "Fundamentos de la química" de Mendeleev.
Finalmente fue posible desentrañar el "nudo del sistema" sólo después de que la tabla periódica se basara en un criterio nuevo y físicamente más preciso: la carga del núcleo atómico. Entonces quedó claro que entre el lantano y el tantalio solo cabían 15 elementos, y este último debería ser un análogo del circonio. Este elemento, el hafnio, fue descubierto por Coster y Hevosi en 1923.
El último lantánido (por número atómico), el lutecio, se descubrió antes, en 1907.
Es natural buscar las razones de las propiedades comunes del lantano y los lantánidos en la estructura de las capas electrónicas de sus átomos.
Según las leyes de la mecánica cuántica, los electrones no pueden girar alrededor de núcleos en ninguna órbita. Parecen estar distribuidos en capas: conchas. La capacidad de estas capas, el número máximo de electrones en ellas, está determinada por la fórmula norte mi = 2norte 2 donde norte mi– número de electrones, a norte– número de caparazón, contando desde el núcleo. De ello se deduce que la primera capa puede tener sólo dos electrones, la segunda ocho, la tercera dieciocho, la cuarta treinta y dos, etc.
Ya en el cuarto período de la tabla periódica, empezando por el escandio, los electrones "secuenciales" no caen en la cuarta capa exterior, sino en la anterior. Esta es la razón por la que la diferencia en las propiedades de los elementos con números atómicos de 12 a 30 no es tan dramática como la de los elementos más ligeros. Un panorama similar se observa en el quinto período. Y aquí, comenzando con el itrio, nuevos electrones llenan no la quinta, sino la penúltima cuarta capa: se forma otra fila de los llamados metales de transición.
Arroz. 3. Curva de volumen atómico de elementos de tierras raras. Tiene dos máximos formados por elementos que exhiben valencia 2+; por el contrario, los elementos que pueden ser tetravalentes tienen volúmenes atómicos mínimos
Trasladando esta analogía al sexto período, sería lógico suponer que, comenzando con el lantano (es un análogo del escandio y el itrio), aquí sucederá lo mismo. Los electrones, sin embargo, independientemente de nuestra lógica, aquí no llenan la penúltima capa, sino la tercera desde el exterior, ya que en ella hay vacantes. Según la fórmula norte mi = 2norte 2, esta capa, la cuarta desde el núcleo, puede tener 32 electrones. Con raras excepciones, aquí es donde terminan los “nuevos” electrones de los siguientes lantánidos. Y dado que las propiedades químicas de un elemento están determinadas principalmente por la estructura de las capas electrónicas externas, las propiedades de los lantánidos resultan ser incluso más cercanas que las propiedades de los metales de transición.
Como corresponde a los elementos del grupo III, los lantánidos suelen ser trivalentes. Pero algunos de ellos pueden presentar una valencia diferente: cerio, praseodimio y terbio - 4+; samario, europio e iterbio – 2+.
Las valencias anómalas de los lantánidos fueron estudiadas y explicadas por el químico alemán Wilhelm Klemm. Utilizando espectros de rayos X, determinó los principales parámetros de sus cristales y volúmenes atómicos. La curva de volumen atómico muestra máximos claramente pronunciados (europio, iterbio) y mínimos menos pronunciados (cerio, terbio). El praseodimio y el samario también salen, aunque no tanto, de la serie definida por una curva suavemente descendente. Por lo tanto, el primero "gravita" hacia el cerio y el terbio de bajo volumen, y el segundo, hacia el europio y el iterbio de gran tamaño. Los elementos con mayores volúmenes atómicos retienen los electrones con mayor fuerza y, por lo tanto, son solo trivalentes o incluso divalentes. En los átomos de "bajo volumen", por el contrario, uno de los electrones "internos" no está estrechamente encerrado en la capa; por lo tanto, los átomos de cerio, praseodimio y terbio pueden ser tetravalentes.
Los trabajos de Klemm también proporcionan una base física para la división establecida desde hace mucho tiempo de las tierras raras en dos subgrupos: cerio e itrio. El primero incluye lantano y lantánidos desde cerio hasta gadolinio, el segundo incluye itrio y lantánidos desde terbio hasta lutecio. La diferencia entre los elementos de estos dos grupos es la dirección de los espines de los electrones que llenan la cuarta capa, la principal de los lantánidos.
Los espines -el momento angular propio de los electrones- tienen el mismo signo para los primeros; en este último, la mitad de los electrones tienen espines de un signo y la otra mitad tienen espines de otro.
Pero ya basta de anomalías que sólo pueden explicarse mediante la mecánica cuántica, volvamos a los patrones.
Cuando se trata de lantánidos, los patrones también parecen a veces ilógicos. Un ejemplo de esto es la compresión de lantánidos.
La compresión de lantánidos es el nombre que recibe la disminución natural del tamaño del ion trivalente de las tierras raras, descubierta por el geoquímico noruego Goldschmidt, del lantano al lutecio. Parecería que todo debería ser al revés: en el núcleo de un átomo de cerio hay un protón más que en el núcleo de un átomo de lantano; el núcleo de praseodimio es más grande que el núcleo de cerio, y así sucesivamente. En consecuencia, aumenta el número de electrones que giran alrededor del núcleo. Y si imaginamos el átomo como se suele dibujar en los diagramas: como un pequeño disco rodeado por órbitas alargadas de electrones invisibles, órbitas de diferentes tamaños, entonces, obviamente, la ganancia de electrones debería aumentar el tamaño del átomo en su conjunto. . O, si descartamos los electrones externos, cuyo número puede no ser el mismo, debería observarse el mismo patrón en los tamaños de los iones trivalentes de lantano y su equipo.
La verdadera situación se ilustra mediante el diagrama de compresión de los lantánidos. El radio del ion lantano trivalente es de 1,22 Å, y el mismo ion lutecio es de sólo 0,99 Å. No todo es lógico, sino todo lo contrario. Sin embargo, llegar al fondo del significado físico del fenómeno de la compresión de los lantánidos no es difícil, incluso sin mecánica cuántica, basta recordar las leyes básicas del electromagnetismo.
La carga del núcleo y el número de electrones a su alrededor crecen en paralelo. La fuerza de atracción entre cargas diferentes también aumenta; un núcleo más pesado atrae más fuertemente a los electrones y acorta sus órbitas. Y dado que las órbitas profundas de los átomos de lantánidos están más saturadas de electrones, la atracción eléctrica tiene un efecto aún más fuerte.
La proximidad de los radios iónicos y las propiedades químicas comunes son las principales razones de la presencia conjunta de lantánidos en los minerales.
Acerca de los minerales de tierras raras
El principal, la monacita, se describe arriba. El segundo mineral de tierras raras más importante, la bastnäsita, es similar en muchos aspectos. La bastnasita también es pesada, brillante y de color no constante (normalmente de color amarillo claro). Pero químicamente se parece a la monacita sólo por su alto contenido en lantano y lantánidos. Si la monacita es un fosfato, entonces la bastnäsita es un fluorocarbonato de tierras raras, su composición suele escribirse de la siguiente manera: (La, Ce)FCO 3. Pero, como suele ocurrir, la fórmula de un mineral no refleja plenamente su composición. En este caso, indica solo los componentes principales: la bastnasita contiene 36,9...40,5% de óxido de cerio y casi la misma cantidad (en total) de óxidos de lantano, praseodimio y neodimio. Pero, por supuesto, también contiene otros lantánidos.
Además de la bastnäsita y la monacita, en la práctica se utilizan otros minerales de tierras raras, aunque de forma limitada, en particular la gadolinita, que contiene hasta un 32% de óxidos de tierras raras del subgrupo del cerio y un 22...50% de itrio. En algunos países, los metales de tierras raras se extraen mediante un complejo procesamiento de loparita y apatita.
Arroz. 4. Contenido relativo de lantánidos en la corteza terrestre. Patrón: Los números pares son más comunes que los impares.
En total, se conocen unos 70 minerales de tierras raras propiamente dichos y unos 200 minerales más en los que estos elementos están incluidos como impurezas. Esto indica que, después de todo, las tierras “raras” no lo son tanto, y que este antiguo nombre común para el escandio, el itrio y el lantano con lantánidos no es más que un homenaje al pasado. No son raros: hay más cerio en la Tierra que plomo, y las tierras raras más raras están mucho más extendidas en la corteza terrestre que el mercurio. Se trata de la dispersión de estos elementos y de la dificultad de separarlos unos de otros. Pero, por supuesto, los lantánidos no se distribuyen por igual en la naturaleza. Los elementos con números atómicos pares son mucho más comunes que sus vecinos impares. Esta circunstancia, naturalmente, afecta la escala de producción y los precios de los metales de tierras raras. Los lantánidos más difíciles de obtener (terbio, tulio, lutecio (tenga en cuenta que todos son lantánidos con números atómicos impares)) son más caros que el oro y el platino. Y el precio del cerio con una pureza superior al 99% es de sólo 55 rublos el kilogramo (datos de 1970). A modo de comparación, señalamos que un kilogramo de mischmetal cuesta 6...7 rublos, y el ferrocerio (10% hierro, 90% elementos de tierras raras, principalmente cerio) cuesta sólo cinco. La escala de uso de las tierras raras suele ser proporcional a los precios...
Lantánidos en la práctica
En el otoño de 1970, el Consejo Científico del Instituto de Mineralogía, Geoquímica y Química Cristalina de Elementos Raros de la Academia de Ciencias de la URSS celebró una reunión ampliada con una agenda bastante inusual. Se discutieron las posibilidades de las tierras raras "a la luz de los problemas agrícolas".
La cuestión de la influencia de estos elementos en los organismos vivos no surgió por casualidad. Por un lado, se sabe que las tierras raras se incluyen a menudo como mezcla en la composición de los minerales más importantes para la agroquímica: las fosforitas y la apatita. Por otro lado, se han identificado plantas que pueden servir como indicadores bioquímicos del lantano y sus análogos. Por ejemplo, la ceniza de las hojas de nogal del sur contiene hasta un 2,5% de elementos de tierras raras. También se encontraron concentraciones elevadas de estos elementos en la remolacha azucarera y en el altramuz. El contenido de tierras raras en el suelo de la tundra alcanza casi el 0,5%.
Es poco probable que estos elementos comunes no influyeran en el desarrollo de las plantas, y quizás de los organismos en otros niveles de la escala evolutiva. A mediados de los años 30, el científico soviético A.A. Drobkov estudió la influencia de las tierras raras en varias plantas. Experimentó con guisantes, nabos y otros cultivos, introduciendo tierras raras con o sin boro y manganeso. Los resultados de los experimentos dijeron que las tierras raras son necesarias para el desarrollo normal de las plantas... Pero pasó un cuarto de siglo antes de que estos elementos se volvieran relativamente accesibles. Aún no se ha dado una respuesta definitiva a la pregunta sobre el papel biológico del lantano y su equipo.
En este sentido, los metalúrgicos están muy por delante de los agroquímicos. Uno de los acontecimientos más significativos de las últimas décadas en la metalurgia ferrosa está asociado al lantano y su equipo.
El hierro dúctil se obtenía habitualmente modificándolo con magnesio. El significado físico de este aditivo quedará claro si recordamos que el hierro fundido contiene entre un 2 y un 4,5% de carbono en forma de grafito en escamas, lo que le da al hierro fundido su principal desventaja técnica: la fragilidad. La adición de magnesio hace que el grafito se transforme en una forma esférica o globular distribuida más uniformemente en el metal. De este modo se mejora considerablemente la estructura y, por tanto, las propiedades mecánicas del hierro fundido. Sin embargo, la aleación de hierro fundido con magnesio requiere costes adicionales: la reacción es muy violenta, el metal fundido salpica en todas direcciones y, por lo tanto, fue necesario construir cámaras especiales para este proceso.
Los metales de tierras raras actúan sobre el hierro fundido de manera similar: "eliminan" las impurezas de óxido, unen y eliminan el azufre y promueven la transición del grafito a una forma globular. Y al mismo tiempo no requieren cámaras especiales: la reacción se desarrolla con calma. ¿Y el resultado?
Por cada tonelada de hierro fundido se añaden sólo 4 kg (0,4%) de aleación de ferrocerio y magnesio, ¡y la resistencia del hierro fundido se duplica! En muchos casos, este tipo de hierro fundido se puede utilizar en lugar de acero, en particular en la fabricación de cigüeñales. El hierro fundido de alta resistencia no sólo es entre un 20 y un 25 % más barato que las piezas fundidas de acero y entre 3 y 4 veces más barato que las piezas forjadas de acero. La resistencia a la abrasión de los muñones de eje de hierro fundido resultó ser 2...3 veces mayor que la de los de acero. Los cigüeñales de hierro dúctil ya se utilizan en locomotoras diésel y otra maquinaria pesada.
También se añaden elementos de tierras raras (en forma de mischmetal y ferrocerio) a diferentes grados de acero. En todos los casos, este aditivo actúa como un fuerte desoxidante, un excelente desgasificador y desulfatante. En algunos casos, las tierras raras son aleados... acero aleado. Los aceros al cromo-níquel son difíciles de laminar: solo un 0,03% de metal mezclado introducido en dicho acero aumenta considerablemente su ductilidad. Esto facilita el laminado, la forja y el corte de metales.
También se introducen elementos de tierras raras en la composición de las aleaciones ligeras. Se conoce, por ejemplo, una aleación de aluminio resistente al calor con un 11% de metal misch. Las adiciones de lantano, cerio, neodimio y praseodimio permitieron aumentar más de tres veces la temperatura de reblandecimiento de las aleaciones de magnesio y al mismo tiempo aumentar su resistencia a la corrosión. Posteriormente, las aleaciones de magnesio con elementos de tierras raras comenzaron a utilizarse para la fabricación de piezas de aviones supersónicos y carcasas de satélites terrestres artificiales.
Los aditivos de tierras raras mejoran las propiedades de otros metales importantes: cobre, cromo, vanadio, titanio... No es sorprendente que los metalúrgicos utilicen cada año más metales de tierras raras.
El lantano y sus análogos han encontrado aplicación en otras áreas de la tecnología moderna. En las industrias química y petrolera, ellos (y sus compuestos) actúan como catalizadores eficaces, en la industria del vidrio, como colorantes y sustancias que confieren propiedades específicas al vidrio. El uso de lantánidos en la tecnología nuclear e industrias relacionadas es variado. Pero hablaremos de esto más adelante, en las secciones dedicadas a cada uno de los lantánidos. Señalemos sólo que incluso el prometio creado artificialmente ha encontrado aplicación: la energía de desintegración del prometio-147 se utiliza en baterías eléctricas atómicas. En una palabra, la época del desempleo de las tierras raras terminó hace mucho tiempo y de forma irrevocable.
Sin embargo, no se debe suponer que todos los problemas asociados con el “nodo” de la tabla periódica ya se han resuelto. Hoy en día, son especialmente relevantes las palabras de Dmitry Ivanovich Mendeleev sobre las “tierras raras”: “Aquí se han acumulado muchas cosas nuevas en los últimos años”... Sin embargo, sólo los aficionados pueden suponer que todo y todos son conocidos, que las tierras raras El tema se ha agotado. Los expertos, por el contrario, confían en que el conocimiento del lantano y su equipo apenas está comenzando, que estos elementos sorprenderán al mundo científico más de una vez. O tal vez – no sólo científica.
Veneno para reactores
El lantano natural se compone de dos isótopos con números de masa 138 y 139, y el primero (su proporción es sólo del 0,089%) es radiactivo. Se desintegra por captura de K con una vida media de 3,2·10 11 años. El isótopo lantano-139 es estable. Por cierto, se forma en los reactores nucleares durante la desintegración del uranio (6,3% de la masa de todos los fragmentos). Este isótopo se considera un veneno para reactores, ya que captura de forma bastante activa neutrones térmicos, lo que también es típico de los lantánidos. De los isótopos artificiales del lantano, el más interesante es el lantano-140 con una vida media de 40,22 horas. Este isótopo se utiliza como trazador radiactivo en el estudio de los procesos de separación del lantano y los lantánidos.
¿Cuál de los tres?
Los elementos que siguen al lantano se denominan tierras raras, lantánidos o lantánidos. ¿Cuál de estos nombres está más justificado? El término “tierras raras” apareció en el siglo XVIII. Ahora se clasifica en los óxidos de escandio, itrio, lantano y sus análogos; Inicialmente, este término tenía un significado más amplio. "Tierras" generalmente significaba todos los óxidos metálicos refractarios. Esto es cierto para elementos con números atómicos de 57 a 71: el punto de fusión del La 2 O 3 es de aproximadamente 2600°C. En su forma pura, muchas de estas “tierras” son raras hasta el día de hoy. Pero ya no es necesario hablar de la rareza de las tierras raras en la corteza terrestre...
El término "lantánidos" se introdujo para mostrar que los siguientes catorce elementos vienen después del lantano. Pero luego, con igual éxito, el flúor se puede llamar oxigenuro (u óxido), sigue al oxígeno y al cloro, un sulfuro... Pero la química lleva mucho tiempo invirtiendo en los conceptos de "sulfuro", "fosfuro", "hidruro". ”, cloruro”, etc., con diferentes significados. Por lo tanto, la mayoría de los científicos consideran que el término "lantánidos" no tiene éxito y lo utilizan cada vez menos.
Los "lantánoides" están más justificados. La terminación "oid" indica similitud. "Lantánidos" significa "parecidos al lantano". Aparentemente, este término debería usarse para designar 14 elementos, análogos del lantano.
"Nueva historia"
En la historia del lantano y los lantánidos se pueden distinguir dos períodos de tiempo, especialmente ricos en descubrimientos y disputas. El primero de ellos se remonta a finales del siglo XIX, cuando los lantánidos fueron descubiertos y “cerrados” con tanta frecuencia que al final ni siquiera resultó interesante... El segundo período turbulento es el de los años 50 del siglo XX, cuando El desarrollo de la tecnología atómica ayudó a obtener grandes cantidades de materias primas de tierras raras y estimuló nuevas investigaciones en esta área. Fue entonces cuando surgió una tendencia a obtener y utilizar elementos de tierras raras no en mezcla, sino cada uno por separado, utilizando sus propiedades específicas. No es casualidad que en 15 años (de 1944 a 1958) el número de publicaciones científicas dedicadas a los lantánidos se haya multiplicado por 7,6, y para algunos elementos individuales incluso más: para el holmio, por ejemplo, en 24, y para el tulio, en 45. ¡veces!
Disfrazado de almidón
Uno de los compuestos de lantano, su acetato básico, se comporta como almidón cuando se le añade yodo. El gel blanco adquiere un color azul brillante. Los analistas a veces utilizan esta propiedad para descubrir el lantano en mezclas y soluciones.
Bivalente solo formalmente
Se ha establecido que en todos los compuestos el lantano tiene la misma valencia: 3+. Pero ¿cómo podemos entonces explicar la existencia del dihidruro gris-negro LaH 2 y del sulfuro amarillo LaS? Se ha establecido que LaH 2 es un producto intermedio relativamente estable de la formación de LaH 3 y que el lantano es trivalente en ambos hidruros. La molécula de dihidruro contiene un enlace metálico La-La. Con el sulfuro todo se explica aún más sencillo. Esta sustancia tiene una alta conductividad eléctrica, lo que sugiere la presencia de iones La 3+ y electrones libres en ella. Por cierto, el LaH 2 también conduce bien la corriente, mientras que el LaH 3 es un semiconductor.
Lantano - 57
Lantano (La) metal de tierras raras, número atómico 57, masa atómica 138,91, punto de fusión 920°C y densidad 6,16 g/cm3.
Durante mucho tiempo no pudieron abrirlo, de ahí su nombre (“lantan”, en griego “me escondo”). Durante mucho tiempo, el lantano fue difícil de obtener en el laboratorio y, sobre todo, en la industria. En su forma pura, él y sus compuestos no se obtuvieron hasta 1903, mediante cromatografía. Primero se aislaron las sales de lantano y luego el lantano mismo, en su forma pura. El lantano metálico es muy similar al calcio metálico. Su dureza es comparable a la del estaño, descompone el agua, reacciona con ácidos y, cuando se calienta, con cloro y azufre. Al aire libre y seco se oxida y una fina película de óxido protege el cuerpo metálico de la oxidación.
OBTENCIÓN DE LANTANO.
metal de tierras raras - LANTANO
En la naturaleza, el lantano se encuentra principalmente en minerales llamados monacita y bastnäsita. También está presente en los minerales loparita y apatita. Estos mismos minerales también contienen otros metales de tierras raras, lo que dificulta aislar el lantano en su forma pura. En la industria, el lantano se produce como producto comercial con una pureza de hasta el 99%, que luego se lleva a una pureza superior.
La monacita es un mineral pesado que se encuentra en la naturaleza en varios colores debido a su composición química variable. Contiene hasta un 68% de óxidos de diversos metales de tierras raras, hasta un 7% de circonio, hasta un 10% de dióxido de torio y fracciones de un porcentaje de uranio. La monacita, generalmente en forma de placeres, se encuentra en las orillas de mares, lagos y ríos de varios continentes. Después de extraer los minerales, es necesario obtener un concentrado con una pureza de hasta 92-96%. Para ello se utiliza un proceso de trituración gruesa, trituración fina y luego beneficio mediante métodos gravitacionales, magnéticos y electrostáticos. En este caso se obtienen otros concentrados (ilmenita, rutilo, circonio).
Luego, el concentrado de monacita resultante se trata con ácido sulfúrico (a veces con álcali). Los sulfatos de tierras raras resultantes se lixivian con agua, se disuelven y la sílice y parte del circón permanecen en el sedimento. En la siguiente etapa de procesamiento, se separan el radio 228 y el torio con cerio. Una vez separado el cerio, el lantano permanece en la solución en forma de cloruro de LaCl3. Luego se somete a electrólisis en la masa fundida, donde se libera con una pureza de hasta el 99,5%. Para obtener lantano más puro hasta un 99,8%, se utiliza un método de procesamiento calcetérmico. Existen otros métodos para separar metales de tierras raras: extracción e intercambio iónico, cuyo uso logra una pureza del lantano resultante de hasta el 99,9%.
Más recientemente, el lantano se obtuvo junto con el cerio. En esta mezcla estaban en una proporción de 1:1 y esta mezcla tenía propiedades pirofóricas, que se utilizaban en la producción de proyectiles trazadores. El lantano se puede obtener mediante la producción de superfosfatos y apatitas, cuyas reservas en nuestro país son inagotables.
APLICACIÓN DEL LANTANO.
Al crear nuevos materiales en el mundo moderno, es difícil sobreestimar la importancia de los metales de tierras raras, incluido el lantano.
Energía. La energía nuclear consume grandes cantidades de lantano como aditivo al combustible nuclear. También se utiliza para producir plutonio. La industria de la energía eólica utiliza potentes imanes fabricados con lantano para los generadores de turbinas eólicas.
Industria del aceite. El lantano se utiliza como catalizador en el proceso de craqueo del petróleo.
Fósforos. El lantano se utiliza en la producción de lámparas fluorescentes, en la producción de pantallas planas y monitores y en dispositivos de tubos de rayos catódicos. Actualmente, la producción de fósforo se está convirtiendo en la mayor industria del mundo para el consumo de metales de tierras raras y en particular de lantano, en forma de metales altamente purificados y compuestos complejos como LaCeT, LaP.
Electrónica. Producción de microchips y dispositivos de memoria para ordenadores, producción de pantallas LED.
Aleaciones y cerámicas. Para alear y refinar aleaciones en metalurgia, los llamados. metal misch (una aleación de cerio 45-50%, lantano 22-35%, neodimio 15-17% y otros metales de tierras raras con hierro hasta 5% y silicio 0,1-0,3%), un componente muy importante para la producción. de metales puros, como aleaciones para producir aleaciones resistentes al calor y a los productos químicos. Una mezcla de lantano y cerio introducida en los aceros al cromo-níquel aumenta significativamente su ductilidad, lo que facilita la laminación decenas de veces y reduce significativamente las pérdidas de metal. Es imposible obtener metales refractarios de alta pureza sin introducir en sus aleaciones lantano y su mezcla con cerio. Las adiciones de lantano y su mezcla con cerio al aluminio y al magnesio aumentan significativamente sus propiedades mecánicas y químicas. La producción de cerámica eléctrica y electrónica utilizando lantano se está convirtiendo en una industria importante en los mercados de los países industriales desarrollados.
Espacio y aviación. Producción de materiales estructurales para cascos de satélites y naves espaciales. Estos materiales pueden soportar enormes cargas, cambios de temperatura y presión. Para los motores de turbina de gas de los aviones se utilizan microaleaciones con aleaciones de tierras raras, que contienen lantano.
Industria automotriz Producción de catalizadores para combustible, creación de baterías de nueva generación, producción de motores para coches híbridos.
Láseres y optoelectrónica. Producción de lentes ópticas.
Otro. Creación de dispositivos de diagnóstico en medicina, creación de nuevos tipos de fertilizantes para la agricultura. Creación de filtros para industrias respetuosas con el medio ambiente.
Introducción
1. Recibo
2. Propiedades
3. Solicitud
4. Papel biológico
Conclusión
Introducción
El lantano, como elemento químico, no pudo descubrirse hasta pasados 36 años. En 1803, el químico sueco Jons Jakob Berzelius, de 24 años, investigó el mineral que ahora se conoce como cerita. En este mineral se descubrieron tierra de itrio y otra tierra rara muy similar al itrio. Se llamó cerio. En 1826, Karl Mozander examinó la tierra de cerio y concluyó que era heterogénea y que, además del cerio, contenía otro elemento nuevo. Mozander no logró demostrar la complejidad de la tierra de cerio hasta 1839. Pudo aislar un nuevo elemento cuando tuvo a su disposición una mayor cantidad de cerita.
1. Recibo
El lantano metálico, por supuesto, lejos de ser puro, fue obtenido por primera vez por Mozander calentando cloruro de lantano con potasio. Hoy en día se produce a escala industrial lantano con una pureza superior al 99%; principalmente de monacita y bastnasita, así como de cerio y todos los demás elementos del subgrupo del cerio.
La motzanita es un mineral pesado y brillante, generalmente de color marrón amarillento, pero a veces de otros colores, ya que su composición no difiere en consistencia. Más exactamente, su composición se describe mediante esta extraña fórmula: (REE)PO4: esto significa que la monacita es un fosfato de elementos de tierras raras (REE). Normalmente, la monalita contiene entre un 50 y un 68 % de óxidos REE y entre un 22 y un 31,5 % de P2O5. También contiene hasta un 7% de dióxido de circonio, un 10% (en promedio) de dióxido de torio y un 0,1-0,3% de uranio. Estas cifras muestran claramente por qué en nuestro tiempo los caminos de las industrias de tierras raras y nuclear están estrechamente entrelazados. Los placeres de monacita son comunes a lo largo de las orillas de ríos, lagos y mares de todos los continentes. A principios de siglo (datos de 1909), el 92% de la producción mundial de materias primas de tierras raras y principalmente monacita procedía de Brasil. Después de 1950, debido al desarrollo de la industria nuclear, Estados Unidos se convirtió en el país hegemónico entre los países capitalistas en la extracción y procesamiento de materias primas de tierras raras.
Para obtener concentrado de monacita con una pureza del 92 al 96%, se utiliza un complejo de métodos de enriquecimiento gravitacional, magnético y electrostático. Como resultado, en el camino se obtienen ilmenita, rutilo, circón y otros concentrados valiosos.
Como cualquier mineral, la monacita debe “abrirse”. Muy a menudo, el concentrado de monacita se trata para este propósito con ácido sulfúrico concentrado (el método alcalino para abrir la monacita también se ha generalizado). Los sulfatos resultantes de tierras raras y torio se lixivian con agua fría. Después de disolverse, la sílice y la parte de circón que no se separó en las etapas anteriores permanecen en el sedimento.
En la siguiente etapa, se separa el mesotorio de vida corta (radio - 228) y luego el torio mismo, a veces junto con el cerio, a veces por separado. Una vez aislado el cerio, la mayor parte de lo que queda en la solución es lantano, que normalmente se obtiene en forma de cloruro de LaCl3. La electrólisis del cloruro fundido produce lantano con una pureza de hasta el 99,5%. El lantano aún más puro (99,79% y más) se obtiene mediante el método térmico de calcio. Esta es una tecnología clásica y tradicional. Como puedes ver, obtener lantano elemental es un asunto complejo.
La separación de los lantánidos, del praseodimio al lutecio, requiere aún más esfuerzo, dinero y, por supuesto, tiempo. Por eso, en la última década, químicos y tecnólogos de muchos países del mundo han buscado crear métodos nuevos y más avanzados para separar estos elementos. Estos métodos (extracción e intercambio iónico) se crearon e introdujeron en la industria. Ya a principios de los años sesenta, en instalaciones que funcionaban según el principio de intercambio iónico, se lograba un rendimiento del 95% de productos de tierras raras con una pureza de hasta el 99,9%.
2. Propiedades
Propiedades físicas del lantano.
LANTANA (del griego lanthano - esconderse; lat. Lanthanum) La, químico. elemento III gr. periódico sistemas, número atómico 57, masa atómica 138,9055; Pertenece a elementos de tierras raras. El lantano natural se compone de dos isótopos 139La (99,911%) y 138La radiactivo (0,089%).
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Número atómico |
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Apariencia |
metal blando, maleable, dúctil, de color blanco plateado |
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Propiedades del átomo |
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Masa atómica (masa molar) |
138.9055a. em (g/mol) |
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Radio atómico |
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Energía de ionización (primer electrón) |
541,1 (5,61) kJ/mol (eV) |
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Configuración electrónica |
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Propiedades termodinámicas |
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Densidad |
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Calor especifico |
0,197 J/(K·mol) |
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Conductividad térmica |
13,4 W/(m·K) |
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Temperatura de fusión |
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Calor de fusión |
8,5 kJ/mol |
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temperatura de ebullición |
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Calor de vaporización |
402 kJ/mol |
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Volumen molar |
22,5 cm3/mol |
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Propiedades químicas |
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Radio covalente |
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Radio de iones |
101.(+3e) 6 p.m. |
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Electronegatividad |
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Potencial de electrodo |
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Estados de oxidación |
7, 6, 4, 3, 2, 0, -1 |
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celda de cristal |
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estructura reticular |
hexagonal |
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período de celosía |
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relación c/a |
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Temperatura de Debye |
Propiedades químicas
En términos de propiedades químicas, el lantano es común, pero extremadamente refractario. No cambia con el aire seco: la película de óxido protege de forma fiable contra la oxidación en la masa. Pero si el aire está húmedo (y en condiciones terrestres normales casi siempre está húmedo), el metal lantano se oxida gradualmente hasta formar hidróxido. En oxígeno, cuando se calienta a 450°C, arde con una llama brillante (y se libera bastante calor). Si se enciende en una atmósfera de nitrógeno, se forma nitruro negro. En el caso del cloro, el lantano se enciende a temperatura ambiente, pero reacciona con el bromo y el yodo sólo cuando se calienta. Se disuelve bien en ácidos minerales y no reacciona con soluciones alcalinas. En todos los compuestos, el lantano exhibe una valencia de 3+.
La reacción con hidrógeno y lantano comienza a temperatura ambiente y continúa con la liberación de calor. Se forman hidruros de composición variable, ya que el lantano absorbe simultáneamente hidrógeno; cuanto más intensamente, mayor es la temperatura.
3. Solicitud
producción de vidrio
El óxido de lantano (del 5 al 40%) se utiliza para fundir vidrio óptico (vidrio de lantano), para fabricar lentes y prismas utilizados en cine y equipos fotográficos, así como para fines astronómicos.
Producción de calentadores eléctricos cerámicos.
El cromito de lantano, aleado con calcio, estroncio y magnesio, se utiliza para la producción de calentadores de hornos de alta temperatura (punto de fusión Ї 2453 ° C, temperatura de funcionamiento: aproximadamente 1780 grados en una atmósfera de oxígeno). Al aumentar la temperatura, la resistencia eléctrica de la cromita de lantano disminuye drásticamente. El coeficiente de expansión térmica de la cromita de lantano es muy bajo y esto determina la durabilidad de los calentadores eléctricos.
Superconductividad de alta temperatura
El óxido de lantano se utiliza para la síntesis de superconductores de alta temperatura a base de óxidos de lantano, itrio, bario, estroncio, cobre, etc.
metalotermia
Ocasionalmente, el lantano se utiliza en metalotermia para la reducción de elementos raros.
Recubrimientos especiales de vidrio
A base de compuestos de lantano, se producen revestimientos para vidrios de ventanas que permiten reducir la temperatura ambiente entre 5 y 7 grados.
Materiales termoeléctricos
El monoteluro de lantano tiene una fem térmica muy alta (834 μV/K) y se utiliza en generadores termoeléctricos con alta eficiencia.
Producción de dispositivos de almacenamiento de hidrógeno de hidruro metálico.
El hidruro de lantano-níquel se utiliza ampliamente como batería de hidrógeno de alta capacidad (almacenamiento de hidrógeno en hidruro metálico) para automóviles.
Energía nuclear
El lantano, un metal de alta pureza, tiene una importancia absolutamente excepcional en la industria nuclear y, en particular, en la tecnología de reprocesamiento del combustible nuclear para extraer plutonio. El lantano fundido se mezcla con uranio metálico fundido que contiene plutonio metálico como impureza. El lantano fundido extrae completamente los isótopos de plutonio de la masa principal de uranio en la aleación y flota sobre el uranio sin mezclarse con él. La aleación resultante se drena y procesa mediante tecnología química. Se puede argumentar que el lantano apoya la producción de armas nucleares sobre sus hombros.
Electrónica
En los últimos años ha aumentado considerablemente el interés por el molibdato de lantano, que tiene una alta conductividad.
Microscopio de electrones
El uso de cátodos LaB 6 (hexaboruro de lantano) en microscopios electrónicos ha permitido aumentar la resolución aumentando 6 veces la densidad de corriente y al mismo tiempo aumentar 5 veces la vida útil del cátodo (hasta 500 horas) en comparación con los cátodos de tungsteno. .
Fuentes de corriente química
La producción y la investigación en el campo de las baterías de electrolitos sólidos son de considerable interés para la industria y la electrónica. En este campo, el fluoruro de lantano se ha vuelto muy importante como electrolito y con el lantano metálico como ánodo, el cátodo suele ser fluoruro de bismuto, plomo o cobre. El lado atractivo de estas fuentes actuales es su muy alta capacidad energética específica en volumen, su largo período de almacenamiento de energía, su resistencia y durabilidad; En este sentido, muchos expertos destacados las ven como una alternativa a cualquier otro tipo de baterías.
4. Papel biológico
cloruro de lantano metal químico
A mediados de los años 30, el científico soviético A. A. Drobkov estudió el efecto de los metales de tierras raras en varias plantas. Experimentó con guisantes, nabos y otros cultivos, introduciendo metales de tierras raras con o sin boro y manganeso. Los resultados experimentales mostraron que las tierras raras son necesarias para el desarrollo normal de las plantas. Pero pasó un cuarto de siglo antes de que estos elementos se volvieran relativamente accesibles. Aún no se ha dado la respuesta definitiva a la pregunta sobre el papel biológico del lantano.
En medicina, el carbonato de lantano se utiliza para la hiperfosfatemia como fármaco que previene la absorción de fosfatos de los alimentos.
Conclusión
En mi resumen, examiné las propiedades físicas y químicas del lantano, así como dónde se utiliza, en qué industrias y en medicina.
Bibliografía
1. Arefieva "Química ecológica", 2006.
2. Gelfman "Química", 2004.
3. Nekrasov "Química general", 2007.
4. Knyazev "Química inorgánica", 2004.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BD
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Propiedades físicas del peróxido de hidrógeno: un líquido transparente incoloro con un olor débil y peculiar. Obtención de una sustancia en condiciones de laboratorio e industriales. Propiedades reductoras y oxidativas del peróxido de hidrógeno, sus propiedades bactericidas.
presentación, añadido el 23/09/2014
Historia del descubrimiento del estroncio. Estar en la naturaleza. Preparación de estroncio por el método aluminotérmico y su almacenamiento. Propiedades físicas. Propiedades mecánicas. Características atómicas. Propiedades químicas. Propiedades tecnológicas. Áreas de uso.
resumen, añadido el 30/09/2008
Propiedades físicas y fisicoquímicas de las ferritas. Estructura de la espinela normal e inversa. Descripción general del método de sinterización y prensado en caliente. Cristales magnéticos con estructura hexagonal. Aplicación de ferritas en radioelectrónica y tecnología informática.
trabajo del curso, añadido el 12/12/2016
Cloruro de calcio: propiedades físicas y químicas. Aplicación y materias primas. Preparación de cloruro de calcio fundido a partir de líquido de destilería para la producción de refrescos. Preparación de cloruro e hidroxicloruro de calcio a partir de aguas madres. Calcio anhidro a partir de ácido clorhídrico.
