Лантаниды – определение, конфигурация, свойства

Лантаниды - это редкоземельные элементы современной периодической таблицы с атомными номерами от 58 до 71 после лантана. Редкоземельные металлы называются так потому, что эти элементы чрезвычайно редки (3×10 ^-4 % земной коры). В виде ортофосфатов лантаноидов они доступны в «монацитовом» песке.

Victor Goldschmidt, a Norwegian mineralogist, coined the name lanthanide in 1925. The lanthanide family is made up of fifteen metallic elements (ranging from lanthanum to lutetium), all of which are f-block elements except for one. 

These elements’ valence electrons are found in the 4f orbital. Lanthanum, on the other hand, is a d-block element with a [Xe] 5d¹ 6s² electronic configuration.

Лантаниды — чрезвычайно плотные элементы, плотность которых колеблется от 6,1 до 9,8 грамма на кубический сантиметр. Эти элементы, как и другие металлы, имеют чрезвычайно высокие температуры плавления (от 800 до 1600 градусов по Цельсию) и чрезвычайно высокие температуры кипения (от примерно 1200 до 3500 градусов по Цельсию). Известно, что лантаноиды образуют катионы Ln ³⁺ . Лантаниды — это чрезвычайно плотные металлы, температура плавления которых даже выше, чем у элементов d-блока. Они соединяются с другими металлами, образуя сплавы. Это элементы f-блока, часто называемые внутренними переходными металлами. Внутренние переходные элементы/ионы могут иметь электроны на s-, d- и f-орбиталях.

Электронная конфигурация

Лантаниды первого f-блока имеют терминальную электронную конфигурацию [Xe] 4f ^1-14 5d ^0-1 6s ² . Прометий (Pm) с атомным номером 61 является единственным синтетическим радиоактивным элементом среди четырнадцати лантаноидов. Поскольку энергии 4f- и 5d-электронов очень похожи, 5d-орбиталь остается незанятой, и электроны переходят на 4f-орбиталь.

Исключения: гадолиний, Gd (Z = 64), где электрон переходит на 5d-орбиталь из-за наличия наполовину заполненной d-орбитали, и лютеций (Z = 71), где электрон выходит на 5d-орбиталь из-за наличия полузаполненной d-орбитали.

Физические свойства

1. Поскольку плотность представляет собой отношение массы вещества к его объему, плотность элементов d-блока будет больше, чем плотность элементов s-блока.
2. Среди рядов внутренних переходов тренд плотности будет обратным атомным радиусам, т. е. плотность будет расти по мере увеличения атомного номера за период. Они имеют высокую плотность, которая колеблется от 6,77 до 9,74 г см ^-3 . Он возрастает по мере увеличения атомного номера.
3. Лантаноиды имеют относительно высокую температуру плавления, но в их температурах плавления и кипения нет заметной закономерности.
4. Магнитные свойства: материалы классифицируются как диамагнетики, если они отталкиваются магнитным полем, и парамагнетики, если они притягиваются им. Из-за неспаренных электронов на орбиталях атомы/ионы лантаноидов, отличные от f0 и f14, являются парамагнитными по своей природе. В результате Lu ³⁺ , Yb ²⁺ и Ce ⁴⁺ являются диамагнитными.

Свойства серии лантанидов

1. Если мы включим ряд лантаноидов и актиноидов в периодическую таблицу, таблица будет чрезмерно большой. Эти две серии расположены в нижней части периодической таблицы и известны как серия 4f (серия лантанодов) и серия 5f (серия актаноидов). Серии 4f и 5f называются внутренними переходными элементами.
2. По химическим и физическим свойствам все элементы ряда очень похожи на лантан и друг на друга.
3. Они имеют блестящий блеск и серебристый вид.
4. Поскольку это хрупкие металлы, их можно резать даже ножом.
5. В зависимости от своей основности элементы имеют различную реакцию. Некоторые люди реагируют быстро, в то время как другие не торопятся.
6. Если лантаноиды загрязнены другими металлами или неметаллами, они могут подвергнуться коррозии или стать хрупкими.
7. Все они в основном объединяются, образуя трехвалентное соединение. Они также могут объединяться с образованием двухвалентных или четырехвалентных соединений.
8. Они обладают магнитным притяжением.

Лантанидное сокращение

Из-за увеличения заряда ядра и поступления электронов на внутренние (n-2) f-орбитали атомный размер или ионный радиус три положительных ионов лантаноидов неуклонно уменьшается от La до Lu. Лантаноидное сокращение относится к неуклонному уменьшению размера с увеличением атомного номера. Его разветвления следующие:

1. Атомный размер: размер атома в третьем переходном ряду примерно идентичен размеру атома во втором переходном ряду. Например, радиус Zr равен радиусу Hf, а радиус Nb равен радиусу Ta и так далее.
2. Трудность разделения лантаноидов: поскольку ионные радиусы лантаноидов различаются незначительно, их химические характеристики сопоставимы. Это затрудняет разделение элементов в чистом состоянии.
3. Влияние размера лантанидов на основную силу гидроксида: по мере того, как размер лантанидов уменьшается от La до Lu, ковалентный характер гидроксидов повышается, и, следовательно, их основная сила уменьшается. В результате La(OH) ₃ является более основным, а Lu(OH) ₃ - наименее основным.
4. Комплексообразование: Тенденция к развитию координат из-за меньшего размера, но увеличенного заряда ядра. Сложность возрастает от La ³⁺ до Lu ³⁺ .
5. От La к Lu электроотрицательность увеличивается.
6. Энергия ионизации: поскольку заряд ядра гораздо сильнее притягивает электроны, энергия ионизации 5d-элементов намного выше, чем у 4d- и 3d-элементов. За исключением Pt и Au, все элементы 5d-ряда имеют заполненную s-оболочку. Элементы в диапазоне от гафния до рения имеют одинаковую энергию ионизации, и после того, как энергия ионизации увеличивается с количеством общих d-электронов, при этом иридий и золото имеют самую высокую энергию ионизации.
7. Комплексообразование: лантаниды со степенью окисления 3+ имеют большее отношение заряда к радиусу. Таким образом, способность лантаноидов образовывать комплексы снижена по сравнению с элементами d-блока. Тем не менее, они образуют соединения с сильными хелатирующими агентами, такими как ЭДТА, -дикетоны, оксим и так далее. Они не способны образовывать Р-комплексы.

Состояние окисления

Все элементы лантанидного ряда имеют степень окисления +3. Ранее считалось, что некоторые металлы (самарий, европий и иттербий) имеют степень окисления +2. Дальнейшее изучение этих металлов и их соединений показало, что все металлы-лантаноиды имеют степень окисления +2 в своих комплексах в растворе. Некоторые металлы класса лантанидов иногда проявляют степень окисления +4. Высокая стабильность пустых, наполовину или полностью заполненных f-подоболочек объясняется неравномерным распределением степеней окисления металлов. На степень окисления лантаноидов влияет стабильность f- подоболочки таким образом, что предпочтительна степень окисления +4 церия, поскольку он приобретает конфигурацию благородного газа, но он возвращается к степени окисления +3 и действует как сильный окислитель, способный даже окислять воду, хотя и медленно.

Степень окисления в водном растворе: Sm ²⁺ , Eu ²⁺ и Yb ²⁺ теряют электроны в водном растворе и окисляются, что делает их хорошими восстановителями. Ce ⁴⁺ , Pr ⁴⁺ и Tb ⁴⁺ , с другой стороны, приобретают электроны и являются хорошими окислителями. Только оксиды могут достигать более высоких степеней окисления (+4) элементов. В качестве примера рассмотрим элементы Pr, Nd, Tb и Dy.

Химическая реактивность

Реакционная способность всех лантаноидов одинакова, однако она больше, чем у переходных элементов. Это связано с тем, что внешние 5s-, 5p- и 5d-орбитали защищают неспаренные электроны от внутренней 4f-орбитали. За исключением СеО ₂ , который взаимодействует с водородом с образованием твердых гидридов при 300-400°С, оксиды М ₂ О ₃ легко тускнеют от кислорода. Вода разрушает гидриды. Нагрейте металл с галогеном или оксид с галогенидом аммония, чтобы получить галогениды. Фториды нерастворимы, а хлориды расплываются. Нитраты, ацетаты и сульфаты растворимы в воде, а карбонаты, фосфаты, хроматы и оксалаты — нет.

Формирование окрашенных ионов

Ионы лантаноидов, как и элементы d-блока, могут иметь электроны как на f-орбиталях, так и на пустых орбиталях. Когда частота света поглощается, свет передается как дополнительный цвет к поглощенной частоте. Ионы во внутренней переходной зоне могут поглощать видимую частоту и использовать ее для электронных переходов и видимого цвета. Цвет некоторых металлов-лантаноидов серебристо-белый. Ионы лантанидов со степенью окисления +3 окрашиваются как в твердых, так и в водных растворах.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое серия лантанидов? Сколько элементов в ряду лантанидов?

Отвечать:

The lanthanide series refers to a chemical element in row 6 between groups 3 and 4 of a periodic table. The lanthanide family consists of 15 chemical elements with atomic numbers ranging from 57 to 71.

Вопрос 2: Что такое лантанидное сокращение?

Отвечать:

Because of the growing nuclear charge and electrons entering the inner (n-2) f orbital, the ionic radii or atomic size of tripositive lanthanide ions decrease continuously from La to Lu. Lanthanides compress as their size gradually decreases with increasing atomic number.

Вопрос 3: Каковы керамические применения лантаноидов?

Отвечать:

Ce(III), Ce(IV) oxides are employed in glass polishing powders, whereas Nd and Pr oxides are widely used in glass colouring and the fabrication of standard light filters.

Вопрос 4: Почему разделение элементов лантаноидов в чистом виде затруднено?

Отвечать:

Because there is only a slight difference in the ionic radii of the Lanthanides and their chemical characteristics are the same, separation of lanthanides elements in the pure state is challenging.

Вопрос 5: Как влияют на основную силу гидроксиды лантаноидов?

Отвечать:

The basic strength of lanthanides decreases as their size decreases from La to Lu and the covalent nature of the hydroxides increases.