Лантан
Лантан | ||||
---|---|---|---|---|
← Барий | Церий → | ||||
| ||||
Внешний вид простого вещества | ||||
![]() Образец лантана в ампуле |
||||
Свойства атома | ||||
Название, символ, номер | Лантан / Lanthanum (La), 57 | |||
период , блок |
3 (устар. IIIB), 6, f-элемент |
|||
Атомная масса (молярная масса) |
138,90547(7)[1] а. е. м. (г/моль) | |||
Электронная конфигурация | [Xe] 5d16s2 | |||
Радиус атома | 187 пм | |||
Химические свойства | ||||
Ковалентный радиус | 169 пм | |||
Радиус иона | 101.(+3e) 6 пм | |||
Электроотрицательность | 1,10 (шкала Полинга) | |||
Электродный потенциал | La←La3+ -2,38В | |||
Степени окисления | 0, +3 | |||
Энергия ионизации (первый электрон) |
541,1(5,61) кДж/моль (эВ) | |||
Термодинамические свойства простого вещества | ||||
Плотность (при н. у.) | 6,162-6,18 (альфа-модификация) г/см³ | |||
Температура плавления | 1193 К (919,85 °С) | |||
Температура кипения | 3447 – 3469 К (3173,85 – 3195,85 °С) | |||
Мол. теплота плавления | 8,5 кДж/моль | |||
Мол. теплота испарения | 402 кДж/моль | |||
Молярная теплоёмкость | 27,11[2] Дж/(K·моль) | |||
Молярный объём | 22,5 см³/моль | |||
Кристаллическая решётка простого вещества | ||||
Структура решётки | Гексагональная | |||
Параметры решётки |
a=3,772 c=12,14 Å | |||
Отношение c/a | 3,22 | |||
Температура Дебая | 132 K | |||
Прочие характеристики | ||||
Теплопроводность | (300 K) 13,4 Вт/(м·К) | |||
Номер CAS | 7439-91-0 |
57 | Лантан
|
5d16s2 |
Ланта́н (
Возглавляет семейство
Простое вещество лантан — блестящий редкоземельный металл серебристо-белого цвета.
История
Лантан как химический элемент не удавалось открыть на протяжении 36 лет. В 1803 г. 24-летний шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус исследовал минерал, известный теперь под названием церит. В этом минерале была обнаружена иттриевая земля и ещё одна редкая земля, очень похожая на иттриевую. Её назвали цериевой. В 1826 г. Карл Мосандер исследовал цериевую землю и заключил, что она неоднородна, что в ней, помимо церия, содержится ещё один новый элемент. Доказать сложность цериевой земли Мосандеру удалось лишь в 1839 г. Он сумел выделить новый элемент, когда в его распоряжении оказалось большее количество церита.
Происхождение названия
Новый элемент, обнаруженный в церите и мозандерите, по предложению Берцелиуса назвали лантаном. Оно было дано в честь истории его открытия и происходит от др.-греч. λανθάνω — «скрываюсь», «таюсь».
Нахождение в природе
Лантан вместе с церием и неодимом относится к наиболее распространенным редкоземельным элементам. Содержание лантана в земной коре порядка 2,9·10−3% по массе, в морской воде — около 2,9·10−6мг/л[2][4]. Основные промышленные минералы лантана — монацит, бастнезит, апатит и лопарит. В состав этих минералов также входят другие редкоземельные элементы[2].
Физические свойства
Полная электронная конфигурация атома лантана: 1s22s22p63s23p63d104s24p65s24d105p66s24f05d1
Лантан — мягкий пластичный блестящий серебристо-белый металл, в чистом состоянии — ковкий и тягучий. Слабо парамагнитен. Кристаллическая структура плотноупакованная типа плотнейшей гексагональной упаковки[5].
Существует в трёх кристаллических модификациях: α-La с гексагональной решёткой (а=0,3772 нм, с=1,2144 нм, z=4, пространственная группа Р63/ттс)[2], β-La с кубической решёткой типа меди (а=0,5296 нм, z=4, пространственная группа Fm3m), γ-La с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe (а=0,426 нм, z=2, пространственная группа Im3m, устойчив до 920 °C) температуры переходов α↔β 277 °C и β↔γ 861 °C[2]. DH° полиморфных переходов: α:β — 0,36 кДж/моль, β:γ — 3,12 кДж/моль[2]. При переходе из одной модификации в другую меняется плотность лантана: α-La имеет плотность 6,162-6,18 г/см3[5], β-La — 6,19 г/см3, γ-La — 5,97 г/см3[2].
С некоторыми металлами, например, с цинком, магнием, кальцием, таллием, оловом, свинцом, никелем, кобальтом, марганцем, ртутью, серебром, алюминием, медью, кадмием и др., металлический лантан образует сплавы. С железом лантан образует пирофорный сплав[5].
Химические свойства
По своим химическим свойствам лантан больше всего похож на 14 следующих за ним элементов, поэтому их называют лантаноидами. Металлический лантан обладает высокой химической активностью[2].
- При 450 °С сгорает в кислороде с образованием оксида лантана(III):
- Медленно реагирует с холодной водой и быстро — с горячей, образуя гидроксид лантана(III)[6]:
- При нагревании лантан вступает в реакции со фтором, хлором, бромом и иодом, давая соответственно фторид, хлорид, бромид и иодид[6]:
- Легко взаимодействует с минеральными кислотами с образованием ионов La3+ и водорода. Вполне возможно, что в водном растворе ион La3+ в значительной степени существует как комплексный ион [La(OH2)9]3+[6]:
Основные соединения
- Ацетилацетонат лантана — органическое соединение, хелат, формула La(С5H7O2)3. Представляет собой бесцветное твёрдое вещество, хорошо растворимое в воде и органических растворителях. Получается реакцией солей лантана со спиртовым раствором ацетилацетона.
- Бензоилацетонат лантана — хелатное соединение лантана, формула La(C10H9O2)3. Образует жёлтые призматические кристаллы. Получается взаимодействием солей лантана со спиртовым раствором бензоилацетона.
- сульфид лантана.
- Гидрид лантана(III) — бинарное соединение, формула LaH3. Представляет собой тёмно-синее кристаллическое вещество; реагирует с водой с образованием гидроксида лантана. Получается действием водорода на лантан при 210—290 °С.
- Гидроксид лантана(III) — белое нерастворимое в воде вещество с формулой La(OH)3. Образуется при действии горячей воды на металлический лантан или на оксид. При температурах выше 300 °С — разлагается.
- Иодид лантана(III) — бинарное соединение, формула LaI3. Образует кристаллы жёлто-зелёного цвета, хорошо растворимые в воде и органических растворителях. Получают нагреванием лантана и иода в инертной атмосфере.
- .
- углекислого газа через суспензиюгидроксида лантана.
- Купферонат лантана — органическое вещество, хелат, формула [La{C6H5N(NO)O}3]. Образует жёлтые кристаллы. Получается реакцией хлорида лантана с раствором купферона в кислой среде.
- Нитрат лантана(III) — бесцветное кристаллическое вещество с формулой La(NO3)3; хорошо растворяется в воде и органических растворителях. Получается растворением лантана, его оксида или гидроксида в азотной кислоте.
- Оксалат лантана(III) — бесцветное вещество, формула La2(C2O4)3. Не растворяется в воде. Получается действием на растворимые соли лантана избытком щавелевой кислоты.
- углекислый газ, постепенно превращаясь в основной карбонат лантана.
- Оксисульфид лантана — желтовато-белые гексагональные кристаллы с формулой La2O2S.
- Оксифторид лантана(III) — бесцветные кристаллы кубической сингонии, формула LaOF. Получают взаимодействием фторида лантана с водяными парами при 800 °С или спеканием оксида лантана с фторидом лантана в вакууме.
- Силицид лантана(III)— бинарное неорганическое соединение, формула LaSi2. Образует серые кристаллы.
- Сульфат лантана(III) — бесцветные кристаллы, растворимые в воде, формула La2(SO4)3. Получается растворением металлического лантана, его оксида или гидроксида в серной кислоте. Разлагается при нагревании.
- Сульфид лантана(III) имеет формулу La2S3; образует жёлто-красные кристаллы, нерастворимые в воде. Получается действием паров серы на лантан при 600—800 °С. Моносульфид лантана LaS — образует золотистые кристаллы кубической сингонии. Дисульфид лантана LaS2 — коричневые кристаллы.
- Фосфат лантана(III) — бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде, формула LaPO4. Получается обменной реакцией между растворимой солью лантана и фосфатом щелочного металла.
- Фосфид лантана(III) — бинарное неорганическое соединение, чёрные кристаллы с формулой LaP. Получается реакцией лантана и фосфора при 400—500 °С.
- Фторид лантана(III) — бесцветное вещество с формулой LaF3. Не растворяется в воде. Получают взаимодействием лантана с плавиковой кислотой либо прямым сгоранием лантана во фторе.
- Хлорид лантана(III) — бесцветное вещество с формулой LaCl3, хорошо растворимое в воде. Получается реакцией лантана с хлором или взаимодействием его с соляной кислотой.
Минералы
- Бастнезит — минерал класса фторкарбонатов, формула (Ce, La, Y)CO3F. Образует прозрачные кристаллы жёлтого, оранжевого, красного и бурого цветов. Твёрдость по Моосу — 4—4,5; удельный вес — 4,93—5,18. Может содержать от 34,7 до 45,8 % оксида лантана(III)[7].
- Гадолинит — чёрный (чёрно-бурый) минерал с жирным стекловатым блеском, формула (Ce, La, Nd, Y)2FeBe2Si2O10. Твёрдость по шкале Мооса — 6,5-7[8]. Удельный вес — 4-4,3[9]. Состав непостоянен.
- Монацит — минерал класса фосфатов, формула (Ce, La, Nd, Th)[PO4]. Может иметь жёлтую, красновато-бурую, гиацинтово-красную, оливиново-зеленую окраску; цвет черты — белый (зеленовато-белый). Твёрдость по Моосу — 5—5,5; удельный вес — 4,9—5,2[10]. Из-за высокого содержания урана и тория — радиоактивен.
- Ортит — бурый или чёрный минерал, класса силикатов. Химическая формула — (Ca, Ce, La, Y)2(Al, Fe)3(SiO4)3(OH)[11]. Твёрдость по Моосу — 5,5-6[12]. Удельный вес составляет 3,3—3,8[13].
Получение
Получение лантана связано с разделением исходного сырья на фракции. Лантан концентрируется вместе с церием, празеодимом и неодимом. Сначала из смеси отделяют церий, затем оставшиеся элементы разделяют экстракцией.
Применение
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/97/Glowing_gas_mantle.jpg/220px-Glowing_gas_mantle.jpg)
- Впервые в истории лантан применяли в газокалильных сетках. Австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах использовал смесь, состоящую из 60 % оксида магния, 20 % оксида иттрия и 20 % оксида лантана, которая получила название Actinophor и была запатентована в 1885 году. Новый осветительный прибор («ауэровский колпачок») давал светло-зелёный свет[14][15].
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/37/LaB6HotCathode.jpg/220px-LaB6HotCathode.jpg)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8f/Zblan_transmit.jpg/220px-Zblan_transmit.jpg)
- Оксид и борид лантана используются в катодных лучей для электронных микроскопов[16].
- Лантан применяется как компонент сплавов никеля, магния, кобальта и др.[17]
- Соединение состава La(Ni3.55Mn0.4Al0.3Co0.4Fe0.35) используется для .
- Чистый лантан практически не используется по причине своей высокой стоимости; вместо него применяется мишметалл: сплав с содержанием лантана 20—45 %[20][21]. Мишметалл является компонентом жаропрочных и коррозионностойких сплавов[17].
- Для производства типичного гибридного автомобиля Toyota Prius требуется 10—15 кг лантана, где он входит в состав аккумулятора[22][23].
- Карбонат лантана используется как лекарство, имеющее собственное название Fosrenol[24], применяющееся при гиперфосфатемии для поглощения избытка фосфатов[24].
- Лантан имеет свойство поглощать .
- Соли лантана и других редкоземельных элементов применяются в угольных дуговых лампах для увеличения яркости дуги[26]. Угольные дуговые лампы были популярны в кинопроекторах. На производство последних приходится около 25 % соединений лантана, которые изначально предполагались для дуговых ламп[21][27].
- Жидким лантаном извлекают плутоний из расплавленного урана[28].
- Небольшая добавка лантана к стали увеличивает её пластичность и деформируемость. Добавка лантана к молибдену уменьшает его твёрдость и чувствительность к перепадам температур[21].
- Фторид лантана — важный компонент люминофоров. В смеси с фторидом европия он используется в кристаллической мембране ионоселективных электродов[29]. Он также входит в состав стекла ZBLAN. Оно обладает улучшенным коэффициентом пропускания в инфракрасном диапазоне и поэтому применяется в волоконной оптике[30].
- Оксид лантана(III) — компонент специальных стёкол, высокотемпературной керамики, применяется также для производства других соединений лантана[21][31].
- Хлорид и бромид лантана применяются как сцинтилляторы с высоким световым выходом, лучшим энергетическим разрешением и временем высвечивания[32][33].
- Оксисульфид и алюминат лантана используются в люминофорах[17][34].
- Ионы лантана, как и пероксидаза хрена, используется в молекулярной биологии для усиления электрического сигнала до уровня, необходимого для детекции[35].
- Бентонитовая глина (т. н. Phoslock), в которой ионы натрия и кальция заменяются на ионы лантана, используется для очистки сточных вод от фосфатов[36].
- Небольшое количество соединений лантана связывает фосфаты в воде, в результате чего останавливается рост водорослей, которым необходимы соединения фосфора. Это свойство может применяться для очистки воды в бассейнах[37].
- Некоторые соединения лантана (и других редкоземельных элементов), например, хлориды и оксиды являются компонентами различных катализаторов, применяемых в частности, для крекинга нефти[38].
- Добавка оксида лантана (La2O3) к вольфраму используется при дуговой сварке вольфрамовым электродом[англ.], как замена радиоактивному торию[39][40].
- Лантан-бариевый метод радиометрического датирования иногда используется для оценки возраста горных пород и месторождений полезных ископаемых[41].
Биологическая роль
В 1930-х годах советский учёный А. А. Дробков исследовал влияние редкоземельных металлов на культурные растения. Он проводил опыты с горохом, репой и другими растениями, вводя в грунт редкоземельные элементы (РЗЭ) вместе с бором, марганцем или без них. Результаты опытов показывали, что редкоземельные элементы, в том числе лантан, улучшают рост растений[28][42][43]. Однако использование микроудобрений на основе лантана и других РЗЭ приводит к противоположным результатам для разных видов и даже сортов одного вида культурных растений[44]. В Китае, являющемся ведущим мировым производителем РЗЭ, такие микроудобрения массово применяются в сельском хозяйстве[44][45].
Изотопы
В природе лантан встречается в виде смеси двух
Меры предосторожности
Лантан относится к умеренно-токсичным веществам. Металлическая пыль лантана, а также мелкие частицы его соединений могут раздражать верхние дыхательные пути при попадании их внутрь, а также вызвать пневмокониоз[49][50].
См. также
- Мишметалл — сплав лантана с другими редкоземельными элементами.
Примечания
- 5 февраля 2014 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Химическая энциклопедия: в 5 тт / Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 577. — 671 с. — 100 000 экз.
- ↑ English: Kazakh Encyclopediasy Limited Liability Partnership, Start this Book. Русский: Казахстан. Национальная энциклопедия . Дата обращения: 3 марта 2023.
- ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
- ↑ 1 2 3 Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — 871 с.
- ↑ 1 2 3 Chemical reactions of the elements (англ.). WebElements. Дата обращения: 16 июля 2013. Архивировано 22 октября 2021 года.
- ↑ Бастнезит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- ↑ Gadolinite (англ.). База данных mindat.org. Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 19 августа 2013 года.
- ↑ Гадолинит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- ↑ Лантан // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- ↑ Allanite (англ.). Ортит в галерее минералов. Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 25 июля 2013 года.
- ↑ Allanite (англ.). База данных mindat.org. Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 25 мая 2009 года.
- ↑ Ортит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- ↑ Lighting . 11th edition of Encyclop?dia Britannica (1911). Дата обращения: 6 июня 2009. Архивировано из оригинала 5 января 2013 года.
- ↑ Освещение калильное // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- ↑ Jason D. Sommerville and Lyon B. King. [http://www.me.mtu.edu/researchAreas/isp/Papers/AIAA-2007-5174-907.pdf Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage] (англ.) // 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 8–11 July 2007, Cincinnati, OH : journal. Архивировано 4 марта 2016 года.
- ↑ 1 2 3 4 [www.xumuk.ru/encyklopedia/2271.html Статья в Большой Химической Энциклопедии]
- ↑ Inside the Nickel Metal Hydride Battery . Дата обращения: 6 июня 2009. Архивировано из оригинала 5 января 2013 года.
- .
- ↑ Mischmetal —Encyclopedia Britannica . Дата обращения: 28 декабря 2012. Архивировано 18 июня 2013 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 C. R. Hammond. The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition (англ.). — CRC press, 2000. — ISBN 0-8493-0481-4.
- ↑ "As hybrid cars gobble rare metals, shortage looms". Reuters 2009-08-31. 2009-08-31. Архивировано 25 октября 2021. Дата обращения: 2 октября 2017.
- .
- ↑ 1 2 FDA approves Fosrenol(R) in end-stage renal disease (ESRD) patients (28 октября 2004). Дата обращения: 6 июня 2009. Архивировано из оригинала 26 апреля 2009 года.
- .
- ↑ Дуговая угольная лампа — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
- ↑ Hendrick, James B. Rare Earth Elements and Yttrium // Mineral Facts and Problems (неопр.). — Bureau of Mines, 1985. — Т. Bulletin 675. — С. 655. Архивировано 4 марта 2016 года.
- ↑ 1 2 Лантан в Популярной библиотеке химических элементов . Дата обращения: 25 марта 2007. Архивировано 25 февраля 2020 года.
- ↑ Patnaik, Pradyot. Handbook of Inorganic Chemical Compounds (неопр.). — McGraw-Hill Education, 2003. — С. 444—446. — ISBN 0-07-049439-8.
- Rutgers University. Дата обращения: 31 декабря 2012. Архивировано из оригинала16 декабря 2009 года.
- .
- ↑ E. V. D. van Loef, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, K. W. Kraemer and H. U. Guedel Appl. Phys. Lett. 79 2001 1573
- ↑ Knoll, Glenn F., Radiation Detection and Measurement 3rd ed. (Wiley, New York, 2000).
- ↑ Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — 871 с.
- .
- ↑ Hagheseresht et al. A novel lanthanum-modified bentonite, Phoslock, for phosphate removal from wastewaters (англ.) // Applied Clay Science : journal. — 2009. — Vol. 46, no. 4. — P. 369—375.
- ↑ Phosphate in Swimming Pool Water — The Root of Algae Problems
- ↑ C. K. Gupta, Nagaiyar Krishnamurthy. Extractive metallurgy of rare earths (неопр.). — CRC Press, 2004. — С. 441. — ISBN 0-415-33340-7.
- ↑ Howard B. Cary. Arc welding automation (неопр.). — CRC Press, 1995. — С. 139. — ISBN 0-8247-9645-4.
- ↑ Larry Jeffus. Types of Tungsten // Welding : principles and applications (неопр.). — Clifton Park, N.Y.: Thomson/Delmar Learning, 2003. — С. 350. — ISBN 978-1-4018-1046-7.
- ↑ S. Nakai, A. Masuda, B. Lehmann. La-Ba dating of bastnaesite (англ.) // American Mineralogist[англ.] : journal. — 1988. — Vol. 7. — P. 1111. Архивировано 31 октября 2021 года.
- ↑ Дробков А. А. Влияние редкоземельных элементов на рост растений. «Доклады АН СССР», 1935, 17(5), 261—263.
- ↑ Дробков А. А. Микроэлементы и естественные радиоактивные элементы в жизни растений и животных / Отв. ред. Н. Г. Жежель. — М. : Изд-во АН СССР, 1958. — 208 с.
- ↑ 1 2 Комаров С. М. Редкая соль земли. Химия и жизнь, № 5, 2013, с. 20—22.
- ↑ Zhengyi Hu et al. Physiological and Biochemical Effects of Rare Earth Elements on Plants and Their Agricultural Significance: A Review. Journal оf Plant Nutrition, 2004, 27(1), p. 183—220.
- ↑ .
- .
- doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — .
- .
- ↑ Waring, PM; Watling, R.J. Rare earth deposits in a deceased movie projectionist. A new case of rare earth pneumoconiosis (англ.) // The Medical journal of Australia[англ.] : journal. — 1990. — Vol. 153, no. 11—12. — P. 726—730. — PMID 2247001.
Литература
- Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.
Ссылки
- Lanthanum (англ.). WebElements. Дата обращения: 25 июля 2013.