Лантаноиди (по IUPAC) или лантаниди се наричат група сходни елементи в периодичната система. Към нея се причисляват лантанът и следващите го 14 елемента – церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспросий, холмий, ербий, тулий, итербий и лутеций. Всички лантаноиди са метали и се обозначават като елементи от лантановия ред. Те са част от групата на редкоземните метали.
Етимология 4f-елементите, заедно със Sc и Y, често се наричат редкоземни елементи и се означават със съкращението РЗЕ. Те са елементите с пореден номер 58 – 71. Те следват лантана и изграждането на 4f-орбиталите. Тези елементи имат много близки свойства с лантана. Номенклатурата на IUPAC препоръчва групата да бъде назовавана като лантаноиди („подобни на лантана“) вместо лантаниди, тъй като наставката -ид се използва за обозначение на отрицателен йон в съединенията. Поради широката употреба и силната наложеност в научна литература на названието „лантаниди“ използването му все още се допуска.
Разпространение Лантаноидите не са редки елементи, но са много разпръснати. Срещат се главно в минералите на 1-ва, 2-ра, 3-та и 4-та група. Известни са около 100 минерала, съдържащи лантаноиди. При обработването на някои от тях, те често се получават като страничен продукт. Европият се среща в минерали на алкалоземните метали, най-често в стронцита, SrCO3, защото има много близък йонен радиус (110 pm) със Sr (116 pm).
Главно лантаноидни минерали са моноцитовият пясък LnPO4, който съдържа и Th и La, и бастензитът LnCO3F, който съдържа La и други елементи. В тези минерали се срещат предимно леките лантаноиди, а тежките лантаноиди са концентрирани в минерала ксенотим, LnPO4. По-разпространени са лантаноидите с четен пореден номер. Прометият не се среща в природата, защото е радиоактивен – няма стабилни изотопи, а най-дълготрайният му изотоп е с период на полуразпад от 2,7 години.
Физични свойства Изменението на лантаноидите като прости вещества е сложно и силно варират ефективните атомни радиуси, енталпията на атомизация, плътността и термичните константи.
Химични свойства Лантаноидите следват лантана и изграждането на 4f-орбиталите, което е и причината за многото сходства на тези елементи с лантана. Близките свойства на итрия с лантаноидите се обяснява с лантаноидното свиване, поради което йонният радиус на Y3+ (90 pm) е много близък с този на Ho3+ (90,1 pm). Затова итрият винаги придружава лантаноидите.
Елементите от Ce до Eu се наричат цериева подгрупа или леки лантаноиди, а елементите от Gd до Lu – итриева подгрупа или тежки лантаноиди. Свойствата на лантаноидите се изменят сложно.
Установено е, че повечето лантаноиди имат електронната структура [Xe]4fn6s2, като изключение са Ce, Gd и Lu, които имат електронната структура [Xe]4fn5d16s2. При Ce, [Xe]4f05d16s2, започва изграждането на 4f-орбиталата. Свиването на f-орбиталите не е достатъчно, за да се направи енергитично по-изгодни от 5d-орбиталите, и затова 5d1-конфигурацията е стабилна. При Gd и Lu 4f-орбиталите са наполовина (със 7) и изцяло запълнени (с 14 електрона).
Първата и втората йонизационна енергия на лантаноидите варива, но не така силно както третата йонизационна енергия, където има силно изразени минимуми и максимуми. При Gd и Lu това явление се обяснява с по-лесното откъсване на 5d1-електрона поради екранирането на ядрото от наполовина (при Gd) и изцяло (при Lu) запълнени 4f-орбитали. Наполовина и изцяло изграденият 4f-подслой при Eu и Yb определят стабилността на тези конфигурации, което е причина за по-трудното отделяне на третия електрон. Затова I3 на тези елементи силно нараства.
За всички лантаноиди е характерна +3 степен на окисление, като само при някои се наблюдават също +4 и +2. Тъй като основната конфигурация на повечето лантаноиди е [Xe]4fn6s2, стабилната степен на окисление съответства на отделянето на 6s2-електрона, за което свидетелстват и сравнително голямата разлика между I2 и I3. Енергията на атомизация на лантаноидите е малка. Енергията на кристалната решетка на Ln3+ съединенията трудно може да се определи поради известната степен на ковалентност и различната стойност на константата на Маделунг при Ln2+ и Ln3+ съединенията. Енталпията на хидратацията при Ln3+ е много висока, поради което се предполага, че енергията на кристалната решетка на лантаноидите също има голяма стойност и тя определя стабилната +3 степен на окисление.
Йонните радиуси намаляват с увеличаване на поредния номер, в посока от Ce към Lu, аналогично на изграждането на всеки слой. Свиването на лантаноидите в тази посока е приблизително колкото нарастването на йонните радиуси при прехода от 4d- към 5d-елементите. Аналогично се изменят енергията на хидратация и стандартните електродни потенциали, които нарастват слабо в същата посока.
Електроотрицателността по Полинг на всички лантаноиди е между 1 и 1,2 eV. Те са слабо електропроводими, с изключение на Yb, чиято електропроводимост е три пъти по-голяма от тази на останалите лантаноиди и се доближава до тази на живака.
Химичен елементLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu Пореден номер575859606162636465666768697071Снимка Плътност (g/cm3)6,162 6,770 6,77 7,01 7,26 7,52 5,244 7,90 8,23 8,540 8,79 9,066 9,32 6,90 9,841Температура на топене (°C)920 795 935 1024 1042 1072 826 1312 1356 1407 1461 1529 1545 824 1652Температура на кипене (°C)3464 3443 3520 3074 3000 1794 1529 3273 3230 2567 2720 2868 1950 1196 3402Електронна конфигурация (газ)*5d14f15d14f3 4f4 4f54f6 4f7 4f75d14f94f10 4f114f124f134f144f145d1Сингонияdhcp fcc dhcp dhcp dhcp ** bcc hcp hcp hcp hcphcp hcp fcc hcpАтомен радиус (pm) 162 181,8 182,4 181,4 183,4 180,4 208,4 180,4 177,3 178,1 176,2 176,1 175,9 193,3 173,8Специфична проводимост при 25 °C (μΩ·cm) 57 – 8020 °C 73 68 64 88 90 134 114 57 87 87 79 29 79Магнитна възприемчивостχmol /10−6(cm3·mol−1)+95,9 +2500 (β)+5530 (α)+5930 (α) +1278 (α)+30 900+185 000(350 K)+170 000 (α)+98 000+72 900+48 000+24 700+67 (β)+183
Химичен елементLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu Пореден номер575859606162636465666768697071 Ln3+ електронна конфигурация*4f0 4f14f2 4f3 4f44f5 4f6 4f74f8 4f9 4f104f114f12 4f134f14 Ln3+ радиус (pm) 103 102 99 98,3 97 95,8 94,7 93,8 92,3 91,2 90,1 8988 86,8 86,1 Цвят на Ln4+(aq) — Оранжево-жълт Жълт Синьо-виолетов — — — — Червено-кафяв Оранжево-жълт — — — — — Цвят на Ln3+(aq) Безцветен Безцветен Зелен Виолетов Розов Бледожълт Безцветен Безцветен Много бледорозов Бледожълт Жълт Розово-червен Светлозелен Безцветен Безцветен Цвят на Ln2+(aq) — — — — — Кървавочервен Безцветен — — — — — Лилаво-червен Жълто-зелен —
+ Приблизителни цветове на водните разтвори на лантаноидните йониHolleman, p. 1937.dtv-Atlas zur Chemie 1981, Vol. 1, p. 220. Степен на окисление 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 +2 Sm2+ Eu2+ Tm2+ Yb2+ +3 La3+ Ce3+ Pr3+ Nd3+ Pm3+ Sm3+ Eu3+ Gd3+ Tb3+ Dy3+ Ho3+ Er3+ Tm3+ Yb3+ Lu3+ +4 Ce4+ Pr4+ Nd4+ Tb4+ Dy4+
Източници
Категория:Лантаноиди Категория:Периодична система