Лантаноиды

Содержание:

Вступление…………………………………………………….…….3

I. Общая  характеристика лантаноидов………………………………4

1) Общая  характеристика лантаноидов исходя  из положения элементов в периодической  системе Менделеева и строения  их атомов………………………………………………….......................4

2) Нахождение  лантаноидов в природе……………………………….9

2.1) Важнейшие  руды лантаноидов…………………………...........9

2.2) Распространение  лантаноидов в земной коре……................10

3) Физические  свойства лантаноидов……………………………….13

4) Химические  свойства лантаноидов……………………………….15

II) Характеристика  основных соединений лантаноидов.………..18

1) Бинарные  соединения

1.1) Оксиды…………………………………………………………18

1.2) Сульфиды………………………………………………………19

1.3) Прочие  соединения………………...………………………….19

2) Многоэлементные  соединения 

2.1) Гидроксиды……………………………………………………22

2.2) Комплексные  соединения…………………………………….23

III. Получение  лантаноидов и их применение .…………………..24

1) Основные  способы получения лантаноидов…………………......24

2) Применение………………………………………………………...26

Выводы……………………………………………………………...32

Литература………………………………………………………….33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

В периодической  системе Д. И. Менделеева есть 15 необычных  металлов, очень непохожих на все  остальные. Это лантаноиды. Лантаноиды недостаточно хорошо изучены, хотя они  нашли широчайшее применение в современном  обществе, а  в  частности  в  промышленности    и  медицине. Лантаноиды - уникальное семейство  металлов в периодической системе  Д. И. Менделеева. Уникальность заключается  в том, что все металлы должны были бы стоять в одной клетке, так  похожи они по своим свойствам. Многие умы решали эту сложную задачу, и в итоге было предложено вынести  эти 15 элементов за пределы таблицы. И по открывающему этот ряд элементу и была названа эта плеяда металлов - лантаноиды. Схожесть металлов можно  проследить и по минералам, в которые  они входят. Дело в том, что почти  все лантаноиды были выделены из одного минерала: эрбиевой земли.

  Цель  данного  реферата - раскрыть важность  этих 15 металлов в медицине, науке,  технике, промышленности, а также  их применение в различных  областях нашей жизни, показать  уникальность этого семейства  металлов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛАНТАНОИДОВ

   К  семейству лантаноидов относят  15 элементов периодической системы  Д. И. Менделеева: лантан, церий,  празеодим, неодим, прометий, самарий,  европий, гадолиний, тербий, диспрозий,  гольмий, эрбий, тулий, иттербий  и лютеций. По характеру заполнения 4f - орбиталей лантаноиды делятся  на подсемейство церия и подсемейство  тербия. Первые 7 элементов (от церия  до гадолиния включительно) относятся  к подсемейству церия, а остальные  7 (от тербия до лютеция) относятся  к подсемейству тербия.

  Конфигурация  валентных электронов атомов  лантаноидов может быть выражена  общей формулой 4f^2-145d^0-16s² (рис 1). У них достраивается третий снаружи энергетический

уровень (4f - подуровень) при одинаковом количестве электронов наружного энергетического  уровня (6s²) и у большинства лантаноидов предвнешнего (5s²5p⁶) энергетического уровня. По правилу Хунда у элементов подгруппы церия 4f орбитали заполняются по одному электрону, а те же орбитали у элементов подгруппы тербия - по второму электрону.

  У церия  на 4f-уровне находятся два электрона  - один за счет увеличения порядкового  номера по сравнению с лантаном  на единицу, а другой переходит  с 5d-уровня на 4f. До гадолиния  происходит последовательное увеличение  числа электронов на 4f-уровне, а  уровень 5d остается незанятым.  У гадолиния дополнительный электрон  занимает 5d-уровень, давая электронную  конфигурацию 4f⁷5d¹6s², а у следующего за гадолинием тербия происходит, аналогично церию, переход 5f-электрона на 4f-уровень (4f⁹6s²). Далее до иттербия наблюдается монотонное увеличение числа электронов до 4f¹⁴, а у завершающего ряд лютеция вновь появляется 5f-электрон (4f¹⁴5d¹6s²) (табл. 1).

Периодический характер заполнения 4f-орбиталей сначала  по одному, а потом по два электрона  предопределяет внутреннюю периодичность  свойств лантаноидов. Периодически изменяются металлические радиусы, степени окисления, температуры  плавления и кипения, величины магнитных  моментов, окраска и другие свойства.

  Энергия  отрыва одного электрона с  4f-орбитали невелика. При незначительном  возбуждении один из 4f-электронов (редко два) переходит в 5d-состояние.  Остальные же 4f-электроны, экранированные  от внешнего воздействия 5s²5p⁶-электронами, на химические свойства большинства лантаноидов существенного влияния не оказывают. Таким образом, свойства лантаноидов в основном определяют 5d¹6s²-электроны. Поэтому лантаноиды проявляют большое сходство с d-элементами III группы - скандием и его аналогами.

  Однако  некоторые из них проявляют  наряду с характерной степенью  окисления +3 и так называемые  аномальные степени окисления  - +2, +4 (табл. 2).

Табл. 1. Общая  характеристика лантаноидов 

 
 

Причём, одни степени окисления характерны при  одних условиях, другие - при других. Так, например, в щелочной среде устойчив ион Cе⁴⁺, а в кислой среде - Се³⁺. Эти состояния окисления связывают с образованием наиболее устойчивых электронных конфигураций 4f⁰, 4f⁷, 4f¹⁴. Так, Ce и Tb приобретают конфигурации 4f⁰ и 4f⁷, переходя в состояние окисления +4, тогда как Eu и Yb имеют соответственно конфигурации - 4f⁷ и 4f¹⁴ в состоянии окисления +2. Однако существование Pr (IV), Sm (II), Dy (IV) и Tm (II) свидетельствует об относительности критерия особой устойчивости электронных конфигураций 4f⁰, 4f⁷ и 4f¹⁴.

У иттербия помещённые на 4f-орбитали 14 электронов настолько плотно экранируют наружный слой, что с него довольно легко  уходят 2 электрона, обнажая стабильную структуру нижележащих слоёв. У  эрбия завершается заполнение 4f-орбитали, которая плотным экраном защищает ядро. Под действием возросшего заряда эта орбиталь сильнее притягивается  к ядру, и радиус атома становится всё меньше.

Табл. 2. Внутренняя периодичность лантаноидов

Так у гольмия  он равен 17,5*10^-10, а у эрбия - 17,4*10^-10. В электронной оболочке атома тербия на 4f-орбиталях появляются первые пары электронов - сразу две. Чтобы получить устойчивую конфигурацию иона гадолиния, тербию надо отдать не три, а целых четыре электрона. Поэтому тербий помимо характеристической степени окисления имеет и степень окисления +4. На свойствах атома самария сказывается близость заполнения 4f-орбитали наполовину, когда каждая ячейка этой орбитали имеет один неспаренный электрон. Ион Sm²⁺ образуется при отрыве от атома двух внешних электронов с 6s-орбитали

При исключительной близости свойства лантаноидов всё  же отличаются. Некоторые свойства в ряду Ce - Lu изменяются монотонно, другие - периодически. Первое изменение свойств  объясняется лантаноидным сжатием - постепенным уменьшением в ряду вышеуказанных металлов атомных и ионных радиусов.

Периодический характер заполнения 4f-орбиталей сначала  по одному, а затем по два 

электрона предопределяет внутреннюю периодичность  в изменении свойств лантаноидов  и их соединений. Атом европия имеет  самый большой радиус и объём. Большой атом элемента определяет лёгкость вещества.

Различия  в свойствах элементов семейства, связанные с лантаноидным сжатием  и характером заполнения 4f-орбиталей  не велики. Однако на общем фоне поразительно большого сходства они имеют важное значение, в частности, для отделения  лантаноидов друг от друга.

Среди лантаноидов  есть также и радиоактивные элементы. Это прометий, тулий и лютеций.

С уменьшением  ионных радиусов растёт их ионный потенциал.

На основе вышеперечисленного можно сделать  вывод, что лантаноиды - типичные металлы, проявляющие восстановительные  свойства. Характеристическая степень  окисления - +3, а валентность - III. Наиболее характерен оксид Ме₂О₃. Лантаноиды образуют также и нелетучие гидриды состава МеН₃. Значит, лантаноиды получают путём восстановления из оксидов или других соединений. Не исключён также и электролиз.

НАХОЖДЕНИЕ  В ПРИРОДЕ

С точки  зрения нахождения в природе лантаноиды делятся на 2 группы: цериевую (La, Ce, Pr, Pm, Sm) и иттриевую (Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Данное деление основано на том, что в одних минералах встречаются  преимущественно церий и его "команда", а в других - иттрий вместе с остальными элементами. К минералам цериевой группы относится монацит (Ce, La, Nb....)PO₄. Он образует россыпи монацитового песка, куда кроме него входит кварц, рутил, оксид тория (IV). В монацитовом песке содержатся все минералы цериевой группы. Элементы этой же группы содержатся в изоморфных