Русская Википедия:Лантан
Шаблон:Значения Шаблон:Карточка химического элемента Шаблон:Элемент периодической системы Ланта́н (химический символ — La, от Шаблон:Lang-el — скрытный, прячущийся) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 57[1].
Возглавляет семейство лантаноидов.
Простое вещество лантан — блестящий редкоземельный металл серебристо-белого цвета. Шаблон:-
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 Шаблон:Lang-grc — «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][3]. 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: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f05d1
Лантан — мягкий пластичный блестящий серебристо-белый металл, в чистом состоянии — ковкий и тягучий. Слабо парамагнитен. Кристаллическая структура плотноупакованная типа плотнейшей гексагональной упаковки[4].
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[4], 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[4].
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].
- <math>\mathsf{4La + 3O_2 \ \xrightarrow{}\ 2La_2O_3 }</math>
- <math>\mathsf{La_2O_3 + 2CO_2 + H_2O \ \xrightarrow{}\ 2LaCO_3(OH) }</math>
- При 450 °С сгорает в кислороде с образованием оксида лантана(III):
- <math>\mathsf{4La + 3O_2 \ \xrightarrow{450^oC}\ 2La_2O_3 }</math>
- Медленно реагирует с холодной водой и быстро — с горячей, образуя гидроксид лантана(III)[5]:
- <math>\mathsf{2La + 6H_2O \ \xrightarrow{90^oC}\ 2La(OH)_3 + 3H_2 \uparrow }</math>
- При нагревании лантан вступает в реакции со фтором, хлором, бромом и иодом, давая соответственно фторид, хлорид, бромид и иодид[5]:
- <math>\mathsf{2La + 3F_2 \ \xrightarrow{100^oC}\ 2LaF_3 }</math>
- <math>\mathsf{2La + 3Cl_2 \ \xrightarrow{100^oC}\ 2LaCl_3 }</math>
- <math>\mathsf{2La + 3Br_2 \ \xrightarrow{t^oC}\ 2LaBr_3 }</math>
- <math>\mathsf{2La + 3I_2 \ \xrightarrow{t^oC}\ 2LaI_3 }</math>
- 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+[5]:
- <math>\mathsf{2La + 3H_2SO_4 \ \xrightarrow{H_2O}\ 2La^{3+} + 3SO_4^{2-} + 3H_2 \uparrow }</math>
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.
- Бромид лантана(III) — бинарное соединение, формула LaBr3. Образует белые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Получают действием бромоводорода на оксид или 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.
- Карбид лантана(III) — бинарное соединение лантана с углеродом, формула LaС2. Образует жёлтые кристаллы. Реагирует с водой с образованием гидроксида и с выделением этана и ацетилена.
- Карбонат лантана(III) — бесцветное кристаллическое вещество с формулой La2(CO3)2, образует кристаллогидрат состава La2(CO3)2·8H2O. Получается пропусканием углекислого газа через суспензию гидроксида 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(NOШаблон:Sub)Шаблон:Sub; хорошо растворяется в воде и органических растворителях. Получается растворением лантана, его оксида или гидроксида в азотной кислоте.
- Оксалат лантана(III) — бесцветное вещество, формула LaШаблон:Sub(CШаблон:SubOШаблон:Sub)Шаблон:Sub. Не растворяется в воде. Получается действием на растворимые соли лантана избытком щавелевой кислоты.
- Оксид лантана(III) — белые кристаллы, формула LaШаблон:SubOШаблон:Sub. Не растворяется в воде, но медленно реагирует с ней. Получается сгоранием лантана на воздухе или разложением его солей при высоких температурах. Растворяется в кислотах с образованием солей La(III). На воздухе поглощает 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 LaSiШаблон:Sub. Образует серые кристаллы.
- Сульфат лантана(III) — бесцветные кристаллы, растворимые в воде, формула LaШаблон:Sub(SOШаблон:Sub)Шаблон:Sub. Получается растворением металлического лантана, его оксида или гидроксида в серной кислоте. Разлагается при нагревании.
- Сульфиды лантана — бинарные неорганические соединения лантана и серы. Сульфид лантана(III) имеет формулу LaШаблон:SubSШаблон:Sub; 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 LaSШаблон:Sub — коричневые кристаллы.
- Фосфат лантана(III) — бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде, формула LaPOШаблон:Sub. 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 LaFШаблон:Sub. Не растворяется в воде. Получают взаимодействием лантана с плавиковой кислотой либо прямым сгоранием лантана во фторе.
- Хлорид лантана(III) — бесцветное вещество с формулой LaClШаблон:Sub, 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)[6].
- Гадолинит — чёрный (чёрно-бурый) минерал с жирным стекловатым блеском, формула (Ce, La, Nd, Y)2FeBe2Si2O10. Твёрдость по шкале Мооса — 6,5-7[7]. Удельный вес — 4-4,3[8]. 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[9]. 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)[10]. Твёрдость по Моосу — 5,5-6[11]. Удельный вес составляет 3,3—3,8[12].
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
- 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[13][14].
- Оксид и борид лантана используются в электронно-вакуумных лампах как материал т. н. «горячего катода», то есть катода с высокой интенсивностью потока электронов. Кристаллы LaB6 применяются в источниках катодных лучей для электронных микроскопов[15].
- Лантан применяется как компонент сплавов никеля, магния, кобальта и др.[16]
- Соединение состава La(Ni3.55Mn0.4Al0.3Co0.4Fe0.35) используется для анодного материала никель-металл-гидридных аккумуляторов. Оно представляет собой интерметаллид AB5-типа[17][18].
- Чистый лантан практически не используется по причине своей высокой стоимости; вместо него применяется мишметалл: сплав с содержанием лантана 20—45 %[19][20]. Мишметалл является компонентом жаропрочных и коррозионностойких сплавов[16].
- Для производства типичного гибридного автомобиля Toyota Prius требуется 10—15 кг лантана, где он входит в состав аккумулятора[21][22].
- Карбонат лантана используется как лекарство, имеющее собственное название Fosrenol[23], применяющееся при гиперфосфатемии для поглощения избытка фосфатов[23].
- Лантан имеет свойство поглощать водород. Один объём этого вещества способен поглотить до 400 объёмов водорода в процессе обратимой адсорбции. Это свойство применяется для создания емких аккумуляторов водорода (металлогидридное хранение водорода) и в системах сохранения энергии, так как при растворении водорода в лантане выделяется теплота[20][24].
- Соли лантана и других редкоземельных элементов применяются в угольных дуговых лампах для увеличения яркости дуги[25]. Угольные дуговые лампы были популярны в кинопроекторах. На производство последних приходится около 25 % соединений лантана, которые изначально предполагались для дуговых ламп[20][26].
- Жидким лантаном извлекают плутоний из расплавленного урана[27].
- Небольшая добавка лантана к стали увеличивает её пластичность и деформируемость. Добавка лантана к молибдену уменьшает его твёрдость и чувствительность к перепадам температур[20].
- Фторид лантана — важный компонент люминофоров. В смеси с фторидом европия он используется в кристаллической мембране ионоселективных электродов[28]. Он также входит в состав стекла ZBLAN. Оно обладает улучшенным коэффициентом пропускания в инфракрасном диапазоне и поэтому применяется в волоконной оптике[29].
- Оксид лантана(III) — компонент специальных стёкол, высокотемпературной керамики, применяется также для производства других соединений лантана[20][30].
- Хлорид и бромид лантана применяются как сцинтилляторы с высоким световым выходом, лучшим энергетическим разрешением и временем высвечивания[31][32].
- Оксисульфид и алюминат лантана используются в люминофорах[16][33].
- Ионы лантана, как и пероксидаза хрена, используется в молекулярной биологии для усиления электрического сигнала до уровня, необходимого для детекции[34].
- Бентонитовая глина (т. н. Phoslock), в которой ионы натрия и кальция заменяются на ионы лантана, используется для очистки сточных вод от фосфатов[35].
- 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[36].
- Некоторые соединения лантана (и других редкоземельных элементов), например, хлориды и оксиды являются компонентами различных катализаторов, применяемых в частности, для крекинга нефти[37].
- Добавка оксида лантана (La2O3) к вольфраму используется при [[|en]] (Gas tungsten arc welding), как замена радиоактивному торию[38][39].
- Лантан-бариевый метод радиометрического датирования иногда используется для оценки возраста горных пород и месторождений полезных ископаемых[40].
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[27][41][42]. Однако использование микроудобрений на основе лантана и других РЗЭ приводит к противоположным результатам для разных видов и даже сортов одного вида культурных растений[43]. В Китае, являющемся ведущим мировым производителем РЗЭ, такие микроудобрения массово применяются в сельском хозяйстве[43][44].
Ионы лантана способны увеличивать амплитуду ГАМК-активированных сигналов на пирамидальных нейронах гена [[|en]] (CA1 (gene)), отмеченных в гиппокампе головного мозга[45]. Получение этих данных позволило сравнить чувствительность рецепторов ГАМКA пирамидальных нейронов с аналогичными рецепторами других клеток по восприимчивости к ГАМК и ионам лантана[45].
Изотопы
Шаблон:Main В природе лантан встречается в виде смеси двух изотопов: стабильного 139La и радиоактивного 138La (период полураспада 1,02Шаблон:E лет). Доля более распространённого изотопа 139La в природной смеси составляет 99,911 %[16]. Искусственно получены 39 неустойчивых изотопов с массовыми числами 117—155 и 12 ядерных изомеров лантана[46][47]. Наиболее долгоживущим из них является лантан-137 с периодом полураспада около 60 тыс. лет. Остальные изотопы имеют периоды полураспада от нескольких миллисекунд до нескольких часов.
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[48][49].
См. также
- Мишметалл — сплав лантана с другими редкоземельными элементами.
Примечания
Литература
Ссылки
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Ошибка цитирования Неверный тег
<ref>
; для сносокХЭ
не указан текст - ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
- ↑ 4,0 4,1 4,2 Шаблон:Книга
- ↑ 5,0 5,1 5,2 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:ВТ-ЭСБЕ
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:ВТ-ЭСБЕ
- ↑ Шаблон:ВТ-ЭСБЕ
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:ВТ-ЭСБЕ
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:ВТ-ЭСБЕ
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ 16,0 16,1 16,2 16,3 [www.xumuk.ru/encyklopedia/2271.html Статья в Большой Химической Энциклопедии]
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 20,0 20,1 20,2 20,3 20,4 Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Cite news
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ 23,0 23,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Из
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ 27,0 27,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ 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).
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Phosphate in Swimming Pool Water — The Root of Algae Problems
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ 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.
- ↑ 43,0 43,1 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.
- ↑ 45,0 45,1 Шаблон:Статья
- ↑ Данные приведены по Шаблон:Справочник:AME2003
- ↑ Данные приведены по Шаблон:Справочник:Nubase2003
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
Шаблон:Выбор языка Шаблон:Соединения лантана Шаблон:Периодическая система элементов Шаблон:Ряд Активности Металлов