Lantánidos ( lantánidos ) [K 1] - una familia que consta de 15 elementos químicos del grupo III del sexto período de la tabla periódica - metales , con números atómicos 57-71 (del lantano al lutecio ) [1] [2] [3 ] [4 ] [5] [6] [7] [8] [9] . Todos los miembros de la familia tienen isótopos estables excepto el prometio . El nombre proviene de la palabra griega λανθάνειν ("oculto").
El escandio , el itrio y los lantánidos pertenecen al grupo de elementos de tierras raras (abreviado REE ) y, a menudo, se consideran en este contexto, sin embargo, la prevalencia de elementos individuales muestra que no son raros. En materiales científicos, el término anterior se utiliza para designar a los lantánidos, incluidos el itrio y el escandio, o por separado.
La notación Ln se utiliza para indicar todos o algunos metales, iones, estados de oxidación, al escribir fórmulas químicas, etc.
Todos los lantánidos, desde el cerio hasta el iterbio, tienen una subcapa 4f llena ; el lantano no tiene electrones 4f, mientras que el lutecio tiene 14. Los electrones 4f no apareados dotan a algunos metales de varias propiedades magnéticas , espectroscópicas y luminiscentes valiosas . Además, debido a que estos electrones están bien protegidos por las subcapas externas (5s y 5p), las características espectrales se conservan cuando se agregan ligandos . Todos los lantánidos forman cationes Ln 3+ (algunos también Ln 2+ , Ln 4+ ), cuyo radio iónico disminuye constantemente con el aumento del número atómico ; este fenómeno se conoce como contracción de los lantánidos (lo mismo se manifiesta en los actínidos ) [10] . La basicidad de los elementos desde el lantano hasta el lutecio disminuye continuamente, lo que provoca una diferencia en la solubilidad de las sales y en la estabilidad de sus compuestos complejos [11] .
El enlace químico con los lantánidos es casi siempre iónico . Los lantánidos son aceptores "pesados" y tienen una similitud significativa en sus propiedades con el átomo donante de oxígeno, por lo que los ligandos biológicos más probables para ellos son los grupos carboxilo y fosfato . Los números de coordinación para ellos pueden ser del 6 al 12 (8-9 principalmente en sistemas biológicos) [10] .
La publicación del trabajo del geoquímico noruego Victor Goldschmidt , en el que se utilizó por primera vez el término lantánidos , se produjo en 1925 (el nombre actínidos se dio de manera similar en 1937) [12] [13] [14] .
* | La | Ce | PR | Dakota del Norte | Pm | SM | UE | Di-s | Tuberculosis | dy | Ho | Eh | Tm | Yb | Lu |
Hay muchos malentendidos asociados con los lantánidos en el uso de la terminología. El nombre de "tierras raras" se usó originalmente para describir casi todos los óxidos naturales desconocidos e inexplorados, y hasta 1920 incluso ThO 2 y ZrO 2 se referían a ellos . Casi al mismo tiempo, el término comenzó a usarse para referirse a los elementos en sí, así como a un grupo de elementos que podían separarse entre sí con gran dificultad [15] [16] .
La división inicial de los elementos en cerio ("tierras ligeras"; La-Eu) e itrio ("tierras pesadas"; Gd-Lu) se basó en la diferencia de solubilidad de los sulfatos dobles formados por lantánidos con sulfatos de sodio o potasio. . Posteriormente, se estableció la periodicidad de los cambios de propiedades en el grupo, correspondiente a su división en dos subgrupos [11] .
Es de destacar que los términos "tierras raras" y " tierras alcalinas " - todavía utilizados en química - provienen del sustantivo "tierra", utilizado por alquimistas , iatroquímicos y primeros flogistos como la principal indicación de la resistencia al fuego , la insolubilidad de la precipitación. formado después de la combustión (oxidación) u otras interacciones químicas profundas en las sustancias. Sólo después de la década de 1750. Los químicos comenzaron a comprender que la tierra de silicio ( sílice inglesa ), la tierra de aluminio ( alumina inglesa ), el talco , la cal , son todas tierras diferentes , a juzgar por las propiedades químicas. En 1779, se les agregó tierra de bario ( baryta en inglés ), que K. V. Scheele aisló de la cal. A. L. Lavoisier incluyó las cinco tierras en 1789 en su lista de 33 elementos, haciendo una nota: pueden ser óxidos metálicos con una mayor similitud con un enlace con el oxígeno que con el carbono. Esto impulsó a muchos químicos a principios del siglo XIX a restaurar terrenos conocidos y buscar otros nuevos. Entre las nuevas seis tierras: circonio (1789, M. Klaproth ), estroncio (1790, A. Crawford ), berilio (1798, L. N. Vauquelin ) y torio (1829, J. Berzelius [K 2] ), itrio (1794) y cerio (1803). El descubrimiento de estos últimos determinó la diferencia entre las tierras y los óxidos metálicos ordinarios, y en 1808, después de que G. Davy redujera las tierras alcalinas por electrólisis a metales alcalinotérreos ( calcio , bario , estroncio y magnesio ), quedó claro para la mayoría de los químicos que las tierras verdaderas son no distintos de los óxidos metálicos [17] .
Los lantánidos forman el mayor grupo de elementos de la tabla periódica que se encuentran en la naturaleza. Sus propiedades son tan similares que desde 1794, cuando Johan Gadolin aisló el óxido de itrio , hasta 1907, se hicieron casi un centenar de afirmaciones sobre el descubrimiento de los elementos [K 3] . Esto se explica por el hecho de que en ese momento no había prueba para la individualidad del elemento, y los investigadores no entendían cuántos elementos debería haber en la familia, ya que solo un elemento, el lantano, podía colocarse en el sistema periódico. . Para 1913, basado en el trabajo de G. Moseley , ya había quedado claro que entre el lantano y el hafnio , el número de elementos era exactamente igual a catorce [15] : al comparar la energía de los espectros de rayos X de los átomos del elementos de la tabla periódica y su peso atómico, encontró lagunas, omisiones. Para eliminar las lagunas, el científico consideró necesario organizar los elementos de acuerdo con las propiedades químicas y no con el aumento del peso atómico. Su trabajo mostró que cada elemento tiene un valor constante: el número atómico , que aumenta en una cantidad constante de elemento a elemento. Finalmente, los lantánidos se ubicaron en un lugar separado debajo de la mesa principal. Y en 1921, Niels Bohr propuso la estructura de los orbitales electrónicos del átomo, lo que explicaba el problema de las tierras raras [18] . (Los lantánidos a menudo se nombran e incluyen en el concepto de elementos de tierras raras , sin embargo, por ejemplo, el lutecio supera en abundancia a la plata en la corteza terrestre [3] ).
Se puede obtener una idea de sus propiedades químicas similares a partir de los hechos de la historia del estudio. La separación de varios elementos de los minerales que los contienen llevó a los científicos más de cien años [3] [9] , e incluso hasta mediados del siglo XX (antes del desarrollo de las técnicas de separación por intercambio iónico), hasta 40.000 repeticiones de la operación fueron necesarios para obtener algunos compuestos de lantánidos raros en forma realmente pura, por recristalización fraccionada [19] . Por ejemplo: en 1911, el aislamiento de bromato de tulio puro por parte de C. James requirió unas 15 000 operaciones de este tipo [20] , y en 15 años J. Urbain y sus ayudantes llevaron a cabo un total de unas 20 000 [21] . Este método de separación es solo uno de varios clásicos e incluye algunas propiedades [20] :
Además de lo anterior, existe la posibilidad de pasar a otros estados de oxidación distintos al +3, por ejemplo, Ce IV , Eu II . Este método, aplicable en algunos casos, permitió obtener el producto más puro [20] . En la actualidad, el método de recristalización está obsoleto, ya que las reacciones de intercambio iónico y la extracción por solventes son comparativamente más rápidas y menos laboriosas [24] .
Historia del descubrimiento [K 4] | |||||
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A. habitación | Elemento | la fecha | Descubridor | origen del nombre | Fuente |
57 | Lantano | 1839 | K. Mosander | Del griego. "ocultación" | [25] [K 5] |
58 | Cerio | 1803 | J. Berzelius y W. Hisinger ; M. Klaproth |
En honor al asteroide Ceres | [25] |
59 | Praseodimio | 1885 | C. Auer von Welsbach | Del griego. "verde" + "gemelos" | [25] [26] |
60 | neodimio | 1885 | C. Auer von Welsbach | Del griego. "nuevo" + "gemelos" | [25] [26] |
61 | Prometeo | 1947 | J. Marinsky , L. Glendenin y C. Coryell |
en honor a Prometeo | [25] [27] [11] |
62 | Samario | 1879 | P. Lecoq de Boisbaudran | Por el nombre del mineral samarskita | [25] [28] [29] |
63 | europio | 1901 | EA Demarce | De la palabra Europa | [25] [30] [31] |
64 | gadolinio | 1880 | J.Marignac | El nombre del mineral gadolinita | [25] [32] |
sesenta y cinco | Terbio | 1843 | K. Mosander | Del nombre de la ciudad de Ytterby | [25] [33] |
66 | disprosio | 1886 | P. Lecoq de Boisbaudran | Del griego. "difícil de alcanzar" | [25] [34] [35] |
67 | holmio | 1879 | PT Kleve | Del antiguo lat. Holmia de Estocolmo | [25] [36] |
68 | erbio | 1843 | K. Mosander | Del nombre de la ciudad de Ytterby | [25] [33] |
69 | Tulio | 1879 | PT Kleve | Del lat. Thule - "la tierra más septentrional" | [25] [36] |
70 | Iterbio | 1878 | J.Marignac | Del nombre de la ciudad de Ytterby | [25] [37] |
71 | lutecio | 1907 | J. Urbano ; C. James | Del lat. Lutecia de París | [38] [39] |
El estudio y posterior clasificación de los lantánidos se remonta a finales del siglo XVIII: en el verano de 1787, el oficial sueco K. A. Arrhenius encontró un mineral negro desconocido en una cantera cerca de la ciudad de Ytterby , apodado iterbita (luego rebautizada como gadolinita) [ 40] . Johan Gadolin , al estudiarlo en 1794, descubrió una nueva tierra en él : óxido de itrio [K 6] . Así, con el descubrimiento de uno de los compuestos de un elemento que tiene propiedades químicas similares, pero que no está incluido en la familia, prosiguió el estudio de los minerales y el descubrimiento de los lantánidos [41] . El análisis químico de la gadolinita condujo al descubrimiento de 7 elementos químicos del grupo del itrio y siete más, el cerio , en el estudio de la cerita [42] . ( Las tierras de itrio y cerio fueron los dos inicios de los "caminos" para el descubrimiento de los elementos lantánidos [42] .) Es de destacar que el descubrimiento de muchos lantánidos se debió a minerales de su lugar común de origen: el famoso depósito de pegmatita . se encuentra cerca de Ytterby en Suecia [43] .
El mineral cerite , descubierto en 1751 por A. Kronstedt y que contiene elementos de tierras raras, sirvió como punto de partida para el descubrimiento del cerio [43] . En 1803, Wilhelm von Hisinger y Jöns Berzelius en Suecia (e independientemente Martin Klaproth en Francia) encontraron una nueva tierra en el mineral , llamada cerio por el asteroide Ceres [44] [45] . Después del descubrimiento, el químico francés Louis Vauquelin lo examinó por primera vez y demostró que la tierra de cerio puede ser blanca y naranja. Este hecho indicó por primera vez la existencia de cerio en dos formas de valencia. El científico restauró la tierra y llegó a la conclusión de que el cerio es un metal diferente a cualquier otro conocido en ese momento [46] . Posteriormente (de 1839 a 1843) Karl Mosander demostró que esta y las tierras de itrio descubiertas anteriormente eran mezclas de óxidos de varios lantánidos [20] . El elemento fue aislado en forma metálica por W. Hillebrand y T. Norton recién en 1875 [44] .
En 1826, Karl Mosander, estudiante, asistente y uno de los amigos cercanos de J. Berzelius, investigó la tierra de cerio y concluyó que era heterogénea: podía contener al menos un elemento nuevo. Para probar esta suposición, se necesitó mucha cerita [47] . En 1839, buscando aislar una droga pura de la tierra de cerio, el científico la trató con ácido nítrico y cristalizó la sal, evaporando el agua. También descubrió que esta sal (al estar contaminada con nitrato de cerio [48] ) se descompone cuando se calienta y se convierte en una sustancia amarillenta. Al tratar este residuo terroso amarillo con ácido nítrico diluido, se observó que la parte fuertemente coloreada no se disolvía en ácido: se trataba de dióxido de cerio , que fue encontrado por primera vez por Vauquelin [46] [K 7] . Después de eliminar el nitrato de cerio de la solución, el científico logró extraer una nueva tierra de lantano [48] , cuyo nombre fue propuesto por Berzelius y dado por Mosander el 12 de febrero de 1839 [49] . El elemento, siendo el antepasado de un grupo de elementos, fue descubierto en segundo lugar después del cerio solo como una impureza. Es posible que el lantano se llamara así porque se "escondió" de los científicos durante 36 años [50] . Se obtuvo en forma relativamente pura en 1923 [51] .
En enero de 1840, Mosander logró aislar dos fracciones de una solución de amatista de sulfato de lantano :
A partir de ese momento, el científico pudo comprobar que el color amatista de las sales de cerio y óxidos de lantano se debía a la presencia de óxido de Lar , y se volvían marrones cuando se calentaban al rojo vivo en el aire [55] . Carl Mosander en 1842 [56] nombró al óxido desconocido La r - didimio (Di) [55] para mostrar su conexión con el lantano y el cerio ya descubiertos [33] [57] [52] . Después de eso, el científico se convenció de que el didimio se obtenía en su forma pura y nunca volvió a él [58] , y el nombre que le dio al "elemento" apareció en los libros de texto sobre química de la época durante otros 50 años [56] .
Preocupado por la homogeneidad de las muestras de las que se extraía el itrio e inspirado por los avances en el estudio de la cerita, Carl Mosander inició el estudio de la gadolinita [59] . En el otoño de 1842, el científico se convenció de que muestras de tierra de itrio , aisladas de gadolinita , cerita, cerina , ortita , todas ellas contenían, además del “verdadero” óxido de itrio (ya que daban sales incoloras), también un óxido amarillo desconocido, menos básico, en soluciones de sus sales - amatista. En febrero de 1843, esta tierra recibió el nombre de Odín (en honor al dios Odín ), pero los resultados de experimentos posteriores realizados en abril lo convencieron de que había al menos tres óxidos en la tierra . A partir de una solución de ácido nítrico y óxido de itrio, Mosander, por precipitación fraccionada, obtuvo sales básicas de amonio , con fuerte calentamiento de las que se obtuvieron tres óxidos diferentes, no similares a los obtenidos anteriormente. (Un poco antes, en 1842, Jöns Berzelius realizó un trabajo que confirmaba la división de la tierra de itrio en tres óxidos, pero en abril de 1843 aún no se había publicado). Para el óxido más básico (de color blanco, incoloro en sus sales) el científico dejó el antiguo nombre - tierra de itrio , el siguiente - en orden descendente de propiedades básicas - se llamaba óxido de terbio , en su forma pura, presumiblemente - blanco (soluciones salinas - rosa [60] ), y el tercero - óxido de erbio : cuando calentado en el aire, el óxido se pintó en un tono oscuro de color amarillo anaranjado, que se perdió cuando se calentó en una atmósfera de hidrógeno (datos recientes nos permitieron concluir que tiene dos estados de valencia ) [23] . El iterbio y el tulio se aislaron más tarde del erbio, que se descubrió definitivamente en ese momento [61] .
La actividad del científico llevó a la conclusión de que la familia se expandió en 1843 a seis elementos [62] [63] : los compuestos de cerio son amarillos, los compuestos de lantano son blancos, los compuestos de didimio son rojos, los compuestos de itrio y erbio son blancos, los compuestos de terbio son rosa [K 8 ] . Para probar el descubrimiento en ese momento, se requería obtener datos sobre el aislamiento (obtención), el color, la forma de los cristales y la capacidad de formar compuestos con un elemento [22] . Pero incluso a pesar de la autoridad del descubridor, la historia del descubrimiento del terbio fue cuestionada repetidamente, por ejemplo: R. V. Bunsen y P. T. Kleve encontraron solo dos óxidos en la tierra de itrio [60] . Más tarde, los científicos volvieron a confirmar la existencia del elemento: estudios de gadolinita por Marignac (1878), aislamiento del elemento de samarskita por L. Smith (en el mismo año), comunicación de J.-L. Soret sobre el estudio de los espectros de absorción del elemento (1880), la recepción de preparados puros por J. Urbain (principios del siglo XX) - todos ellos confirmaron los estudios de Mosander [64] [60] . El erbio se obtuvo en forma metálica bastante pura en 1934 [65] .
D. I. Mendeleev se adhirió a la idea, que luego confirmó mediante la investigación, de que los elementos de tierras raras son trivalentes. Como resultado, en la primera mitad del siglo XIX , se estableció no sólo la existencia de la gran patria de los elementos, sino que también se estudiaron algunas propiedades individuales [66] .
En 1848, J. Berzelius , un destacado químico que se había dedicado a la ciencia durante casi 50 años, murió, y en los siguientes 30 años, el interés de los científicos por la química orgánica eclipsó a la química inorgánica : la mayoría de los compuestos metálicos se aprenden a obtener por métodos tradicionales. métodos de precipitación fraccionada y cristalización - quedó claro que ha terminado un período brillante en la historia del descubrimiento [67] . Un mayor progreso requería nuevos conceptos y desarrollos en técnicas de aprendizaje [63] .
Sin embargo, el estudio de las tierras raras no se detuvo, a pesar de que en un principio la atención se centró principalmente en el lantano, el cerio y el didimio. Una nueva figura destacada en el estudio fue Jean Charles Marignac, quien poco después identificó tres nuevos elementos; también determinó con mayor precisión las masas atómicas de varios elementos (cerio, lantano y didimio), perfeccionó el método de separación desarrollado por Mosander, que permitió obtener preparaciones más puras. En 1848 calculó el peso atómico del cerio en la reacción del sulfato de cerio (III) con cloruro de bario (luego modificado varias veces por otros investigadores), y un año después calculó los pesos del lantano y del didimio. En 1853 estudió en detalle las propiedades químicas del didimio: color, cristales de sal, solubilidad, métodos de obtención de haluros, sulfuros, fosfatos, sulfatos, oxalatos, compuestos con arsénico; dos años más tarde hizo lo mismo con el lantano [68] .
El paso adelante necesario para el desarrollo ulterior de la ciencia mediante el análisis espectral lo dieron R. Bunsen y G. Kirchhoff en 1859 [63] .
Mark Delafontaine en 1864 comenzó a trabajar con gadolinita: el erbio y sus compuestos fueron estudiados en detalle por varios métodos, incluido el uso de un quemador de gas . También proporcionó pruebas bastante claras del descubrimiento del erbio, pero no del terbio [69] . Y si la existencia del primero fue finalmente confirmada al encontrar en el espectro solar por C. Young en 1872 [70] , entonces la presencia del segundo en la naturaleza fue negada por O. Popp (negó la existencia tanto del terbio como del erbio). [71] ), J. Bar , R. Bunsen , P. T. Cleve . Los resultados de varios estudios posteriores hasta principios de la década de 1880. llevó a más y más confusión: la existencia de terbium fue confirmada o negada, Delafontaine informó del descubrimiento de varios "elementos" más (mosandria, filipium, decipium), etc. [K 9] [69]
La comprensión de que los elementos se pueden organizar en una serie lógica, grupo por grupo, como lo sugiere la tabla periódica de D. I. Mendeleev desde 1869, no llegó de inmediato [63] . También permitió ver la dirección de nuevos descubrimientos, poner un "mapa" en manos de los científicos, cuya comprensión llevó mucho tiempo [72] . Así, por ejemplo, la nota de Delafontaine de que el didimio no es homogéneo fue confirmada por Lecoq de Boisbaudran en 1875 mediante un estudio paralelo de los espectros del galio (ekaaluminum), el primer elemento "eka" predicho por la tabla de D. I. Mendeleev, que refleja la realidad del elemento de existencia y que tenía una explicación más compleja de la posición de los elementos [73] . Un poco antes, en 1870, el propio D. I. Mendeleev predijo la existencia de ecabor ( escandio ) [74] , cuyos espectros fueron descubiertos por L. Nilson en 1879, y un año más tarde, también aisló el óxido de escandio con una mezcla de iterbio. de oxenita [ 75] .
El descubrimiento del escandio incluso antes de su descubrimiento en la naturaleza ayudó significativamente en la formación y aprobación del sistema periódico de elementos químicos [75] . Además, los investigadores proporcionaron varias posiciones de elementos en la tabla en un intento de resolver el problema de la posición de los elementos de tierras raras [76] porque había una falta de conocimiento en teoría; mientras que la mayoría de los elementos encajan bien en ciertas celdas (lugares) de la tabla, los metales de tierras raras con sus propiedades muy similares permanecieron en una posición indeterminada, sirviendo como fuente de inspiración para los investigadores [77] .
La investigación de Carl Gustaf Mosander (1797-1858) llevó a muchos químicos a investigar minerales que contienen cerio e itrio. Sin embargo, el progreso fue lento hasta que los científicos a fines de la década de 1870. no aprendió a estudiar las propiedades químicas mediante espectroscopia (además de mejorar las técnicas de separación). En los años siguientes, el progreso en el estudio y descubrimiento de los elementos fue mucho más rápido [66] [78] . Gracias al análisis de los espectros, se descubrieron (o se confirmó que existen) algunos de los representantes: terbio, iterbio, holmio, tulio y samario. Por otro lado, el uso de una técnica más sensible también condujo a conclusiones erróneas: incluso una pequeña cantidad de impurezas en la preparación estudiada podría cambiar mucho el espectro registrado [79] .
Jean Marignac logró el éxito al aislar la tierra de iterbio de la tierra de itrio el 22 de octubre de 1878 [80] de la siguiente manera: a partir de una mezcla de terbio con itrio, el investigador aisló un precipitado de erbio y concluyó que era heterogéneo basándose en el hecho de que el óxido de un elemento desconocido (el iterbio) era, como y sus sales, incoloro, en contraste con el óxido de erbio [73] ; al mismo tiempo, el investigador llegó a una conclusión sobre el estado trivalente del elemento y calculó el peso atómico - 172 [81] [K 10] . Esta tierra fue revisada por L. Nilson y otros científicos, quienes estaban casi completamente convencidos de su pureza, pero algunos creían que había impurezas en ella. Entre estos últimos se encontraban J. Urbain en Francia y K. Auer von Welsbach en Austria (más tarde, ambos descubrieron de forma independiente el lutecio, en 1907 y 1908, respectivamente), W. Crookes llegó a la misma conclusión (anunció el descubrimiento de varios elementos), los espectroscopistas F. Exner y E. Hasek (1899), y E. A. Demarce , estudiando los espectros, en 1900 descubrieron el elemento " Θ " y anotaron su entrada en la tierra de Marignac [81] .
El mineral samarskita (descubierto por G. Rose en 1839 y llamado así por un ingeniero de minas ruso ) atrajo mucho la atención de los investigadores en 1878; M. Delafontaine, estudiando muestras del mineral, descubrió un excelente espectro de absorción de la didima a partir de la cerita aislada. Como fuente potencial de nuevos elementos, el mineral fue estudiado por P. E. Lecoq de Boisbaudran , quien encontró líneas inexplicables en el espectro que sugerían un nuevo elemento. Más tarde se demostró que podía separarse del didimio y el decipio sobre la base de diversas propiedades químicas, y el 16 de julio de 1879, el investigador informó del descubrimiento del samario, aislado del mineral por primera vez [64] [73] [82] .
Per Theodor Cleve en 1879, al estudiar el erbio, que quedó después de la separación del iterbio, llegó a la conclusión de que la fracción era heterogénea: el espectro registrado por R. Alain ayudó a comprender que contenía una impureza. El investigador dividió la sustancia en tres fracciones: la primera era similar al itrio, la segunda al iterbio y la tercera al erbio. Entre las supuestas líneas del espectro del erbio, una (línea) estaba presente solo en la fracción cercana al iterbio, pero no al propio iterbio; el segundo es similar, solo en una fracción cercana al itrio, pero no al propio itrio; ambas líneas estaban muy débilmente presentes en el espectro de la fracción de erbio. El científico se dio cuenta de que había descubierto dos nuevos elementos e inmediatamente les dio nombres: tulio y holmio. Al mismo tiempo, Kleve hizo una nota de que la división de los elementos no era definitiva [83] . Tan pronto como sucedió esto, resultó que un año antes, J.-L. Soret encontró el mismo espectro de absorción de holmio en una muestra de erbio obtenida de J. Marignac; el investigador lo designó como elemento "X" [75] . Al mismo tiempo, Lecoq de Boisbaudran confirmó los estudios tanto de Cleve como de Soret [84] .
La incertidumbre acerca de la presencia de nuevos elementos condujo al estudio intensivo del samario, lo que resultó en el descubrimiento de dos lantánidos: el gadolinio y el europio [85] . En 1880, J. Marignac comenzó a estudiar la samarskita. Mediante la aplicación de precipitación fraccionada y el uso de sulfato de potasio seguido del aislamiento de oxalatos , se obtuvieron dos terrenos potencialmente nuevos: Yα e Yβ. El análisis espectral de Soret sugirió que Yβ era samario, y Yα no era similar a ninguno de los elementos conocidos, incluido el decipio [85] . En 1881, Delafonte obtuvo un decipium más puro, lo que permitió concluir que era similar al elemento Yα y que anteriormente había habido una mezcla de samario [84] .
PE Lecoq de Boisbaudran (con la aprobación de Marignac) sugirió en 1880 que el elemento se llamara gadolinio, pero no se sabe si el elemento recibió el nombre de Johan Gadolin o el mineral, o ambos; sin embargo, el gadolinio es el único lantánido cuyo nombre proviene del hebreo : la raíz gadol ("grande") fue elegida como apellido por el padre del científico y proviene del nombre de la granja en Finlandia ( finlandés Maunala ) en la que vivía [9 ] . En 1886, Marignac nombró al elemento Yα, gadolinio [84] .
En 1885, E. A. Demarcet recibió muestras contaminadas de samario de P. T. Cleve y, tras examinar las líneas espectrales, dudó de la presencia de impurezas. Esta pregunta permaneció abierta durante varios años, y más tarde incluso Lecoq de Boisbaudran y Demarcet informaron del descubrimiento de impurezas (en 1892 y 1893). E. A. Demarce obtuvo un compuesto de europio puro en 1901. Un poco más tarde, Georges Urbain (1903 y 1904) informó sobre el aislamiento del europio del gadolinio utilizando un nuevo método, donde el bismuto era el elemento separador [85] .
En 1882, B. Brauner informó (además de J. Marignac en 1853, M. Delafonte en 1875 y P. T. Cleve en 1882) la heterogeneidad del didimio, marcando la impureza con la entrada Diγ, y un año después confirmó sus suposiciones. Unos años más tarde, durante los cuales K. Auer von Welsbach se dedicaba a la separación de varios lantánidos descubiertos, gracias a la repetición de más de cien veces de operaciones de cristalización fraccionada (no precipitación) y análisis de los espectros, en 1885 fracciones de praseodidio (verdoso) y neodidio [86] [87] . Más tarde, sus nombres se acortaron a praseodimio y neodimio, y en 1890 el descubrimiento fue confirmado de forma independiente por A. Bettendorff [87] . El neodimio [88] fue el primero en obtenerse en forma metálica relativamente pura en 1925, y el praseodimio [89] en 1931 .
Un estudio detallado del holmio realizado por Lecoq de Boisbaudran condujo al descubrimiento del disprosio en 1886. El nuevo elemento recibió ese nombre porque su aislamiento requería 32 tediosas operaciones para precipitar las sales de amonio y las 26 operaciones posteriores para obtener oxalatos; el estudio posterior de espectros y fluorescencia permitió descubrir un nuevo elemento [75] . El descubrimiento del disprosio fue recibido por los químicos sin la incredulidad y controversia habituales en la época [84] ; Hasta 1950, el metal (junto con otros elementos de tierras raras) no podía obtenerse en forma pura hasta que se desarrollaron las reacciones de intercambio iónico y la técnica de reducción metalográfica desarrollada por F. Spedding [90] .
A principios del siglo siguiente, muchos químicos estaban convencidos de la existencia de los siguientes elementos: lantano, cerio, praseodimio, neodimio, samario, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio [91] .
El largo camino para estudiar y encontrar la mayoría de los lantánidos en la naturaleza se completó gracias a las investigaciones de J. Urbain , quien en 1907 (más de un siglo después del descubrimiento del cerio [43] ) en el iterbio de J. Marignac reveló la presencia de lutecio [66] . Un año más tarde e independientemente de Urbain, en 1908 este elemento fue descubierto por C. Auer von Welsbach, quien lo denominó Cassiopeia [19] . Los nombres lutecio y casiopea se usaron en paralelo durante varias décadas, y el último estuvo en uso en Alemania y Austria hasta la década de 1950 [79] .
Si el análisis espectral permitía identificar elementos de tierras raras individuales en diferentes rocas, para sacar una conclusión sobre su grado de pureza, entonces no podía sugerir nada sobre la abundancia inicial de lantánidos, para prever la existencia de nuevos elementos. La respuesta a la última pregunta se dio después de estudiar los espectros de rayos X de REE. Así, usando la ley de Moseley , se encontró que el lantano tiene el número atómico 57, el elemento más pesado de la familia de los lantánidos es 71. Después de la determinación espectral de rayos X de los números atómicos de todos los lantánidos conocidos, se encontró que entre ellos había no hay ningún elemento con el número 61 [92] . Un grupo de científicos italianos de la Universidad de Florencia anunció el descubrimiento del florencio en 1924. Un informe similar sobre el descubrimiento del illinio (en honor al estado de Illinois ), sonado dos años después, también fue prematuro [76] .
Comenzó la búsqueda de este elemento. Cincuenta muestras de minerales lantánidos se sometieron a un estudio exhaustivo en las regiones ópticas y de rayos X del espectro; no se encontró el elemento 61. El químico alemán L. Prandtl sugirió que este elemento o no existe, o su presencia en la naturaleza es tan pequeña como la del tecnecio . Sin embargo, el investigador alemán I. Noddak , conocido por buscar elementos análogos al manganeso y especialmente al renio , planteó una hipótesis sobre la inestabilidad de los átomos del elemento 61, es decir, sobre su radiactividad : la base de tal La hipótesis era que el elemento 62, el samario, tiene una emisión radiactiva débil, y la hipótesis se confirmó. Los átomos del elemento 61 se obtuvieron debido a reacciones nucleares [92] : en 1945, los investigadores estadounidenses J. Marinsky, L. Glendenin y C. Coryell obtuvieron 61 elementos [93] (en forma del nucleido 147 Pm ) y los identificaron químicamente dos isótopos, mediante cromatografía de intercambio iónico. En 1947 se anunciaron sus propiedades químicas para probar el descubrimiento, y un año después se le dio el nombre [94] [95] [96] .
Tendencias en el aprendizajeEn 1937, W. Klemm y G. Bommer prepararon REE en una forma que les permitió describir varias de las propiedades de los metales: describir sus estructuras cristalinas, susceptibilidad magnética , densidades y también confirmar los datos de 1925 de Viktor Goldschmidt sobre la compresión de lantánidos ( Die alemán Lanthaniden-Kontraktion) con un aumento en el número de serie. El trabajo llevó a la conclusión de que los elementos no son tan similares entre sí, a juzgar por sus propiedades, como generalmente se creía anteriormente: se describieron estados divalentes para Eu e Yb, y la valencia de Ce resultó ser mayor que 3+ . Las diferencias aumentaron gradualmente con su estudio adicional [97] [98] [99] .
Desde mediados del siglo XX, diversas cuestiones relacionadas con la taxonomía de los lantánidos, Sc e Y, han sido objeto de numerosos trabajos publicados, lo que ha llevado, en general, a una comprensión más profunda de la naturaleza química, metalúrgica y física. de los 17 elementos [99] . Durante la Segunda Guerra Mundial y en los años siguientes, F. Spedding [K 11] estudió y amplió significativamente la técnica de separación de elementos de tierras raras utilizando resinas de intercambio iónico . Cientos de kilogramos de óxidos puros de los elementos fueron separados y producidos en el Laboratorio Ames . Paralelamente, los metales de tierras raras estuvieron gradualmente disponibles para su uso y estudio de sus propiedades. Después de 1957, cuando la industria comenzó a obtener compuestos de alta pureza, los precios de algunos de ellos (de Eu a Lu) cayeron una media de 282 veces [97] [K 12] .
El estudio de las propiedades físicas básicas, en particular el magnetismo en metales, aleaciones y compuestos, ha sido objeto de intenso estudio por parte de los científicos durante varias décadas. En la década de 1960 - principios de la década de 1970. la atención principal se centró en los lantánidos "pesados"; Sin embargo, los "pulmones" atrajeron la atención en la década de 1970, cuando estuvieron disponibles en forma de cristales [100] . En los mismos años comenzaron a aparecer trabajos relacionados con el efecto de los metales en el cuerpo humano [101] : se encontró 144 Ce radiactivo en huesos de animales y moluscos [102] , así como en pulmones y ganglios linfáticos de personas que inhalaron aerosoles radiactivos [103] . A mediados de la década de 1980. La atención de los científicos fue atraída por sus propiedades anticorrosivas: se publicaron trabajos que describían el efecto positivo de los cloruros de REE en la inhibición de la corrosión de ciertos metales (por ejemplo, el aluminio) en electrolitos que contienen cloro [104] [105] [106] .
Desde el Proyecto Manhattan , EE. UU. ha sido un centro de investigación sobre REE y tecnologías relacionadas. A principios de la década de 1980 el centro del "poder" se ha trasladado a Japón debido a los rápidos avances en las industrias electrónica y automotriz del país , y actualmente se está trasladando a China, quizás por las mismas razones (incluida la ubicación geográfica ventajosa) [107] .
El número total de artículos científicos registrados en el Chemical Abstracts Service en 1990 fue de aproximadamente 490.000 , de los cuales 18.000 se ocuparon del estudio de elementos de tierras raras ; en 2007 el total rozaba los 1.000.000 , de los que cerca del 3% eran REE. La mayoría de los materiales se publicaron sobre temas relacionados con los óxidos del grupo (hasta 5000 artículos, 2008), luego espectroscopia (más de 1400 artículos, 2008), magnetismo (hasta 1400, 2006), imanes (igual), catálisis y catalizadores (hasta 1400, 2008) [107] .
Los minerales más importantes de los elementos de tierras raras [108] | |||
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Nombre | La composición del mineral. | El contenido de elementos del grupo del cerio, % |
El contenido de elementos del grupo itrio, % |
monacita | REE y ortofosfatos de torio (Ln, Th) PO 4 |
42-70 | 0,5—5 |
bastnasita | REE fluorocarbonatos (Ce, La) CO 3 F |
73-76 | 0,0—0,1 |
loparita | Titanoniobatos REE, calcio | 30.7-34 | 0,0—0,5 |
cerita | silicatos REE | 59.4-70 | — |
euxenita | Titanoniobatos REE, calcio (Y, Ca, Ce,) (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 |
0,2—4,3 | 18,2—28,1 |
Xenotim | REE ortofosfatos YPO 4 |
0,3—5 | 52-63 |
gadolinita | Silicatos de REE, hierro, berilio | 2,9—7,9 | 31-46,6 |
Samarskit | tantaloniobato de itrio, erbio, etc. | 0,3—1,7 | 9.1-38 |
Fergusonita | Una mezcla de tantaloniobatos , titanoniobatos de samario, itrio, erbio y hierro |
0,9—6,2 | 31,2—42,3 |
pirocloro | (Na, Ca, Ce, Y, Th, U) 2 (Nb, Ta, Ti, Fe) 2 O 6 (OH, F) |
0,78—7,5 | 0,1—0,6 |
Los lantánidos están ampliamente distribuidos en la naturaleza. Su distribución en la corteza terrestre es del 0,015 % [109] . Su concentración total se acerca a los valores de abundancia de cobre , plomo , zinc [109] , estaño , oro [19] , arsénico , que no son elementos raros en la naturaleza. No hay rocas en la tierra que no contengan al menos una pequeña mezcla de cerio, lantano, praseodimio, itrio, etc. Los lantánidos se encuentran en apatitas , baritas , granitos , basaltos , piroxenitas , andesitas , arcillas , agua de mar, etc. Además, también se encontró su presencia en carbón , petróleo , en diversos suelos, animales y plantas [92] .
Distribución geológica de las reservas de metales [110] | |
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País | Reservas de óxidos, t |
Porcelana | 55,000,000 |
países de la CEI | 19,000,000 |
EE.UU | 13,000,000 |
India | 3,100,000 |
Australia | 1,600,000 |
Brasil | 48 000 |
Malasia | 30,000 |
Otro | 22,000,000 |
Total | 113 778 000 |
Sin embargo, los lantánidos siguen siendo elementos traza y no se encuentran a menudo en minerales que se reciclan fácilmente. Solo algunos países ( India , Sudáfrica ) tienen suficientes depósitos para producir concentrados, pero más del 95% de todos los depósitos se encuentran en China . Paradójicamente, debido al aumento de su papel en la agricultura y la industria, también se ha incrementado su impacto negativo sobre el medio ambiente [109] . En la naturaleza, hay acumulaciones más concentradas de REE. En la primera mitad del siglo XIX, se identificaron varios minerales que contienen lantánidos. El contenido de este grupo de elementos en los minerales se acerca a las 250 especies. Hay aproximadamente 60 a 65 tipos de minerales en los que los REE constituyen del 5 al 8 % en peso. La mayoría de los minerales contienen cerio y elementos cercanos a él (metales de cerio). Se sabe mucho menos acerca de los minerales que contienen itrio y lantánidos pesados [108] .
La concentración de lantánidos "ligeros" suele ser mayor que la de los "pesados": la mayoría de los depósitos de elementos contienen del 80 al 99% de compuestos de lantano, cerio, praseodimio y neodimio. Los metales se pueden extraer en la forma de sus óxidos o en forma pura ( mischmetal ) seguido de una separación. Solo el lantano, el cerio, el praseodimio y el itrio se extraen por separado y representan alrededor de una cuarta parte de la producción total [111] .
Ricos depósitos de lantánidos (elementos de tierras raras) se encuentran en la India ; La arena de monacita se encuentra en las playas costeras de Travankori, en Brasil , Australia , EE . UU ., África , Escandinavia , etc. En Europa, los minerales REE se encuentran en la península de Kola , los Urales , Ucrania , en Asia, en Kazajstán , Siberia .
En junio de 2011, investigadores de Japón descubrieron extensos depósitos de metales, lantánidos e itrio, en el fondo del Océano Pacífico . En aguas internacionales , en 78 sitios ubicados a una profundidad de 3,5 a 6 km, se eliminaron depósitos de sedimentos del fondo [115] . Según las estimaciones de los científicos, el volumen total de sedimentos que contienen metales en el fondo del océano es de aproximadamente más de 110 millones de toneladas [116] . Los sitios de estudio se eligieron de manera que cubrieran la mayor parte de la superficie del fondo. Las áreas más ricas en compuestos (principalmente sedimentos que contienen metales, arcilla zeolítica , arcilla roja ) se ubican desde el centro (aproximadamente 13°30′ N 175°00′ W ) hacia el sureste ( 15° S lat 145° W ) áreas del océano. Sin embargo, mientras la profundidad de 4 a 5 km, donde se encuentra la mayor parte del limo rico en óxido, influya fuertemente en la viabilidad económica y tecnológica de la minería, los depósitos seguirán siendo un recurso muy prometedor para la minería [117] .
Los principales minerales de los que se extraen los metales de tierras raras son la bastnasita , la monacita , la xenotima y las arcillas de absorción de iones [118] .
Composición elemental de algunos yacimientos metálicos (en %) [118] [119] | |||||||
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Mount Weld (CLD) [K 16] (Australia) |
Mount Weld (Duncan) [K 16] (Australia) |
Paso de montaña (EE. UU.) |
Bayan-Obo (China) |
Cantón (China) |
Xun Wu (China) |
Longan (China) | |
Mineral | monacita secundaria | Iglesia | bastnasita | bastnasita | Xenotim | laterita | laterita |
Lantano | 25.57 | 23.93 | 33.2 | 23 | 1.2 | 43.4 | 1.82 |
Cerio | 46,9 | 39.42 | 49.1 | cincuenta | 3 | 2.4 | 0.4 |
Praseodimio | 4.92 | 4.85 | 4.34 | 6.2 | 0.6 | 9 | 0.7 |
neodimio | 16.87 | 18.08 | 12 | 18.5 | 3.5 | 31.7 | 3 |
Samario | 2.29 | 2.87 | 0.8 | 0.8 | 2.2 | 3.9 | 2.8 |
europio | 0.49 | 0.77 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.5 | 0.1 |
gadolinio | 1.33 | 2.15 | 0.2 | 0.7 | 5 | 3 | 6.9 |
Terbio | 0.13 | 0.29 | — | 0.1 | 1.2 | — | 1.3 |
disprosio | 0.31 | 1.36 | — | 0.1 | 9.1 | — | 6.7 |
holmio | 0.04 | 0.21 | — | — | 2.6 | — | 1.6 |
erbio | 0.113 | 0.46 | — | — | 5.6 | — | 4.9 |
Tulio | 0.01 | 0.04 | — | — | 1.3 | — | 0.7 |
Iterbio | 0.05 | 0.2 | — | — | 6 | 0.3 | 2.5 |
lutecio | 0.02 | 0.03 | — | — | 1.8 | 0.1 | 0.4 |
Hay tres áreas mineras principales en China: en Baotou , Sichuan y Jiangxi , que representan el 88% de todos los depósitos del país. En Bayan-Obo (Baotou, Mongolia Interior ), se concentra aproximadamente el 83% de los depósitos de China, en la provincia de Shandong - 8%, en la provincia de Sichuan - 3% (hay depósitos de lantánidos ligeros en estas provincias); El 3% de los depósitos pesados de lantánidos se encuentran en la provincia de Jiangxi, ubicada en el sur de China [118] [120] .
La abundancia de elementos en bastnasita y monacita de Bayan-Obo es similar: 26% es La 2 O 3 , 50% es Ce 2 O 3 , 5% es Pr 2 O 3 , 16% es Nd 2 O 3 y 1% Sm 2 O 3 (otros menos del 1%). En la provincia de Sichuan, la bastnasita se desarrolla con la siguiente composición: 37% - La 2 O 3 , 47% - Ce 2 O 3 , 4% - Pr 2 O 3 , 10% - Nd 2 O 3 (otros - menos de 1%). En el sureste de China se conoce la presencia de arcilla laterítica que contiene REE; en varias provincias ubicadas alrededor de Jiangxi, se están desarrollando arcillas absorbentes de iones, que muestran una composición bastante diferente: 2-30% - La 2 O 3 , 1-7% - Ce 2 O 3 y Pr 2 O 3 , 3-30% - Nd2O3 , 2-7 % - Dy2O3 [ 118 ] [ 121 ] [122] . Es gracias a este último que se logra el suministro mundial de metales del grupo del itrio; por lo general, y más fácilmente, se extraen de tales arcillas en el lugar; este proceso consume mucha menos energía que la extracción de rocas duras [114] [123] [124] .
Otros sitios explorados en las provincias de Yunnan , Guizhou y Sichuan incluyen la corteza basáltica meteorizada, que es objeto de una mayor exploración de depósitos potenciales [125] .
El nivel de extracción de elementos de tierras raras por parte de China es actualmente el 80% o más del nivel mundial [126] .
El costo de los compuestos metálicos en 2009 (estimado) [127] y 2011 [128] . | |||||
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Óxido de metal | Pureza, % | Costo, USD/kg | |||
2009 | 2011 | ||||
Lantano | 99.99 | treinta | 100 | ||
Cerio | 96-99,50 | treinta | 100 | ||
Praseodimio | 96 | 38 | 225 | ||
neodimio | 95 | 42 | 270 | ||
Samario | 99.90 | 130 | 118 | ||
europio | 99.99 | 1600 | 3 300 | ||
gadolinio | 99.99 | 150 | 239 | ||
Terbio | 99.99 | 900 | 2750 | ||
disprosio | 99 | 170 | 1600 | ||
holmio | 99.90 | 750 | — | ||
erbio | 96 | 100 | 255 | ||
Tulio | 99.90 | 1500 | — | ||
Iterbio | 99 | 325 | 450 | ||
lutecio | 99.99 | 1800 | 4000 |
La demanda de REE ha crecido en los últimos 35 años de 30.000 toneladas (década de 1980) a unas 120.000 toneladas (2010), cifra superior a la producción de compuestos metálicos en 2011: 112.000 toneladas [116] . El consumo de metales de tierras raras en 2014 ascendió a 120148 toneladas [129] . Los estudios realizados permitieron predecir la tasa de crecimiento anual compuesta (del inglés Compound annual growth rate ) demanda de 2014 a 2020. será del 3,9% (de 120148 toneladas a 150766 toneladas) principalmente debido a la fuerte demanda de óxidos de neodimio, praseodimio y disprosio (entre otros elementos de tierras raras) [130] .
En 2010, China impuso serias cuotas: la disminución del volumen de exportaciones de metales ascendió a casi un 70%, lo que se reflejó en el pico de crecimiento (2011) y caída (2012) de los precios [131] , y como resultado, el mundo precio de La de 2009 a 2012. aumentó por un factor de 5, con Sm y Tb por 5,8, con Er por 6,3, con Ce y Pr por 9, con Nd por 11 y con Dy por 12,4 [132] . Después de este evento, se iniciaron muchos proyectos para desarrollar sitios de minería de metales en varios países [131] , así como para explorar (posibles) nuevos [117] [133] [134] [135] [136] , lo que condujo a un aumento de los recursos fuera de los países en más de 7 veces, de 13,4 (2010) a 100,2 millones de toneladas (2015) [126] .
Según algunos supuestos, en la actualidad, el aumento de los precios también puede deberse a un desequilibrio entre la demanda de metales de tierras raras individuales y su contenido cuantitativo en minerales [137] .
Además de buscar sitios de minería, se publican reseñas:
Datos recientes muestran que el nivel de procesamiento de REE es inferior al 1 % (2011) [156] [157] o del 1 al 2 % (2013) [158] [159] en términos de EOL-RR ( reciclado al final de su vida útil). tasa - porcentaje de la cantidad de metal que va a ser procesado en un producto usado).
En 2002 , el Servicio Geológico de EE. UU. publicó una opinión sobre la importancia crítica de estos metales para las altas tecnologías [160] . La Comisión Europea en 2010 también reconoció al grupo como crítico y de mediana importancia para la economía [5] [161] , y el Instituto de Energía y Transporte , parte del Centro de Investigación Conjunta , debido al riesgo de mercado y factores políticos, aislado neodimio y disprosio [162] . En 2014, la UNCTAD publicó un informe especial que indica el alto grado de dependencia de la producción china y la importancia de los elementos para los sistemas de defensa [5] [163] . muchos expertos[ ¿Qué? ] elementos se reconocen como los cuartos más importantes después del petróleo , el agua y el mineral de hierro [164] , y a veces se denominan "vitaminas" ("vitaminas industriales", "vitaminas para metales"): la adición de incluso pequeñas cantidades puede mejorar significativamente la propiedades beneficiosas del producto final [165] [166] [167] [168] [169] .
Usando el ejemplo de China, un país que fue simultáneamente el mayor productor , consumidor y exportador de REE [171] [K 18] , se puede concluir que ha habido un cambio significativo en la estructura del consumo de metales en un período de 20 años. periodo de 1988 a 2008. Entonces, si en 1988 más de la mitad (56%) del consumo correspondía a la industria metalúrgica y maquinaria, en 1998 ya era menos de un tercio (30%) y en 2008 - 15%. Por el contrario, la producción de imanes, fósforos, polvos de pulido, etc. en 1988 fue inferior al 1%, pero después de 10 años, el 18% y en 2008, el 52%. Otras áreas de consumo -química , petrolera , textil , industrias de iluminación , agricultura , para la producción de vidrios , lentes , materiales cerámicos- representan hasta el 56% para cada año individual del intervalo. Se espera un aumento significativo en el consumo de metales por parte de China en el futuro debido a un aumento en el número de empresas extranjeras que trasladan su producción y tienen la oportunidad de comprarlos más baratos a nivel nacional, lo que reduce el costo de fabricación del producto final y es uno de los principales estrategias del país que desean mantener el control de la industria [170 ] .
Elemento químico | La | Ce | PR | Dakota del Norte | Pm | SM | UE | Di-s | Tuberculosis | dy | Ho | Eh | Tm | Yb | Lu |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
número de cargo | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | sesenta y cinco | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 |
Imagen | — | ||||||||||||||
Densidad, g/cm³ | 6.162 | 6.77 | 6.77 | 7.01 | 7.26 | 7.52 | 5.244 | 7.9 | 8.23 | 8.54 | 8.79 | 9.066 | 9.32 | 6,90 | 9.841 |
Punto de fusión, °C | 920 | 795 | 935 | 1024 | 1042 | 1072 | 826 | 1312 | 1356 | 1407 | 1461 | 1529 | 1545 | 824 | 1652 |
Punto de ebullición, °C | 3464 | 3443 | 3520 | 3074 | 3000 | 1794 | 1529 | 3273 | 3230 | 2567 | 2720 | 2868 | 1950 | 1196 | 3402 |
Configuración electrónica [K 19] | 5d 1 | 4f1 5d1 _ _ | 4f 3 | 4f 4 | 4f5 _ | 4f 6 | 4f7 _ | 4f 7 5d 1 | 4f9 _ | 4f 10 | 4f 11 | 4f 12 | 4f 13 | 4f 14 | 4f 14 5d 1 |
rejilla metalica | DGPU | CHC | DGPU | DGPU | DGPU | R | CCO | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU |
Radio del metal, 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 | 173.8 |
Resistividad (a 25 °C), µOhm·cm |
57-80 (a 20°C) |
73 | 68 | 64 | — | 88 | 90 | 134 | 114 | 57 | 87 | 87 | 79 | 29 | 79 |
Susceptibilidad magnética , χ mol / 10 −6 (cm 3 mol −1 ) |
+95.9 | +2500 (β) | +5530(a) | +5930 (a) | — | +1278(a) | +30900 | +185000 (a 350K) |
+170000 (a) | +98000 | +72900 | +48000 | +24700 | +67 (β) | +183 |
Se sabe que los átomos de lantánidos tienen las siguientes configuraciones electrónicas [Xe] 4 f n 6 s 2 y [Xe] 4 f n −1 5 d 1 6 s 2 (donde n es un número del 1 al 14) [172] . El lantano ([Xe] 5 d 1 6s 2 ) no tiene electrones f , el cerio tiene uno ([Xe] 4 f 1 5 d 1 6 s 2 ), el praseodimio tiene 3. Además, con el aumento del número de serie, el número de f - los electrones aumentan gradualmente con la mitad del llenado del nivel 4 f en gadolinio (4 f 7 5 d 1 6 s 2 ) y su completa finalización en lutecio (4 f 14 5 d 1 6 s 2 ) [173] .
En el lantano, el gadolinio y el lutecio, 5 d 1 6 s 2 electrones son de valencia, por lo que estos elementos en los compuestos son exclusivamente trivalentes. En otros lantánidos, los enlaces de valencia se crean con la participación de 4 electrones f . Sin embargo, también tienen una valencia de 3. Teniendo en cuenta la estabilidad de las configuraciones 4 f 0 -, 4 f 7 - y 4 f 14 , los elementos Eu ([Xe] 4 f 7 6 s 2 ) e Yb ([ Xe] 4 f 14 6 s 2 ) [175] puede exhibir valencia 2, mientras que Ce ([Xe] 4 f 1 5 d 1 6 s 2 ) y Tb ([Xe] 4 f 9 6 s 2 ) incluso 4 [173 ] .
Los primeros potenciales de ionización de los lantánidos y junto con ellos los REE son pequeños: 5,61 (La)-5,64 eV ( Sc ). Los potenciales segundo y tercero tampoco son muy altos. Además, la ionización adicional de iones con carga simple o doble se lleva a cabo fácilmente, porque la energía necesaria para esto se obtiene como una ganancia de energía durante la formación de una red cristalina o hidratos de R 3+ más pequeños . Por lo tanto, los lantánidos forman fácilmente iones R 3+ . Por tanto, los enlaces que crean con otros elementos tienen un alto porcentaje de ionicidad [173] .
Todos los iones lantánidos Ln 3+ , con la excepción de La 3+ y Lu 3+ , tienen electrones 4f desapareados . Esto indica su paramagnetismo y rasgos característicos de los espectros de iones. Dado que las subcapas externas 5 s 2 y 5 p 6 apantallan muy notablemente los orbitales 4 f , los electrones 4 f n permanecen prácticamente sin cambios en todos sus compuestos.
Los lantánidos se caracterizan por su color plateado, maleabilidad , baja dureza y puntos de fusión medios , siendo el rango de valores de 804 °C (cerio) a 1700 °C (lutecio). Según los valores de densidad , los lantánidos se pueden dividir en dos grupos: ligeros y pesados. El primer grupo incluye lantano , cerio , praseodimio , neodimio , samario , europio y gadolinio . La densidad de estos metales es inferior a 8 g/cm³ . El resto de elementos forman el segundo grupo, en el que la densidad, excluyendo el iterbio , se encuentra entre 8,272 ( terbio ) y 9,482 g/cm³ ( lutecio ) [176] .
Los lantánidos metálicos se caracterizan por el paramagnetismo . La mayoría de los iones lantánidos de tres cargas también son paramagnéticos . Algunos de los metales lantánidos, a excepción del cerio, conservan sus propiedades paramagnéticas incluso a temperaturas muy bajas (temperatura del nitrógeno líquido ), mientras que otros cambian notablemente su paramagnetismo con el cambio de temperatura [176] .
El lantano y los lantánidos conducen el calor y la electricidad . El iterbio tiene la mejor conductividad eléctrica , peor: itrio, lantano, cerio, praseodimio y neodimio. Lo peor de todo es conducir electricidad con gadolinio y terbio. De ello se deduce que el cambio en la conductividad eléctrica con el aumento del número de serie aumenta de manera no uniforme. Y debido a esta propiedad, los lantánidos se dividen en dos grupos [177] .
El volumen atómico de los lantánidos se caracteriza por un cambio aún más desigual . La dependencia del volumen atómico o radios de los átomos de lantánidos de los números de serie tiene el carácter de una línea quebrada con picos al principio, en el medio y al final. Así, el cambio en las propiedades físicas de los metales lantánidos ya indica una periodicidad secundaria en esta familia y su división en dos grupos: cerio e itrio.
Una característica física importante de los lantánidos es su capacidad para absorber neutrones térmicos . A este respecto, se distinguen especialmente el gadolinio, el samario, el europio y el disprosio. Por ejemplo, para el cerio, la sección transversal de captura de neutrones térmicos es de 0,73 barn , mientras que para el gadolinio este valor es igual a 46 000. Además del cerio, el itrio (1,3 barn ) y el lantano (9,3 barn ) absorben neutrones de forma deficiente [173] .
La cuarta capa profunda 4f 14 se rellena con el átomo de lantánido . Por lo tanto, solo puede haber lantánidos 14. Dado que la estructura de las dos capas externas de electrones no cambia a medida que aumenta la carga nuclear, todos los lantánidos tienen propiedades químicas similares [178] .
En la naturaleza, los lantánidos se acompañan entre sí. El aislamiento de elementos individuales por métodos químicos es una tarea muy difícil debido a la gran similitud de sus propiedades.
PolimorfismoModificaciones polimórficas de los lantánidos [179] | |||||||||
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Elemento | Modificación | sistema de cristal |
Tipo de estructura |
Parámetros de celosía, pm | Símbolos de grupo espacial , Schoenflies y Pearson |
Rango de estabilidad | |||
a | C | ||||||||
Lantano | α-La | Hexagonal | α-La | 377.4 | 1217.1 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP4 | Habitación ritmo. y presión |
β-La | CHC | cobre | 530.45 | — | FM 3m _ | O5 horas |
cF2 | > 613K | |
γ-La | CCO | W | 426.5 | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1141K | |
β'-La | CHC | cobre | 517 | — | FM 3m _ | O5 horas |
cF4 | > 2 GPa | |
Cerio | α-Ce | CHC | cobre | 516.1 | — | FM 3m _ | O5 horas |
cF4 | Habitación ritmo. y presión |
β-Ce | Hexagonal | α-La | 367.3 | 1180.2 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP4 | >263K | |
γ-Ce | CHC | cobre | — | — | FM 3m _ | O5 horas |
cF4 | < 95K | |
α′-Ce | CHC | cobre | 482 | — | FM 3m _ | O5 horas |
cF4 | > 1,5 GPa | |
Ce-III | ortorrómbico | α- tú | — | — | cmcm | D17 2h |
oC4 | 5,1 GPa | |
Praseodimio | α-Pr | Hexagonal | α-La | 367.21 | 1183.26 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP4 | Habitación ritmo. y presión |
β-Pr | CCO | W | 413 | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1094K | |
γ-Pr | CHC | cobre | 488 | — | FM 3m _ | O5 horas |
cF4 | > 4GPa | |
neodimio | α-Nd | Hexagonal | α-La | 365.82 | 1179.66 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP4 | Habitación ritmo. y presión |
β-Nd | CCO | W | 413 | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1135K | |
γ-Nd | CHC | cobre | 480 | — | FM 3m _ | O5 horas |
cF4 | > 5GPa | |
Prometeo | α-Pm | Hexagonal | α-La | 365 | 1165 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP4 | Habitación ritmo. y presión |
β-Pm | CCO | W | — | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1163K | |
Samario | α-Sm | trigonal | α-Sm | 362.9 | 2620.7 | R 3m _ | D5 3d |
hR3 | compensación ritmo. y presión |
β-Sm | CCO | W | — | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1190K | |
γ-Sm | Hexagonal | α-La | 361.8 | 1166 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP4 | > 4GPa | |
gadolinio | α-Dios | GPU | miligramos | 363.36 | 578.1 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP2 | Habitación ritmo. y presión |
β-Gd | CCO | W | 406 | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1535K | |
γ-Di-s | trigonal | α-Sm | 361 | 2603 | R 3m _ | D5 3d |
hR3 | > 3GPa | |
Terbio | α-Tb | GPU | miligramos | 360.55 | — | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP2 | Habitación ritmo. y presión |
β-Tb | CCO | W | — | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1589K | |
Tb-II | trigonal | α-Sm | 341 | 2450 | R 3m _ | D5 3d |
hR3 | > 6 GPa | |
disprosio | α-Dy | GPU | miligramos | 359.15 | 565.01 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP2 | Habitación ritmo. y presión |
β-Dy | CCO | W | — | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1243K | |
α'-Dy | ortorrómbico | — | a=359,5, b=618,4, c=567,8 | cmcm | D17 2h |
oC4 | < 86K | ||
γ-Dy | trigonal | α-Sm | 343.6 | 2483 | R 3m _ | D5 3d |
hR3 | > 7,5 GPa | |
holmio | α-Ho | GPU | miligramos | 357.78 | 561.78 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP2 | Habitación ritmo. y presión |
β-Ho | CCO | W | — | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | a alta temperatura | |
γ-Ho | trigonal | α-Sm | 334 | 2450 | R 3m _ | D5 3d |
hR3 | > 4GPa | |
erbio | α-er | GPU | miligramos | 355.92 | 558.5 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP2 | Habitación ritmo. y presión |
β-Er | CCO | W | — | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | a alta temperatura | |
Tulio | α-Tm | GPU | miligramos | 353.75 | 555.4 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP2 | Habitación ritmo. y presión |
β-Tm | CCO | W | — | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | a alta temperatura | |
Tm-II | trigonal | α-Sm | — | — | R 3m _ | D5 3d |
hR3 | > 6 GPa | |
Iterbio | α-Yb | CHC | cobre | 548.48 | — | FM 3m _ | O5 horas |
cF4 | Habitación ritmo. y presión |
β-Yb | CCO | W | 444 | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1005K | |
γ-Yb | GPU | miligramos | 387.99 | 638.59 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP2 | <270K | |
lutecio | α-Lu | GPU | miligramos | 350.52 | 554.94 | P6 3 / mmc | D 46h _ |
HP2 | Habitación ritmo. y presión |
β-Lu | CCO | W | — | — | Mido 3m _ | O9 horas |
cI2 | > 1005K | |
Luis II | trigonal | α-Sm | — | — | R 3m _ | D5 3d |
hR3 | > 23 GPa |
Para el lantano y los lantánidos, el polimorfismo es característico, así como para los actínidos . Entonces, el lantano tiene tres modificaciones (α-, β- y γ-lantano), el cerio tiene cuatro modificaciones (α-, β-, γ- y δ-cerio). En condiciones normales, los lantánidos se caracterizan por una red hexagonal (a excepción del cerio) [177] .
Los lantánidos son químicamente activos, forman óxidos fuertes , haluros, sulfuros , reaccionan con hidrógeno , carbono , nitrógeno , fósforo . Descomponen el agua, se disuelven en los ácidos clorhídrico , sulfúrico y nítrico . En los ácidos fluorhídrico y fosfórico , los lantánidos son estables, ya que están cubiertos con películas protectoras de sales poco solubles : fluoruros y fosfatos .
Con una serie de compuestos orgánicos, los lantánidos forman compuestos complejos . Importantes para la separación de los lantánidos son los complejos con ácido cítrico y etilendiaminotetraacético .
Las primeras muestras de compuestos complejos caracterizados cristalográficamente de iones Tb 2+ , Pr 2+ , Gd 2+ , Lu 2+ mostraron que los iones de todos los Ln 2+ (excepto, posiblemente, el prometio) se pueden obtener en soluciones [180] [181 ] [182 ] .
Para determinar el contenido de lantánidos en una solución se puede utilizar el azul de calceína [K 20] [183] [184] .
Compuestos Binarios Óxidos e hidróxidosLos monóxidos de LnO (donde Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Ho, Er, Yb) son mecánicamente estables, tienen buena resistencia a la deformación plástica y tienen un carácter de enlace metálico . Los altos valores del módulo de Young , en comparación con el módulo de volumen y el módulo de corte , indican que los monóxidos de La, Ce, Nd, Sm, Eu, Ho, Er e Yb tienen un carácter más rígido que el TbO; La relación de Poisson entre todos los monóxidos anteriores está en el rango de 0,23 a 0,409, lo que indica su resistencia a la deformación externa. Los cálculos de la distribución de densidad de carga electrónica a lo largo del plano (100) en compuestos confirmaron los datos sobre la naturaleza covalente del enlace en LaO , SmO , EuO , ErO , HoO y la naturaleza iónica del enlace en CeO , PrO , NdO , TbO y YbO [185] .
HalurosEl yoduro de samario (II) , que se utiliza en química orgánica como uno de los agentes reductores más importantes en la síntesis orgánica [186] , se puede obtener, por ejemplo, mediante la descomposición a alta temperatura de su triyoduro [187] [188] [189 ] o por la reacción de polvo de samario con diyodoetano en THF anhidro en condiciones de laboratorio [190] . Los compuestos de disprosio (II) y tulio (II) son agentes reductores más fuertes en síntesis orgánica que los compuestos de samario (II) [191] [192] [193] [194] .
Gracias a los cálculos realizados, se obtuvieron datos experimentales sobre las propiedades en los compuestos LnX 4 (Ln = Ce, Pr, Tb; X = F, Cl, Br, I), en los que los niveles 4f y n p (para los lantánidos y haluros, respectivamente) se superponen significativamente entre sí. La contribución del nivel 4f al enlace Ln—X en tetrahaluros es aproximadamente un tercio mayor que en trihaluros (LnX 3 ) [195] .
Compuestos organometálicosLas revisiones en el campo de la síntesis de compuestos organometálicos del grupo de los metales se publican anualmente [181] [196] [197] [198] [199] .
Efectos en el subnivel 4fLa similitud de las propiedades químicas de los lantánidos es consecuencia de las peculiaridades de su estructura atómica: tienen el mismo número y tipo de electrones de valencia en la última sexta capa, a pesar del aumento de número atómico. Estos electrones de valencia, compensando el aumento de carga positiva en el núcleo, llenan el subnivel 4f parcialmente ocupado. Y como permanece sin llenar, los lantánidos tienen propiedades químicas similares [200] .
Debido al aumento de las fuerzas de atracción entre la carga positiva en el núcleo y la negativa en el subnivel 4f [200] , los lantánidos tienden a perder tres electrones (formando Ln III ) [172] y disminuyen su radio atómico . Pero hay excepciones cuando ciertos iones de elementos toman estados iónicos “inusuales”, por ejemplo: en el ambiente básico, el europio puede tomar un electrón y tomar un estado bivalente (Eu 2+ ), y en un medio ácido, el cerio puede perderlo y volverse tetravalente ( Ce 4+ ) [200] .
Las propiedades espectroscópicas únicas de los átomos del grupo se explican por el aumento radial en el orbital 4f, que, a su vez, es menor que el aumento en los subniveles 5s 2 y 5p 6 llenos. Esta propiedad dota a los elementos de especial atención por parte de los investigadores en el campo de la fotónica , en particular en materia de generación de luz, su amplificación y transformación [201] .
Henry Moseley en 1914 [129] fue el primero en confirmar el hecho de que debe haber exactamente 15 lantánidos . Es habitual clasificar exactamente 15 elementos como lantánidos, pero incluso en la actualidad no existe un acuerdo general sobre la posición del lantano, es decir, si los elementos del lantano al lutecio o del cerio al lutecio forman este grupo [15] [1] [ 202] . En diciembre de 2015, la IUPAC creó un proyecto para estudiar este tema [203] . En un artículo científico de Pekka Pyukkö , profesor finlandés de química en la Universidad de Helsinki , hay tres resultados diferentes para la disposición de los elementos f en la tabla periódica [204] [K 21] :
Disputas similares son generadas por la cuestión de la posición de la familia en la tabla periódica: para responderla, se propusieron varias ideas diferentes sobre la clasificación periódica, en las que se mezclaron elementos del bloque d y f [205] [206 ] . Con respecto a la mayoría de los lantánidos descubiertos en 1906, que no caben en la tabla, D. I. Mendeleev escribió lo siguiente [207] :
Aquí mi opinión personal aún no se ha asentado en nada definitivo, y aquí veo una de las tareas más difíciles que presenta la legalidad periódica.
información general | ||||
---|---|---|---|---|
Símbolo | CAS | Contenido en suero sanguíneo humano [208] [K 22] , pg /ml | Datos toxicológicos [209] | LD 50 [209] |
La | 7439-91-0 | 62,7 ± 7,1 | En animales: la inyección de compuestos de lantano provoca hiperglucemia , presión arterial baja, degeneración del bazo y cambios en el hígado | Óxido de lantano(III) , oral, ratas: más de 8,5 g/kg; ratones, ip: 530 mg/kg |
Ce | 7440-45-1 | 214 ± 22 | El cerio es un fuerte agente reductor, se enciende espontáneamente en el aire entre 65 y 80 °C. Los vapores liberados durante la combustión son tóxicos. Las inyecciones de grandes dosis de cerio en animales provocaron la muerte por insuficiencia cardiovascular . El óxido de cerio (IV) es un fuerte agente oxidante a altas temperaturas, reacciona con materiales orgánicos inflamables | Óxido de cerio (IV) , oral, rata: 5 g/kg, por vía intradérmica: 1–2 g/kg, inhalación de vapores: 5,05 mg/l |
PR | 7440-10-0 | 11,1±1,5 | — | — |
Dakota del Norte | 7440-00-8 | 33,7 ± 4,2 | Los compuestos de neodimio no se han probado exhaustivamente para determinar su toxicidad. El polvo y las sales de neodimio son fuertes irritantes de los ojos y las membranas mucosas , moderadamente irritantes para la piel. | Óxido de neodimio (III) , oral, ratas: más de 5 g/kg, ratones, por vía intraperitoneal: 86 mg/kg. El compuesto es un mutágeno. |
Pm | 7440-12-2 | — | Se desconoce qué órganos se ven afectados al interactuar con el metal; posiblemente presente en el tejido óseo | — (excluidas las propiedades radiactivas) |
SM | 7440-19-9 | 5,8±1,1 | El contenido total de metales en un adulto es de aproximadamente 50 μg, principalmente en el hígado y los riñones, 8 μg se disuelven en la sangre. Las sales insolubles no son tóxicas, las sales solubles son ligeramente tóxicas. Cuando se ingiere, solo el 0,05% de las sales metálicas ingresan al torrente sanguíneo, el resto se excreta naturalmente. De la sangre, aproximadamente el 45% ingresa al hígado, el 45% se deposita en la superficie de los huesos, donde puede permanecer hasta 10 años; 10% de la producción total | — |
UE | 7440-53-1 | 0,82 ± 0,19 | No hay signos claros de toxicidad por metales en comparación con los metales pesados. | Cloruro de europio (III) , ip: 550 mg/kg, oral: 5 g/kg. Nitrato de europio (III) , ip: 320 mg/kg, oral: 5 g/kg |
Di-s | 7440-54-2 | 7,2 ± 1,4 | En estado libre, los iones metálicos son altamente tóxicos; Los compuestos quelatos utilizados en la formación de imágenes por resonancia magnética se consideran bastante seguros. La toxicidad depende de la fuerza del agente quelante. Las reacciones anafilácticas son raras: en alrededor del 0,03-0,1% de los casos | — |
Tuberculosis | 7440-27-9 | 1,30±0,22 | — | — |
dy | 7429-91-6 | 9,6 ± 1,1 | Las sales de metales solubles (por ejemplo , cloruro de disprosio, nitrato de disprosio ) tienen baja toxicidad cuando se ingieren. Las sales insolubles no muestran propiedades tóxicas. | Dosis letal de cloruro de disprosio por persona: más de 500 g |
Ho | 7440-60-0 | 2,55±0,54 | — | — |
Eh | 7440-52-0 | 9,5 ± 1,9 | — | — |
Tm | 7440-30-4 | 1,69±0,42 | Las sales de metales solubles se consideran poco tóxicas en grandes cantidades, las insolubles no son tóxicas. El tulio no es absorbido por las raíces de las plantas y, por lo tanto, no entra en la cadena alimentaria humana. | — |
Yb | 7440-64-4 | 13,2 ± 3,2 | Todos los compuestos deben considerarse altamente tóxicos porque causan irritación en la piel y los ojos; algunos de los compuestos pueden ser teratogénicos | — |
Lu | 7439-94-3 | 2,46 ± 0,58 | El metal es de baja toxicidad. El fluoruro de lutecio es peligroso si se inhala y causa irritación en la piel. El polvo de óxido de lutecio es tóxico tanto por inhalación como por ingestión. Las sales de metales solubles son poco tóxicas, las insolubles son tóxicas. | — |
Las propiedades farmacológicas de los lantánidos son tales que su contenido en el organismo reduce la presión arterial , los niveles de colesterol y glucosa , reduce el apetito , previene la coagulación de la sangre y previene la aterosclerosis en animales de experimentación. La potencial ventaja de utilizar en medicina sustancias con tales propiedades farmacológicas no las dejará al margen de los investigadores. Algunos complejos de lantánidos tienen efectos antiinflamatorios ; por ejemplo, phlogodyn ( eng. phlogodyn ) se usa bastante en Hungría [210] .
Los lantánidos tienen varios efectos fisiológicos en plantas y animales y generalmente se consideran de baja toxicidad. Sólo recientemente la investigación se ha centrado en los aspectos ambientales de la influencia y sus efectos potencialmente perjudiciales sobre la calidad de vida [109] .
Existe la hipótesis de que en los organismos vivos, los elementos de tierras raras realizan la misma función que el calcio . Por ello, se acumulan en los órganos, cuyo contenido en calcio es superior al del resto. En los suelos, el contenido de REE alcanza el 0,24 % . Desde el suelo, estos elementos ingresan a las plantas . Hay un mayor contenido en lupino , remolacha azucarera , arándanos , varias algas y algunas otras plantas. En leche, sangre y huesos de animales se reveló la presencia de metales del grupo del cerio [92] .
El uso de metales lantánidos y sus compuestos en la industria ha comenzado a aumentar significativamente desde el siglo pasado, comenzando con el uso temprano de pequeñas cantidades de óxidos de cerio y torio para crear gasas incandescentes a fines del siglo XIX y no limitándose a componentes críticos en una amplia gama de tecnologías avanzadas [211] .
A fines del siglo XIX, quedó claro que las arenas de monacita , que eran baratas de extraer y consistían en compuestos de cerio, lantano, neodimio, praseodimio y grandes cantidades de torio, se encontraban en los Estados Unidos y Brasil. Karl Auer von Welsbach (quien no solo era un científico, sino también un buen hombre de negocios) descubrió que agregar una mezcla de uno de los compuestos de los elementos anteriores al dióxido de torio , que formaba la base de la red de gas, hizo posible para lograr una luz de fuego y un tiempo de combustión más brillantes que su "actinóforo" anterior (una mezcla de óxidos de lantano y circonio ). Tomó un poco de tiempo comprender que la impureza era cerio y determinar la proporción "perfecta" de torio a cerio en la rejilla incandescente mejorada por él: 99 a 1 [215] , que no cambió durante mucho tiempo [20 ] .
El 4 de noviembre de 1891, el científico reveló y mostró su invento al público en Viena ; este día fue el comienzo del uso de elementos de tierras raras en la industria. El autor encontró el primer uso para elementos que eran misteriosos en ese momento: alrededor de 90,000 lámparas se vendieron en los primeros 9 meses después del inicio de su producción en la fábrica de Atzgersdorf , en 1913 el número total había aumentado a 300 millones de piezas [215 ] (que requirió procesar 3 000 toneladas de arena de monacita [216] ), en los años 30 llegó a 5 mil millones [129] [212] . Los mayores compradores fueron las empresas ferroviarias, que las utilizaron en interiores porque eran más baratas que la electricidad; al aire libre, las lámparas iluminaban, por ejemplo, las calles de Bombay , la primera ciudad en utilizarlas [215] .
En 1915 se publicó el libro Tierras raras . Su Ocurrencia. Química. y Tecnología , que describía (posibles) aplicaciones distintas de, por ejemplo, las redes de calefacción [217] . Hubo propuestas para usar sales de cerio para el curtido , la producción de esmaltes y el teñido con mordiente con alizarina . En química, el doble sulfato de cerio superó a otros metales (cobre, hierro y manganeso) en la oxidación catalítica de anilina a anilina negra —uno de los primeros estudios, fechado en 1874, con énfasis en las aplicaciones tecnológicas del metal; para obtener compuestos aldehídos , quinonas , etc. a partir de hidrocarburos aromáticos , se suponía que debía utilizar las propiedades oxidantes de su sulfato en solución ácida. La adición de compuestos de cerio al electrodo de una lámpara de arco permitió, según los inventores, lograr un brillo más intenso. También se encontró un uso insignificante: oxalato de cerio - en medicina; el sulfato de cerio ha demostrado su utilidad para la fotografía en color y en blanco y negro ; el color profundo del óxido de praseodimio superior hizo posible su uso como parte del didimio para marcar textiles , etc. [16]
Gracias al gran éxito comercial de las gasas y al proceso paralelo de aislamiento de torio con una gran cantidad de lantánidos, con el tiempo se comprobó que la electrólisis del cloruro fundido, que se obtenía tras la eliminación del residuo de torio, producía un efecto pirofórico. mischmetal (50% Ce, 25% La, 25% - otros lantánidos), además de lo cual 30% Fe permitió obtener un pedernal ligero ideal . Además, los metales se usaban en vidrios especiales para controlar la absorción en ciertas longitudes de onda; esto agotó el uso de metales hasta la década de 1940 [20] .
Uso funcional de los lantánidos [118] [218] [219] | ||||||||||||||
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La | Ce | PR | Dakota del Norte | SM | UE | Di-s | Tuberculosis | dy | Ho | Eh | Tm | Yb | Lu | |
Baterías | ||||||||||||||
catalizadores | ||||||||||||||
polvos para pulir | ||||||||||||||
Metalurgia | ||||||||||||||
imanes | ||||||||||||||
Cerámica | ||||||||||||||
Vidrio | ||||||||||||||
fósforos | ||||||||||||||
Otro | ||||||||||||||
- mayor, - menor, - no se observa uso funcional |
Algunos ejemplos del uso de lantánidos [209] | |
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Metal | Solicitud |
UE, tuberculosis | Lámparas fluorescentes , LED |
Nd, UE, Tb, Dy, Pr | Equipos inalámbricos portátiles, teléfonos inteligentes , teléfonos móviles , etc. |
UE, Tb, Er | fibra óptica |
UE, tuberculosis, dios, pr, ce | pantallas planas |
Nd, Tb, Pr, Dy | Imágenes médicas ( imágenes por resonancia magnética ), radiografía |
La | Baterías eléctricas |
Nd, Pr, Dy, Tb | Vehículos híbridos , discos de computadora , herramientas eléctricas inalámbricas , generadores eólicos e hidroeléctricos , sistema start-stop |
La, Ce | Craqueo catalítico , sistemas de tratamiento (por ejemplo, tratamiento de agua ) |
El volumen de uso de representantes de la familia en es enorme: desde la industria del vidrio hasta la metalúrgica ; como catalizadores en refinerías de petróleo, como activadores luminiscentes , en compuestos electrocerámicos, en superconductores de alta temperatura [220] . A pesar de una amplia gama de aplicaciones y de tener propiedades químicas similares, algunos metales (Gd, Dy, Nd, Sm) tienen muy buenas propiedades magnéticas, mientras que los átomos de Er y Tb tienen ciertos estados de energía que les permiten ser utilizados en láseres o dispositivos de luz [ 5] . El uso moderno de metales en altas tecnologías es de gran importancia estratégica [211] .
Materiales luminiscentesComo se describió anteriormente, la primera aplicación industrial comenzó con la adición de CeO 2 a ThO 2 , lo que resultó en una luz más brillante cuando se calentó. A principios del siglo XX. El estudio de J. Urbain de los iones Eu III disueltos en varias matrices condujo al descubrimiento de un fósforo inusualmente brillante que emite una luz brillante de color rojo anaranjado (Y 2 O 3 : Eu [4-6% mol.]). Este fósforo se ha utilizado en lámparas fluorescentes y tubos de rayos catódicos desde principios de la década de 1960. y todavía se usa para producir rojo puro en LED , varios tipos de pantallas, incluidas pantallas planas , a pesar de varios otros sustitutos posibles y estudiados (con éxito limitado) [221] .
El primer informe sobre la producción de luminiscencia de lantánidos activada por ligando (sensibilizada por ligando) en 1942 condujo a descubrimientos posteriores de una amplia gama de ligandos de antena, lo que hizo posible mejorar la emisión de luz [222] [223] . S. Wiseman demostró que la emisión de complejos Ln con ligandos orgánicos puede llevarse a cabo debido a la excitación de los niveles electrónicos en el propio ligando, después de lo cual se acumula energía en los estados excitados de los iones metálicos debido a la transferencia de energía intramolecular. El descubrimiento se denominó efecto antena [221] .
Las propiedades luminiscentes de los iones lantánidos resultaron ser importantes para la creación de materiales luminiscentes asociados a altas tecnologías [3] . Los representantes de la familia se utilizan en paneles de plasma (por ejemplo, el dopaje de pequeñas cantidades de Eu 3+ en Y 2 O 3 , uno de los fósforos , le permite lograr la misma intensidad de emisión de luz que la de YBO 3 , Y 1 - x Gd x BO 3 , pero con menor presión de gases inertes en celdas llenas de gas), pantallas FED (donde los sesquióxidos de fósforos , que son más estables y ecológicos que los de sulfuro, están dopados con lantánidos), en luz orgánica . diodos emisores ( compuestos complejos Ln 3+ ) [226] .
Además, sus iones han encontrado aplicación en detectores de radiación de alta energía - centelleadores ; los lantánidos dopados con cristales inorgánicos se utilizan en dispositivos de medición para registrar la radiación γ y en el diagnóstico por rayos X. La rápida emisión 5d → 4f de Ce 3+ (con una duración de 10 a 70 ns ) lo convierte en el mejor candidato para su uso en dichos dispositivos. Se da preferencia a los compuestos con haluros , como LuI 3 :Ce 3+ , donde la salida de luz es de 95 000 fotones por 1 MeV [226] .
ImanesLa historia del estudio de los imanes permanentes basados en elementos de tierras raras se remonta a 1959, en el que se publicó un trabajo sobre el estudio de la aleación GdCo 5 . Posteriormente, se publicaron muchos trabajos sobre métodos para obtener, estudiar y mejorar las propiedades de YCo 5 , SmCo 5 y sus impurezas [227] [K 25] . A mediados de la década de 1980. Los científicos han obtenido las tres aleaciones más útiles: SmCo 5 , Sm 2 Co 17 y Nd 2 Fe 14 B . Cada uno de ellos es muy superior en sus propiedades útiles a los tipos de imanes anteriores, y los mejores son diez veces más fuertes que las aleaciones de álnico o ferrita [228] [229] . Según el índice de energía máxima del producto, los imanes se pueden disponer en el siguiente orden: Nd 2 Fe 14 B (hasta 56,7 M Gs Oe ) > Sm 2 Co 17 (22-32) > SmCo 5 (22) > Alnico (hasta 11) > Ferritas (hasta 6) [230] [K 26] .
Los imanes compuestos de samario y cobalto (SmCo 5 ) se desarrollaron en 1967 [227] [231] [K 27] y durante mucho tiempo se consideraron los más fuertes [232] , pero ahora los de neodimio se usan con menos frecuencia (en casos que requieren resistencia a la corrosión o a la resistencia a la operación a temperaturas elevadas [230] ) debido al débil campo magnético y al alto costo de sus componentes [233] : el hierro y el neodimio son más baratos que el cobalto y el samario, respectivamente, y la propia aleación NdFeB contiene una cantidad relativamente menor cantidad de lantánidos [ 228] . Los imanes de samario-cobalto han encontrado su aplicación en las industrias aeroespacial y de aviación , que requieren estabilidad térmica a 400-500 °C ( se prefiere Sm 2 Co 17 ) [227] .
Las propiedades magnéticas del neodimio permiten crear los imanes permanentes más potentes [234] . En 1984 se obtuvo por primera vez una aleación de neodimio, hierro y boro (Nd 2 Fe 14 B) [228] [235] [236] , que es ampliamente utilizada [K 28] en la actualidad en una variedad de tecnologías que requieren alta fuerza coercitiva [233] [237] , y aún no se ha encontrado un reemplazo mejor [238] . El neodimio puede ser reemplazado por praseodimio y hasta un 5% en peso de cerio para aumentar la energía final del producto [239] [240] , y la adición de terbio o disprosio a la aleación permite aumentar su coercitividad [227] [ 241] [242] [243] . Por otro lado, debido a su desmagnetización térmica, la coercitividad relativamente baja [en] no puede cumplir con los requisitos cada vez mayores cuando se operan dispositivos de alta temperatura, como turbinas eólicas o algunos elementos de vehículos eléctricos híbridos [235] [ 244] [245] [ 246] .
Algunos ejemplos del uso de imanes: discos duros: 24,5 y 5,8 % en peso de Nd y Pr, respectivamente (peso del imán 4,3 g; modelo Seagate ST3500418AS, 2009); 286 g de Nd y 130 g de Dy representaron, en promedio, cada automóvil híbrido (de 265 000 unidades) vendido en EE. UU. y Alemania en 2010 [118] ; aerogeneradores (aproximadamente) - de 150 a 200 kg de Nd y de 20 a 30 kg de Dy por 1 MW de potencia generada [247] .
El gadolinio, sus sales y aleaciones juegan un papel destacado en la refrigeración magnética , en la que una sustancia se calienta cuando se coloca en un campo magnético externo [9] . El primer experimento, gracias al cual fue posible lograr consistentemente una disminución de la temperatura a 0,25 K de las muestras estudiadas de sulfato de gadolinio (III) octahidratado (Gd 2 (SO 4 ) 3 8H 2 O) y cuyos resultados fueron predichos de antemano, fue realizada en 1933 por W. Gyok y D. McDougall [248] . (Más tarde, en 1949, Gioku fue galardonado con el Premio Nobel por estudiar el comportamiento de las sustancias a temperaturas ultrabajas [249] .) En la actualidad, este metal es uno de los materiales magnéticos refrigerantes más estudiados [250] .
IndustriaLos isótopos de gadolinio ( 155 Gd , 157 Gd ) tienen una sección transversal de neutrones inusualmente grande , lo que les permite ser utilizados en la industria nuclear , por ejemplo, en varillas de reactores [9] . Los átomos de holmio, que tienen uno de los momentos magnéticos más grandes entre los demás elementos, le permiten crear los campos magnéticos más fuertes ; estos potentes imanes, uno de cuyos componentes es el holmio, han encontrado su aplicación en las varillas de las centrales nucleares [251] [252] [253] .
Algunos lantánidos, por ejemplo, el cerio, debido a su reacción exotérmica con el hidrógeno (al igual que con otros representantes), pueden usarse ya a temperatura ambiente como absorbente de gas en la industria del electrovacío y la metalurgia [50] .
Uso de metales con fines militares [254] [255] | |||||||||
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Metal | Área de aplicación | Tecnología | Ejemplo | ||||||
Nd, Pr, Sm, Dy, Tb | Sistemas de mando y control | Imanes fuertes y compactos | Misiles Tomahawk , bombas de precisión, JDAM , UAV | ||||||
La mayoría de Ln | guerra electrónica | Almacenamiento de energía, mejora de la densidad | Jammers , Cañón de riel electromagnético , Sistema de rechazo activo | ||||||
UE, tuberculosis | sistemas de orientación | Amplificación de potencia y resolución | Guiado láser, láseres aerotransportados | ||||||
Nd, Pr, Sm, Dy, Tb | Motor electrico | Imanes fuertes y compactos | Arrancador -generador integrado, Zamvolt (DDG-1000) , HMETD , JSF | ||||||
nd, la, ue | Sistemas de comunicación | Amplifica y mejora la señal | Transductores hidroacústicos, radar , MICAD |
A base de todos los óxidos de lantánidos excepto el prometio, las placas cerámicas son altamente hidrofóbicas y duraderas, lo que permite su uso donde se requieren propiedades adecuadas, por ejemplo: en las palas de las turbinas de las centrales eléctricas a través de las cuales pasa el vapor, las gotas de agua (de varios micrómetros de diámetro) condensar), lo que afecta negativamente la eficiencia [256] [257] . Esta propiedad se explica por la estructura electrónica, que evita la formación de enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua interfaciales, y se mantiene incluso después de la prueba en un entorno agresivo (por ejemplo, calentamiento a altas temperaturas o procesamiento con materiales abrasivos ). Además, estos óxidos se pueden utilizar para fabricar superficies ultrahidrofóbicas [258] [259] .
Se destaca la eficiencia (así como la baja toxicidad en comparación con los cromatos [260] [261] ) para el uso de lantano, cerio e itrio como inhibidores de la corrosión para aleaciones de aluminio y zinc en una solución acuosa de cloro [262] [263] [ 264] [265] [ 266] , además de ralentizar la corrosión del hierro y el acero en una solución gaseosa de cloro [262] [267] [268] [269] [270] [271] . La formación de una película protectora que consiste en un complejo de óxidos hidratados ocurre debido a la presencia de sales metálicas en la solución, lo cual es confirmado por XPS [262] [272] . Existe un interés continuo de los investigadores en el uso de los lantánidos: las propiedades de las sales y su uso en varios metales se conocen y estudian desde hace casi 30 años, y el cerio y el lantano han atraído la atención principal. La mayor parte del trabajo se ha centrado en las aleaciones de aluminio; el desarrollo de recubrimientos de conversión para otros metales ha sido mucho más lento por varias razones [273] .
Los metales del grupo han encontrado su aplicación en condensadores cerámicos multicapa ( English Multilayer Ceramic Capacitor ) - la mayoría de los lantánidos (de los que se aíslan Dy, Er y Ho) pueden mejorar sus propiedades [164] : reducir la tangente del ángulo de pérdida [274 ] y la tasa de envejecimiento [275] [276] [277] , logran una capacidad estable (±15 %) en un amplio rango de temperatura (-55 a +150 °C) [278] . Este último hecho satisface los requisitos de EIA X8R y permite el uso de tales capacitores en dispositivos de alta temperatura: pozos inclinados ( exploración de petróleo ), automóviles, para necesidades militares y en la industria aeroespacial; todos los hechos anteriores nos permiten concluir que los lantánidos son muy críticos (en forma de impureza, dopante) durante la producción de condensadores con características cualitativamente buenas [164] .
Los dispositivos electrónicos modernos contienen muchos de estos condensadores, que experimentaron un aumento anual del 15 % en los envíos desde las fábricas a principios de la década de 2000; en los Estados Unidos se utilizaron aproximadamente 3 mil millones/año [164] [K 29] . Por ejemplo, un teléfono móvil contiene aproximadamente 250 piezas, 400 en una computadora portátil (laptop) y más de 1000 en electrónica automotriz [279] .
MedicinaEl gadolinio en compuestos se utiliza en resonancia magnética como uno de los mejores agentes de contraste, ya que se acumula, por ejemplo, en tejidos cicatriciales o tumores , y “destaca” dichos tejidos en la RM [284] . Y para reducir el impacto negativo en el cuerpo, los iones metálicos están rodeados de ligandos quelantes [9] . En el territorio de la Federación Rusa, existen preparaciones de contraste disponibles comercialmente con los nombres Gadovist y Magnevist [285] que contienen iones metálicos [281] [286] .
La combinación de nanopartículas de oro inertes y biocompatibles con iones Ln 3+ estables con luminiscencia de larga duración o características magnéticas características permite obtener una nanosonda que sería adecuada para su uso en biomedicina o el estudio de sistemas biológicos [287] .
La longitud de onda de los láseres de holmio es de 2,08 μm (la radiación es segura para los ojos), lo que permite su uso en medicina, por ejemplo, en forma de granate de itrio y aluminio dopado con holmio ( YAG ) o fluoruro de itrio-lantano (YLF , LaYF 4 ) láseres [288] . Los láseres pulsados de erbio y tulio CW que funcionan a una longitud de onda de 3 μm son adecuados para su uso en cirugía láser : la longitud de onda operativa coincide con la frecuencia de oscilación de los átomos de O - H en el agua : se logra una fuerte absorción del haz por parte de los tejidos biológicos [ 289] .
La sección transversal del disprosio permite su uso para absorber neutrones térmicos , y su alto punto de fusión permite su uso en aleaciones especiales de acero inoxidable o en dispositivos y piezas para control nuclear. La combinación del metal con vanadio y otros elementos de tierras raras se puede utilizar en materiales láser. Los calcogenuros de disprosio - cadmio , que son fuentes de radiación infrarroja , han encontrado su aplicación en el estudio de las reacciones químicas [90] .
Los lantánidos y el lantano se utilizan como aditivos para aceros , hierros fundidos y otras aleaciones para mejorar la resistencia mecánica, la resistencia a la corrosión y la resistencia al calor. Los lantánidos y el lantano se utilizan para producir tipos especiales de vidrio en tecnología nuclear. Los compuestos de lantano, así como los lantánidos, se utilizan para la fabricación de barnices y pinturas, composiciones luminosas, en la fabricación de cuero, en la industria textil y en radioelectrónica para la fabricación de cátodos . Los compuestos de lantánidos se utilizan en láseres .
Varios compuestos intermetálicos termodinámicamente estables de la composición Ln x M y (donde M = Mn , Fe , Co , Ni , Cu y los elementos debajo de ellos en la tabla) pueden encontrar su aplicación en forma de nanopartículas o películas delgadas en el campo de nanotecnología , por ejemplo: en fotocátodos , dieléctricos , ferroeléctricos , semiconductores , rectificadores (ingeniería de radio y electrónica), computadoras portátiles , vidrios (que absorben UV y transmiten radiación IR ), imanes permanentes (sistemas de comunicación e informática), superconductores y materiales compuestos , sólidos láseres de estado (especialmente para necesidades militares), fósforos de TV en color , catalizadores ( recuperación de gases de escape de vehículos ) y baterías de hidrógeno . Además, la presencia de lantánidos en nanopartículas metálicas aumenta la resistencia al impacto y mejora su estructura y plasticidad [290] .
Gracias a investigaciones realizadas en China, se sintetizaron nanocristales ultrafinos de oxibromuros químicamente estables (OBr −3 ) de europio , gadolinio , terbio y lantano , de los cuales este último dopado con átomos Eu 3+ (LaOBr:Eu 3 + ), se puede utilizar para la detección precisa de células cancerosas . Los cristales pueden ser aceptados por estas células enfermas (pero no sanas) y, debido a las propiedades luminiscentes y la biocompatibilidad de los compuestos, al establecer ciertas longitudes de onda de luz reflejada (visible cuando se aplica voltaje o bajo ultravioleta ) y la iluminación posterior, se pueden ver. , por ejemplo, a través de un microscopio . Todas estas propiedades permitirán a los oncólogos identificar el menor número de células enfermas en las muestras de biopsia [291] [292] .
Existe una suposición sobre el uso de oxibromuros de lantánidos en dispositivos de energía de bajo costo que utilizan propiedades luminiscentes, como una alternativa, por ejemplo, a los LED [291] .
En metálicosgelesdesarrollaronse,2015en,MIT que cambian de color bajo la radiación ultravioleta que contienen iones Eu 3+ y Tb 3+ en varias proporciones específicas . - y quimiocromismo, se pueden usar como recubrimientos indicadores de película delgada en una solución o fase gaseosa de una sustancia, por ejemplo, para determinar contaminantes , toxinas , patógenos , cambios de temperatura y presión mecánica [293] [294] .
Hay una propuesta para utilizar los lantánidos en forma de material de marcado ( ing. taggant , de tag - tag) para marcar el material de origen utilizado para crear el producto final en cada etapa de su producción, con el fin de controlar y rastrear a los proveedores, vendedores, etc. Se observa que es de bajo costo en comparación con las medidas convencionales contra la falsificación (por ejemplo, marcado o astillado): es suficiente aplicar solo unas pocas partes por millón de dicha sustancia a la celda matriz para crear una marca [ 295] .
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