Lantanidit ( lantanidit ) [K 1] - perhe, joka koostuu 15 jaksollisen järjestelmän kuudennen jakson ryhmän III kemiallisesta alkuaineesta - metallit , atominumerot 57-71 ( lantaanista lutetiumiin ) [1] [2] [3 ] [4 ] [5] [6] [7] [8] [9] . Kaikilla perheenjäsenillä on stabiileja isotooppeja prometiumia lukuun ottamatta . Nimi tulee kreikan sanasta λανθάνειν ("piilotettu").
Skandium , yttrium ja lantanidit kuuluvat harvinaisten maametallien ryhmään (lyhenne REE ) ja niitä tarkastellaan usein tässä yhteydessä, mutta yksittäisten alkuaineiden esiintyvyys osoittaa, että ne eivät ole harvinaisia. Tieteellisissä materiaaleissa yllä olevaa termiä käytetään osoittamaan lantanideja, mukaan lukien yttrium ja skandium, tai erikseen.
Merkintä Ln käytetään osoittamaan kaikkia tai joitakin metalleja, ioneja, hapetusasteita, kirjoitettaessa kemiallisia kaavoja jne.
Kaikissa lantanideissa ceriumista ytterbiumiin on täytetty 4f-alakuori ; lantaanissa ei ole 4f-elektroneja, kun taas lutetiumissa on 14. Parittamattomat 4f-elektronit antavat joillekin metalleille erilaisia arvokkaita magneettisia , spektroskooppisia ja luminesoivia ominaisuuksia. Lisäksi, koska nämä elektronit ovat hyvin suojattuja ulkoalakuorilla (5s ja 5p), spektriominaisuudet säilyvät, kun ligandeja lisätään . Kaikki lantanidit muodostavat Ln 3+ -kationeja (jotkut myös Ln 2+ , Ln 4+ ), joiden ionisäde pienenee jatkuvasti atomiluvun kasvaessa - tämä ilmiö tunnetaan nimellä lantanidikutistuminen (sama ilmenee aktinideissa ) [10] . Alkuaineiden emäksisyys lantaanista lutetiumiin laskee jatkuvasti, mikä aiheuttaa eron suolojen liukoisuudessa ja niiden kompleksiyhdisteiden stabiilisuudessa [11] .
Kemiallinen sidos lantanidien kanssa on lähes aina ioninen . Lantanidit ovat "raskaita" vastaanottajia ja niillä on ominaisuuksiltaan merkittävä samankaltaisuus atomin luovuttajan hapen kanssa, minkä vuoksi niiden todennäköisimpiä biologisia ligandeja ovat karboksyyli- ja fosfaattiryhmät . Niiden koordinaatioluvut voivat olla 6-12 (8-9 pääasiassa biologisissa järjestelmissä) [10] .
Norjalaisen geokemistin Victor Goldschmidtin teos , jossa termiä lantanidit käytettiin ensimmäisen kerran, julkaistiin vuonna 1925 (nimi aktinidit annettiin samalla tavalla vuonna 1937) [12] [13] [14] .
* | La | Ce | PR | Nd | pm | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu |
Lantanideihin liittyy paljon väärinkäsityksiä terminologian käytössä. Nimeä "harvinainen maametalli" käytettiin alun perin kuvaamaan lähes kaikkia tutkimattomia, tuntemattomia luonnonoksideja, ja vuoteen 1920 asti niitä kutsuttiin jopa ThO 2 :ksi ja ZrO 2 :ksi . Samoihin aikoihin termiä alettiin käyttää viittaamaan itse elementteihin sekä joukkoon elementtejä, jotka voitiin erottaa toisistaan erittäin vaikeasti [15] [16] .
Alkuaineiden alkuperäinen jako cerium- ("kevyt maaaineet"; La-Eu) ja yttrium ("raskas maaaineet"; Gd-Lu) ryhmiin perustui lantanidien ja natrium- tai kaliumsulfaattien muodostamien kaksoissulfaattien liukoisuuden eroon. . Myöhemmin määritettiin ryhmän kiinteistöjen muutosten jaksotus, joka vastaa niiden jakautumista kahteen alaryhmään [11] .
On huomionarvoista, että kemiassa edelleen käytetyt termit "harvinaiset maametallit" ja " maa -alkalimetallit " tulevat substantiivista "maa", jota alkemistit , iatrokemistit ja varhaiset flogistonistit käyttivät pääasiallisena osoituksena tulenkestävyydestä , sateen liukenemattomuudesta. muodostuu palamisen (hapetuksen) tai muun syvän kemiallisen vuorovaikutuksen jälkeen aineissa. Vasta 1750-luvun jälkeen. Kemistit alkoivat ymmärtää, että piimaa ( englanniksi silica ), alumiinimaa ( englanniksi alumina ), talkki , kalkki - ne ovat kaikki erilaisia maaleja kemiallisten ominaisuuksien perusteella. Vuonna 1779 niihin lisättiin bariummaata (englanniksi baryta), jonka K. V. Scheele eristi kalkista . A. L. Lavoisier sisällytti vuonna 1789 kaikki viisi maapalloa 33 alkuaineen luetteloonsa ja huomautti: ne voivat olla metallioksideja, jotka muistuttavat enemmän sidosta hapen kanssa kuin hiiltä. Tämä sai monet kemistit 1800-luvun alussa ennallistamaan tunnettuja maita ja etsimään uusia. Kuuden uuden maan joukossa: zirkonium (1789, M. Klaproth ), strontium (1790, A. Crawford ), beryllium (1798, L. N. Vauquelin ) ja torium (1829, J. Berzelius [K 2] ), yttrium (1794) ja cerium (1803). Jälkimmäisen löytö määritti eron maa-ainesten ja tavallisten metallioksidien välillä, ja vuonna 1808 sen jälkeen kun G. Davy pelkisti maa- alkalimetallit elektrolyysillä maa-alkalimetalleiksi - kalsiumiksi , bariumiksi , strontiumaksi ja magnesiumiksi - kävi selväksi useimmille kemisteille, että todelliset maametallit ovat ei muita kuin metallioksideja [17] .
Lantanidit muodostavat suurimman luonnossa esiintyvän jaksollisen järjestelmän alkuaineryhmän. Niiden ominaisuudet ovat niin samankaltaiset, että vuodesta 1794, jolloin Johan Gadolin eristi yttriumoksidia , vuoteen 1907 asti, alkuaineiden löytämisestä esitettiin lähes sata väitettä [K 3] . Tämä selittyy sillä, että tuolloin ei testattu elementin yksilöllisyyttä, eivätkä tutkijat ymmärtäneet kuinka monta elementtiä perheessä tulisi olla, koska vain yksi alkuaine, lantaani, voitiin sijoittaa jaksolliseen järjestelmään. . Vuoteen 1913 mennessä G. Moseleyn töiden perusteella oli jo käynyt selväksi, että lantaanin ja hafniumin välillä alkuaineiden määrä oli täsmälleen neljätoista [15] : kun verrataan atomien röntgenspektrien energiaa. jaksollisen järjestelmän elementtejä ja niiden atomipainoa, hän löysi aukkoja, puutteita. Aukkojen poistamiseksi tiedemies piti tarpeellisena järjestää elementit kemiallisten ominaisuuksien mukaan, ei kasvavan atomipainon mukaan. Hänen työnsä osoitti, että jokaisella elementillä on vakioarvo - atomiluku , joka kasvaa vakiomäärällä elementistä toiseen. Lantanidit sijaitsivat lopulta erillisessä paikassa pääpöydän alapuolella. Ja vuonna 1921 Niels Bohr ehdotti atomin elektroniradan rakennetta , mikä selitti harvinaisten maametallien ongelman [18] . (Lantanideja kutsutaan usein ja ne sisältyvät harvinaisten maametallien käsitteeseen, mutta esimerkiksi lutetium ylittää maankuoressa olevan hopean runsauden [3] .)
Jonkinlainen käsitys niiden samanlaisista kemiallisista ominaisuuksista voidaan saada tutkimushistorian tosiseikoista. Eri alkuaineiden erottaminen niitä sisältävistä mineraaleista vei tutkijoilta yli sata vuotta [3] [9] ja jopa 1900-luvun puoliväliin (ennen ioninvaihtoerotustekniikoiden kehittymistä) jopa 40 000 toistoa. Operaatiosta vaadittiin joidenkin harvinaisten lantanidien yhdisteiden saamiseksi todella puhtaassa muodossa fraktiokiteytyksellä [19] . Esimerkiksi: vuonna 1911 C. Jamesin suorittama puhtaan tuliumbromaatin eristäminen vaati noin 15 000 tällaista toimenpidettä [20] , ja 15 vuodessa J. Urbain ja hänen avustajansa suorittivat yhteensä noin 20 000 [21] . Tämä erotusmenetelmä on vain yksi monista klassisista, ja sisältää joitain ominaisuuksia [20] :
Edellä mainittujen lisäksi on mahdollista siirtyä muihin hapetustiloihin kuin +3, esimerkiksi Ce IV , Eu II . Tämä joissakin tapauksissa soveltuva menetelmä mahdollisti puhtaimman tuotteen saamisen [20] . Tällä hetkellä uudelleenkiteytysmenetelmä on vanhentunut, koska ioninvaihtoreaktiot ja liuotinuutto ovat nopeampia ja vähemmän työläitä verrattuna [24] .
Löytöhistoria [K 4] | |||||
---|---|---|---|---|---|
klo. huone | Elementti | päivämäärä | Löytäjä | nimen alkuperä | Lähde |
57 | Lantaani | 1839 | K. Mosander | Kreikasta. "piilossa" | [25] [K 5] |
58 | Cerium | 1803 | J. Berzelius ja W. Hisinger ; M. Klaproth |
Ceres-asteroidin kunniaksi | [25] |
59 | Praseodyymi | 1885 | C. Auer von Welsbach | Kreikasta. "vihreä" + "kaksoset" | [25] [26] |
60 | neodyymi | 1885 | C. Auer von Welsbach | Kreikasta. "uusi" + "kaksoset" | [25] [26] |
61 | Promethium | 1947 | J. Marinsky , L. Glendenin ja C. Coryell |
Prometheuksen kunniaksi | [25] [27] [11] |
62 | Samarium | 1879 | P. Lecoq de Boisbaudran | Samarskite -mineraalin nimellä | [25] [28] [29] |
63 | Europium | 1901 | E. A. Demarce | Sanasta Eurooppa | [25] [30] [31] |
64 | Gadolinium | 1880 | J. Marignac | Nimetty gadoliniitin mukaan | [25] [32] |
65 | Terbium | 1843 | K. Mosander | Ytterbyn kaupungin nimestä | [25] [33] |
66 | Dysprosium | 1886 | P. Lecoq de Boisbaudran | Kreikasta. "vaikea tavoittaa" | [25] [34] [35] |
67 | Holmium | 1879 | P. T. Kleve | Vanhasta latista. Holmia Tukholmasta | [25] [36] |
68 | Erbium | 1843 | K. Mosander | Ytterbyn kaupungin nimestä | [25] [33] |
69 | Thulium | 1879 | P. T. Kleve | Lat. Thule - "pohjoin maa" | [25] [36] |
70 | Ytterbium | 1878 | J. Marignac | Ytterbyn kaupungin nimestä | [25] [37] |
71 | Lutetium | 1907 | J. Urbain ; C. James | Lat. Lutetia Pariisista | [38] [39] |
Lantanidien tutkimus ja lisäluokitus juontavat juurensa 1700-luvun lopulle: kesällä 1787 ruotsalainen upseeri K. A. Arrhenius löysi Ytterbyn kaupungin louhoksesta tuntemattoman mustan mineraalin , lempinimeltään ytterbite ( myöhemmin gadoliniitti) . 40] . Johan Gadolin tutki sitä vuonna 1794 ja löysi siitä uuden maan - yttriumoksidin [K 6] . Siten, kun löydettiin yksi alkuaineen yhdisteistä, jolla on samanlaiset kemialliset ominaisuudet, mutta joka ei sisälly perheeseen, mineraalien lisätutkimukset ja lantanidien löytäminen jatkuivat [41] . Gadoliiniitin kemiallinen analyysi johti 7 yttriumryhmän kemiallisen alkuaineen ja seitsemän muun - seriumin - tutkimukseen [42] . ( Yttrium- ja ceriummaa oli kaksi alkua lantanidialkuaineiden "poluille" [42] .) On huomionarvoista, että monien lantanidien löytäminen johtui mineraaleista, jotka olivat peräisin niiden yhteisestä alkuperäpaikasta: kuuluisasta pegmatiittiesiintymästä . sijaitsee lähellä Ytterbyä Ruotsissa [43] .
Seriittimineraali , jonka A. Kronstedt löysi vuonna 1751 ja joka sisältää harvinaisia maametallielementtejä, toimi lähtökohtana ceriumin löytämiselle [43] . Vuonna 1803 Wilhelm von Hisinger ja Jöns Berzelius Ruotsissa (ja itsenäisesti Martin Klaproth Ranskassa) löysivät mineraalista uuden maan , joka nimettiin Ceres -asteroidin mukaan [ 44] [45] . Löytön jälkeen ranskalainen kemisti Louis Vauquelin tutki sitä ensin ja osoitti, että ceriummaa voi olla valkoista ja oranssia. Tämä tosiasia osoitti ensimmäistä kertaa ceriumin olemassaolon kahdessa valenssimuodossa. Tiedemies ennallisti maan ja tuli siihen tulokseen, että cerium on erilainen metalli kuin mikään muu tuolloin tunnettu [46] . Myöhemmin (1839-1843) Karl Mosander osoitti, että tämä ja aiemmin löydetyt yttrium-maa-aineet olivat useiden lantanidien oksidien seoksia [20] . W. Hillebrand ja T. Norton eristivät alkuaineen metallimuodossa vasta vuonna 1875 [44] .
Vuonna 1826 Karl Mosander, opiskelija, assistentti ja yksi J. Berzeliuksen läheisistä ystävistä, tutki ceriummaata ja totesi sen olevan heterogeeninen: se saattoi sisältää ainakin yhden uuden alkuaineen. Tämän oletuksen testaamiseen tarvittiin paljon seriittiä [47] . Vuonna 1839 tutkija pyrki eristämään puhdasta lääkettä ceriummaasta ja käsitteli sitä typpihapolla ja kiteytti suolan haihduttaen veden. Hän havaitsi myös, että tämä suola (joka on saastunut ceriumnitraatilla [48] ) hajoaa kuumennettaessa ja muuttuu kellertäväksi aineeksi. Käsitellessä tätä keltaista, maanläheistä jäännöstä laimealla typpihapolla havaittiin, että sen voimakkaasti värjäytynyt osa ei liuennut happoon: tämä oli ceriumdioksidi , jonka Vauquelin tapasi ensimmäisenä [46] [K 7] . Poistattuaan ceriumnitraatin liuoksesta tiedemies onnistui erottamaan uuden, lantaanimaan [48] , jonka nimen ehdotti Berzelius ja jonka Mosander antoi 12. helmikuuta 1839 [49] . Alkuaine, joka on alkuaineryhmän esi-isä, löydettiin toiseksi ceriumin jälkeen vain epäpuhtautena. On mahdollista, että lantaani nimettiin tällä tavalla, koska se "piiloutui" tutkijoilta 36 vuoden ajan [50] . Se saatiin suhteellisen puhtaassa muodossa vuonna 1923 [51] .
Tammikuussa 1840 Mosander onnistui eristämään kaksi fraktiota lantaanisulfaatin ametistiliuoksesta :
Siitä hetkestä lähtien tiedemies pystyi todistamaan, että cerium- ja lantaanioksidien suolojen ametistiväri johtui Lar-oksidin läsnäolosta , ja ne muuttuivat ruskeiksi kuumennettaessa ilmassa punaiseksi [55] . Carl Mosander vuonna 1842 [56] antoi tuntemattoman oksidille nimen Lar - didymium (Di) [55] osoittaakseen sen yhteyden jo löydettyyn lantaaniin ja ceriumiin [33] [57] [52] . Sen jälkeen tiedemies oli vakuuttunut siitä, että didymium saatiin puhtaassa muodossaan, eikä sitä koskaan palannut takaisin [58] , ja hänen "elementille" antama nimi esiintyi tuon ajan kemian oppikirjoissa vielä 50 vuoden ajan [56] .
Huolestuneena näytteiden homogeenisuudesta, joista yttrium saatiin, ja inspiroituneena seriitin tutkimuksessa saavutetusta edistyksestä, Carl Mosander aloitti gadoliniitin tutkimuksen [59] . Syksyllä 1842 tiedemies vakuuttui, että yttriummaanäytteet , jotka on eristetty gadoliniitista , seriitistä , seriinistä , ortiitista , sisälsivät "todellisen" yttriumoksidin (koska ne antoivat värittömiä suoloja) lisäksi myös tuntematon keltainen oksidi, vähemmän emäksinen, sen suolojen liuoksissa - ametisti. Helmikuussa 1843 tälle maalle annettiin nimi Odin (jumala Odinin kunniaksi ), mutta myöhempien huhtikuussa suoritettujen kokeiden tulokset vakuuttivat hänet siitä, että maassa oli vähintään kolme oksidia . Typpihapon ja yttriumoksidin liuoksesta Mosander sai fraktiosaostuksella emäksisiä ammoniumsuoloja , joista voimakkaalla lämmityksellä saatiin kolme erilaista oksidia, jotka eivät olleet samanlaisia kuin aiemmin saadut. (Hieman aikaisemmin, vuonna 1842, Jöns Berzelius suoritti työtä, joka vahvisti yttriummaan jakautumisen kolmeen oksidiin, mutta huhtikuuhun 1843 mennessä sitä ei vielä julkaistu.) Emäksisen oksidin (värivalkoinen, suoloissa väritön) osalta tiedemies jätti vanhan nimen - yttrium earth , seuraavaa - perusominaisuuksien laskevassa järjestyksessä - kutsuttiin terbiumoksidiksi , puhtaassa muodossaan, oletettavasti - valkoiseksi (suolaliuokset - vaaleanpunainen [60] ), ja kolmanneksi - erbiumoksidiksi : kun ilmassa lämmitettynä oksidi maalattiin tummalla oranssinkeltaisella sävyllä, joka hävisi kuumennettaessa vetyilmakehässä (viimeaikaiset tiedot antoivat meille mahdollisuuden päätellä, että sillä on kaksi valenssitilaa ) [23] . Ytterbium ja tuliumi eristettiin myöhemmin erbiumista, joka löydettiin varmasti tuolloin [61] .
Tiedemiehen toiminta johti siihen johtopäätökseen, että perhe laajeni vuonna 1843 kuuteen alkuaineeseen [62] [63] : ceriumyhdisteet ovat keltaisia, lantaaniyhdisteet ovat valkoisia, didyymiyhdisteet ovat punaisia, yttrium- ja erbiumyhdisteet ovat valkoisia, terbiumyhdisteet ovat vaaleanpunainen [K 8 ] . Tuolloisen löydön todistamiseksi vaadittiin tietoja eristämisestä (saannista), väristä, kiteiden muodosta ja kyvystä muodostaa yhdisteitä alkuaineen kanssa [22] . Mutta vaikka keksijän arvovallasta huolimatta, terbiumin löydön historiaa kyseenalaistettiin toistuvasti, esimerkiksi: R. V. Bunsen ja P. T. Kleve löysivät vain kaksi oksidia yttriummaasta [60] . Myöhemmin tiedemiehet vahvistivat alkuaineen olemassaolon uudelleen: Marignacin gadoliniitin tutkimukset (1878), L. Smithin eristämän alkuaineen samarskitesta (samana vuonna), J.-L. Soret alkuaineen absorptiospektrien tutkimuksesta (1880), puhtaiden valmisteiden vastaanottamisesta J. Urbainilta (1900-luvun alku) - ne kaikki vahvistivat Mosanderin tutkimukset [64] [60] . Erbiumia saatiin melko puhtaassa metallisessa muodossa vuonna 1934 [65] .
D. I. Mendelejev noudatti ajatusta, jonka hän myöhemmin vahvisti tutkimuksella, että harvinaisten maametallien alkuaineet ovat kolmiarvoisia. Tämän seurauksena 1800-luvun ensimmäisellä puoliskolla ei todettu vain alkuaineiden suuren kotimaan olemassaoloa, vaan myös joitain yksittäisiä ominaisuuksia tutkittiin [66] .
Vuonna 1848 kuoli J. Berzelius , tunnettu kemisti, joka oli työskennellyt tieteessä lähes 50 vuotta, ja seuraavien 30 vuoden aikana tiedemiesten kiinnostus orgaanista kemiaa varjosti epäorgaanisen kemian : useimmat metalliyhdisteet oppivat saamaan perinteisin keinoin. fraktiosaostuksen ja kiteyttämisen menetelmät - kävi selväksi, että valoisa ajanjakso löytöhistoriassa on päättynyt [67] . Edistyminen edellytti uusia käsitteitä ja oppimistekniikoiden kehittämistä [63] .
Harvinaisten maametallien tutkimus ei kuitenkaan pysähtynyt huolimatta siitä, että aluksi huomio keskittyi pääasiassa lantaaniin, ceriumiin ja didyymiin. Uusi näkyvä hahmo tutkimuksessa oli Jean Charles Marignac, joka hieman myöhemmin tunnisti kolme uutta elementtiä; hän myös määritti tarkemmin useiden alkuaineiden (serium, lantaani ja didymium) atomimassat, jalosti Mosanderin kehittämää erotusmenetelmää, joka mahdollisti puhtaampien valmisteiden saamisen. Vuonna 1848 hän laski ceriumin atomipainon cerium(III)sulfaatin ja bariumkloridin reaktiossa ( muut tutkijat muuttivat sitä myöhemmin useita kertoja), ja vuotta myöhemmin hän laski lantaanin ja didyymin painot. Vuonna 1853 hän tutki yksityiskohtaisesti didymiumin kemiallisia ominaisuuksia: väriä, suolakiteitä, liukoisuutta, menetelmiä halogenidien, sulfidien, fosfaattien, sulfaattien, oksalaattien, arseeniyhdisteiden saamiseksi; kaksi vuotta myöhemmin hän teki saman lantaanin kanssa [68] .
R. Bunsen ja G. Kirchhoff ottivat askeleen eteenpäin spektrianalyysin avulla tieteen edelleen kehittämiseksi vuonna 1859 [63] .
Mark Delafontaine alkoi vuonna 1864 työskennellä gadoliniitin kanssa: erbiumia ja sen yhdisteitä tutkittiin yksityiskohtaisesti eri menetelmillä, mukaan lukien kaasupolttimen avulla . Hän tarjosi myös melko selkeitä todisteita erbiumin, mutta ei terbiumin löytämisestä [69] . Ja jos C. Youngin vuonna 1872 [70] tekemällä löydöllä aurinkospektristä lopulta vahvistettiin ensimmäisen olemassaolo, niin O. Popp kiisti jälkimmäisen esiintymisen luonnossa (hän kiisti sekä terbiumin että erbiumin olemassaolon [71] ), J. Bar , R. Bunsen , P. T. Cleve . Useiden lisätutkimusten tulokset 1880-luvun alkuun asti. johti yhä enemmän sekaannukseen: terbiumin olemassaolo joko vahvistettiin tai kiellettiin, Delafontaine raportoi useiden muiden "alkuaineiden" (mosandria, filipium, decipium) löytämisestä jne. [K 9] [69]
Ymmärrys siitä, että elementit voidaan järjestää loogiseen sarjaan, ryhmä ryhmältä, kuten D. I. Mendelejevin jaksollinen taulukko on ehdottanut vuodesta 1869 lähtien, ei tullut heti [63] . Se mahdollisti myös lisälöydösten suunnan näkemisen, "kartan" asettamisen tutkijoiden käsiin, jonka ymmärtäminen kesti kauan [72] . Joten esimerkiksi Delafontinen huomautuksen, jonka mukaan didymium ei ole homogeeninen, vahvisti Lecoq de Boisbaudran vuonna 1875 suorittamalla rinnakkaisen galliumin (ekaaalumiinin) spektrien tutkimukset , joka on ensimmäinen D. I. Mendelejevin taulukon ennustama "eka"-alkuaine, joka heijastaa sen todellisuutta. olemassaoloelementti ja jolla oli monimutkaisempi selitys elementtien sijainnista [73] . Hieman aikaisemmin, vuonna 1870, D. I. Mendelejev itse ennusti ecaborin ( skandium ) [74] olemassaolon , jonka spektrit L. Nilson löysi vuonna 1879, ja vuotta myöhemmin hän eristi myös skandiumoksidia ytterbiumin kanssa. oksaniitista [ 75] .
Skandiumin löytäminen jo ennen sen löytämistä luonnosta auttoi merkittävästi kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän muodostumisessa ja hyväksymisessä [75] . Lisäksi tutkijat esittivät taulukossa erilaisia elementtien paikkoja yrittääkseen ratkaista harvinaisten maametallien sijaintiongelman [76] , koska teoriassa ei ollut tietoa; Vaikka useimmat elementit sopivat hyvin taulukon tiettyihin soluihin (paikkoihin), harvinaiset maametallit ominaisuuksiltaan hyvin samankaltaisilla ominaisuuksilla jäivät silti määrittelemättömään asemaan, mikä toimii tutkijoiden inspiraation lähteenä [77] .
Carl Gustaf Mosanderin (1797-1858) tutkimus sai monet kemistit tutkimaan ceriumia ja yttriumia sisältäviä mineraaleja. Edistyminen oli kuitenkin hidasta aina 1870-luvun lopulle asti. ei oppinut tutkimaan kemiallisia ominaisuuksia spektroskopialla (erotustekniikoiden parantamisen lisäksi). Seuraavina vuosina alkuaineiden tutkiminen ja löytäminen oli paljon nopeampaa [66] [78] . Spektrianalyysin ansiosta osa edustajista löydettiin (tai vahvistettiin olevan olemassa): terbium, ytterbium, holmium, tulium ja samarium. Toisaalta herkemmän tekniikan käyttö johti myös virheellisiin johtopäätöksiin: pienikin määrä epäpuhtauksia tutkitussa valmisteessa voi muuttaa tallennettua spektriä suuresti [79] .
Jean Marignac saavutti menestyksen eristämällä ytterbiummaan yttriummaasta 22. lokakuuta 1878 [80] seuraavasti: terbiumin ja yttriumin seoksesta tutkija eristi erbiumsakan ja päätteli, että se oli heterogeeninen sen perusteella, että tuntematon alkuaine (ytterbium) oli sellaisenaan ja sen suolat värittömiä, toisin kuin erbiumoksidi [73] ; samalla tutkija teki johtopäätöksen alkuaineen 3-arvoisesta tilasta ja laski atomipainon - 172 [81] [K 10] . L. Nilson ja muut tutkijat tarkastivat tämän maan , jotka olivat melkein täysin vakuuttuneita sen puhtaudesta, mutta jotkut uskoivat, että siinä oli epäpuhtauksia. Jälkimmäisten joukossa olivat J. Urbain Ranskassa ja K. Auer von Welsbach Itävallassa (myöhemmin molemmat löysivät itsenäisesti lutetiumin vuonna 1907 ja 1908), W. Crookes tuli samaan johtopäätökseen (ilmoitti useiden alkuaineiden löytämisestä). spektroskopit F. Exner ja E. Hasek (1899) ja E. A. Demarce tutkiessaan spektrejä löysivät vuonna 1900 alkuaineen " Θ " ja tekivät muistiinpanon sen saapumisesta Marignacin maahan [81] .
Mineraali samarskiitti (löysi G. Rose vuonna 1839 ja on nimetty venäläisen kaivosinsinöörin mukaan) herätti paljon tutkijoita vuonna 1878; M. Delafontaine, tutkiessaan näytteitä mineraalista, löysi erinomaisen didyymin absorptiospektrin seriitistä eristetystä didyymistä. Mahdollisena uusien alkuaineiden lähteenä mineraalia tutki P. E. Lecoq de Boisbaudran , joka löysi spektristä selittämättömiä viivoja, jotka viittaavat uuteen alkuaineeseen. Myöhemmin todistettiin, että se voidaan erottaa didymiumista ja desipiumista erilaisten kemiallisten ominaisuuksien perusteella, ja 16. heinäkuuta 1879 tutkija kertoi löytäneensä samariumin, joka oli eristetty mineraalista ensimmäistä kertaa [64] [73] . [82] .
Per Theodor Cleve vuonna 1879 tutkiessaan erbiumia, joka jäi jäljelle ytterbiumista erotuksen jälkeen, tuli siihen tulokseen, että fraktio oli heterogeeninen: R. Alainin tallentama spektri auttoi ymmärtämään, että se sisälsi epäpuhtautta. Tutkija jakoi aineen kolmeen fraktioon: ensimmäinen oli yttriumia, toinen ytterbiumia ja kolmas erbiumia. Erbiumin spektrin oletetuista juovista yksi (viiva) oli vain ytterbiumia lähellä olevassa fraktiossa, mutta ei itse ytterbiumia; toinen on samanlainen - vain murto-osa, joka on lähellä yttriumia, mutta ei itse yttriumia; molemmat linjat olivat hyvin heikosti läsnä erbiumfraktion spektrissä. Tiedemies tajusi löytäneensä kaksi uutta alkuainetta ja antoi heti niille nimet: tuliumi ja holmium. Samaan aikaan Kleve huomautti, että elementtien jako ei ollut lopullinen [83] . Heti kun tämä tapahtui, kävi ilmi, että vuotta aiemmin J.-L. Soret löysi saman holmiumin absorptiospektrin erbiumnäytteestä, joka saatiin J. Marignacilta; tutkija nimesi sen elementiksi "X" [75] . Samaan aikaan Lecoq de Boisbaudran vahvisti sekä Cleven että Soretin tutkimukset [84] .
Epävarmuus uusien alkuaineiden läsnäolosta johti intensiiviseen samariumin tutkimukseen, minkä seurauksena löydettiin kaksi lantanidia: gadolinium ja europium [85] . Vuonna 1880 J. Marignac alkoi tutkia samarskitea. Käyttämällä fraktiosaostusta ja käyttämällä kaliumsulfaattia, jota seurasi oksalaattien eristäminen, saatiin kaksi mahdollisesti uutta maata: Yα ja Yβ. Soretin spektrianalyysi ehdotti, että Yβ oli samarium, eikä Yα ollut samanlainen kuin mikään tunnetuista alkuaineista, mukaan lukien desipiumi [85] . Vuonna 1881 Delafonte sai puhtaamman desipiumin, mikä mahdollisti sen johtopäätöksen, että se oli samanlainen kuin alkuaine Yα ja että samariumissa oli aiemmin ollut seos [84] .
P. E. Lecoq de Boisbaudran (Marignacin suostumuksella) ehdotti vuonna 1880 alkuaineen nimeämistä gadoliniumiksi, mutta ei tiedetä, onko alkuaine nimetty Johan Gadolinin vai mineraalin vai molempien mukaan; Gadolinium on kuitenkin ainoa lantanidi, jonka nimi tulee hepreasta : gadol -juuren ("suuri") valitsi sukunimeksi tiedemiehen isä ja se tulee sen Suomen maatilan ( Suomi Maunala ) nimestä, jolla hän asui [9 ] . Vuonna 1886 Marignac nimesi alkuaineen Yα, gadolinium [84] .
Vuonna 1885 E. A. Demarcet sai saastuneita samariumnäytteitä P. T. Cleveltä ja tutkittuaan spektriviivat epäili epäpuhtauksien olemassaoloa. Tämä kysymys pysyi avoimena useita vuosia, ja myöhemmin jopa Lecoq de Boisbaudran ja Demarcet raportoivat epäpuhtauksien löytämisestä (vuosina 1892 ja 1893). E. A. Demarce hankki puhtaan europiumyhdisteen vuonna 1901. Hieman myöhemmin Georges Urbain (1903 ja 1904) raportoi europiumin eristämisestä gadoliniumista uudella menetelmällä, jossa vismutti oli erottava alkuaine [85] .
Vuonna 1882 B. Brauner raportoi (J. Marignacin vuonna 1853, M. Delafonten vuonna 1875 ja P. T. Cleven lisäksi 1882) didymiumin heterogeenisyyden, joka merkitsi epäpuhtautta merkinnällä Diγ, ja vuotta myöhemmin vahvisti hänen oletuksensa. Muutamaa vuotta myöhemmin, jonka aikana K. Auer von Welsbach osallistui erilaisten löydettyjen lantanidien erottamiseen, kiitos yli sata kertaa jakokiteytys (ei saostus) ja spektrien analyysin toiston, vuonna 1885 jakeet Praseodydiumia (vihreä) ja neodydiumia saatiin [86] [87] . Myöhemmin heidän nimensä lyhennettiin praseodyymiksi ja neodyymiksi, ja vuonna 1890 löydön vahvisti itsenäisesti A. Bettendorff [87] . Neodyymi [88] oli ensimmäinen, joka saatiin suhteellisen puhtaassa metallimuodossa vuonna 1925, ja praseodyymi [89] vuonna 1931 .
Lecoq de Boisbaudranin tekemä yksityiskohtainen holmiumin tutkimus johti dysprosiumin löytämiseen vuonna 1886. Uusi alkuaine sai nimensä, koska sen eristäminen vaati 32 työlästä toimenpidettä ammoniumsuolojen saostamiseksi ja 26 oksalaattien saostamista; myöhempi spektrien ja fluoresenssin tutkimus mahdollisti uuden alkuaineen löytämisen [75] . Kemistit ottivat vastaan dysprosiumin löydön ilman tuohon aikaan tavanomaista epäuskoa ja kiistaa [84] ; Vuoteen 1950 asti metallia (yhdessä muiden harvinaisten maametallien kanssa) ei voitu saada puhtaassa muodossa, ennen kuin ioninvaihtoreaktiot ja F. Speddingin [90] kehittämä metallografinen pelkistystekniikka kehitettiin .
Seuraavan vuosisadan alkuun mennessä monet kemistit olivat vakuuttuneita seuraavien alkuaineiden olemassaolosta: lantaani, cerium, praseodyymi, neodyymi, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, tulium, ytterbium [91] .
Pitkä tie tutkia ja löytää suurin osa lantanidien luonnosta saatiin päätökseen J. Urbainin tutkimuksen ansiosta , joka vuonna 1907 (yli vuosisata ceriumin löytämisen jälkeen [43] ) paljasti J. Marignacin ytterbiumissa lutetium [66] . Vuotta myöhemmin ja Urbainista riippumatta, vuonna 1908 tämän elementin löysi C. Auer von Welsbach, joka kutsui elementtiä Cassiopeiaksi [19] . Nimiä lutetium ja kassiopeia käytettiin rinnakkain useiden vuosikymmenten ajan, ja jälkimmäinen oli käytössä Saksassa ja Itävallassa 1950-luvulle asti [79] .
Jos spektrianalyysi teki mahdolliseksi tunnistaa yksittäisiä harvinaisten maametallien alkuaineita eri kivissä, tehdä johtopäätöksen niiden puhtausasteesta, niin hän ei voinut ehdottaa mitään lantanidien alkuperäisestä runsaudesta, ennakoida uusien alkuaineiden olemassaoloa. Vastaus viimeiseen kysymykseen annettiin REE:n röntgenspektrien tutkimisen jälkeen. Siten Moseleyn lakia käyttäen havaittiin, että lantaanin atomiluku on 57, raskain alkuaine lantanidiperheestä on 71. Kaikkien tunnettujen lantanidien atomilukujen röntgenspektrimäärityksen jälkeen havaittiin, että niiden joukossa on ei ole elementtiä numerolla 61 [92] . Ryhmä italialaisia tiedemiehiä Firenzen yliopistosta ilmoitti florentiumin löytämisestä vuonna 1924. Samanlainen raportti illiniumin löydöstä ( Illinoisin osavaltion kunniaksi ), joka kuultiin kaksi vuotta myöhemmin, oli myös ennenaikainen [76] .
Tämän elementin etsintä alkoi. Viisikymmentä näytettä lantanidimineraaleja tutkittiin perusteellisesti spektrin optisilla ja röntgenalueilla - 61. elementtiä ei löydetty. Saksalainen kemisti L. Prandtl ehdotti, että tätä alkuainetta joko ei ole olemassa tai sen esiintyminen luonnossa on yhtä vähäistä kuin teknetiumia . Kuitenkin saksalainen tutkija I. Noddak , joka tunnettiin mangaanin ja erityisesti reniumin vastaavien alkuaineiden etsimisestä , esitti hypoteesin 61. alkuaineen atomien epävakaudesta eli sen radioaktiivisuudesta : perusta sellaiselle hypoteesi oli, että 62. alkuaineella - samariumilla - on heikko radioaktiivinen emissio, ja hypoteesi vahvistettiin. 61. alkuaineen atomit saatiin ydinreaktioista [92] : vuonna 1945 amerikkalaiset tutkijat J. Marinsky, L. Glendenin ja C. Coryell saivat 61 alkuainetta [93] (nuklidin muodossa 147 Pm ) ja tunnistivat kemiallisesti kaksi isotooppia käyttäen ioninvaihtokromatografiaa. Vuonna 1947 sen kemialliset ominaisuudet ilmoitettiin löydön todistamiseksi, ja vuotta myöhemmin nimi annettiin [94] [95] [96] .
Trendit oppimisessaVuonna 1937 W. Klemm ja G. Bommer valmistivat REE:tä muodossa, joka antoi heille mahdollisuuden kuvata useita metallien ominaisuuksia: kuvata niiden kiderakennetta, magneettista suskeptiokykyä , tiheyksiä ja myös vahvistaa Viktor Goldschmidtin vuonna 1925 julkaisemia tietoja lantanidin puristamisesta ( saksalainen die Lanthaniden-Kontraktion) sarjanumeron kasvulla. Työ johti johtopäätökseen, että alkuaineet eivät ole ominaisuuksiensa perusteella niin samankaltaisia keskenään, kuten aiemmin yleisesti uskottiin: Eu:lle ja Yb:lle kuvattiin kaksiarvoisia tiloja ja Ce:n valenssi osoittautui suuremmiksi kuin 3+. . Erot lisääntyivät vähitellen jatkotutkimuksen myötä [97] [98] [99] .
1900-luvun puolivälistä lähtien monet lantanidien, Sc ja Y taksonomiaan liittyvät kysymykset ovat olleet monien julkaistujen teosten kohteena, mikä on johtanut yleisesti kemiallisen, metallurgisen ja fysikaalisen luonteen syvempään ymmärtämiseen. 17 elementistä [99] . Toisen maailmansodan aikana ja sitä seuraavina vuosina F. Spedding [K 11] tutki ja laajensi merkittävästi tekniikkaa harvinaisten maametallien erottamiseksi ioninvaihtohartseilla . Amesin laboratoriossa erotettiin ja tuotettiin satoja kiloja puhtaita alkuaineiden oksideja . Samanaikaisesti harvinaisia maametalleja tuli vähitellen saataville käyttöön ja niiden ominaisuuksien tutkimiseen. Vuoden 1957 jälkeen, kun teollisuus alkoi valmistaa erittäin puhtaita yhdisteitä, joidenkin niistä (Eu:sta Lu:hun) hinnat laskivat keskimäärin 282 kertaa [97] [K 12] .
Fysikaalisten perusominaisuuksien, erityisesti metallien, metalliseosten ja yhdisteiden magnetismin , tutkimus on ollut tutkijoiden intensiivisen tutkimuksen kohteena useiden vuosikymmenien ajan. 1960-luvulla - 1970-luvun alussa. päähuomio keskittyi "raskaisiin" lantanideihin; "keuhkot" kuitenkin herättivät huomiota 1970-luvulla, jolloin niitä tuli saataville kiteiden muodossa [100] . Samoihin vuosiin alkoi ilmestyä teoksia metallien vaikutuksesta ihmiskehoon [101] : radioaktiivista 144 Ce:tä löydettiin eläinten ja nilviäisten luista [102] sekä ihmisten keuhkoista ja imusolmukkeista. jotka hengittivät radioaktiivisia aerosoleja [103] . 1980-luvun puolivälissä. Tiedemiesten huomion kiinnittivät niiden korroosionestoominaisuudet: julkaistiin töitä, joissa kuvattiin REE-kloridien positiivista vaikutusta tiettyjen metallien (esimerkiksi alumiinin) korroosion estämiseen klooria sisältävissä elektrolyyteissä [104] [105] [106] .
Manhattan Projectista lähtien Yhdysvallat on ollut REE:n ja siihen liittyvien teknologioiden tutkimuksen keskus. 1980-luvun alussa "vallan" keskus on siirtynyt Japaniin maan elektroniikka- ja autoteollisuuden nopean kehityksen vuoksi ja siirtyy parhaillaan Kiinaan, ehkä samoista syistä (mukaan lukien edullinen maantieteellinen sijainti) [107] .
Chemical Abstracts Servicessä vuonna 1990 rekisteröityjen tieteellisten julkaisujen kokonaismäärä oli noin 490 000 , joista 18 000 koski harvinaisten maametallien tutkimusta ; vuonna 2007 kokonaismäärä oli lähes 1 000 000 , josta noin 3 % oli REE:tä. Suurin osa materiaaleista julkaistiin aiheista, jotka liittyivät ryhmän oksideihin (enintään 5000 artikkelia, 2008), sitten spektroskopiaan (yli 1400 artikkelia, 2008), magnetismiin (jopa 1400, 2006), magneetteihin (sama), katalyysiin ja katalyytit (1400 asti, 2008) [107] .
Harvinaisten maametallien tärkeimmät mineraalit [108] | |||
---|---|---|---|
Nimi | Mineraalin koostumus | Ceriumryhmän alkuaineiden pitoisuus , % |
Yttriumryhmän alkuaineiden pitoisuus , % |
Monatsiitti | REE ja toriumortofosfaatit (Ln, Th) PO 4 |
42-70 | 0,5-5 |
Bastnäsite | REE-fluorikarbonaatit (Ce, La) CO 3 F |
73-76 | 0,0-0,1 |
Lopariitti | Titanoniobates REE, kalsium | 30.7-34 | 0,0-0,5 |
Cerite | REE-silikaatit | 59,4-70 | — |
euxeniitti | Titanoniobaatit REE, kalsium (Y, Ca, Ce,) (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 |
0,2-4,3 | 18.2-28.1 |
Xenotim | REE-ortofosfaatit YPO 4 |
0,3-5 | 52-63 |
Gadoliniitti | REE-silikaatit, rauta, beryllium | 2,9-7,9 | 31-46.6 |
Samarskit | Yttrium-tantaloniobaatti, erbium jne. | 0,3-1,7 | 9.1-38 |
fergusoniitti | Seos tantaloniobaatteja , samariumin titanoniobaatteja, yttriumia, erbiumia ja rautaa |
0,9-6,2 | 31.2-42.3 |
Pyrokloori | (Na, Ca, Ce, Y, Th, U) 2 (Nb, Ta, Ti, Fe) 2 O 6 (OH, F) |
0,78-7,5 | 0,1-0,6 |
Lantanidit ovat laajalle levinneitä luonnossa. Niiden jakautuminen maankuoressa on 0,015 % [109] . Niiden kokonaispitoisuus lähestyy kuparin , lyijyn , sinkin [109] , tinan , kullan [19] ja arseenin runsausarvoja , jotka eivät ole harvinaisia alkuaineita luonnossa. Maapallolla ei ole kiviä, jotka eivät sisältäisi edes pientä seoksia seriumia, lantaania, praseodyymiä, yttriumia jne. Lantanideja löytyy apatiiteista , bariiteista , graniiteista , basalteista , pyrokseniiteista , andesiiteista , savesta , merivedestä jne. Lisäksi niitä löydettiin myös hiilestä , öljystä , erilaisista maaperistä, eläimistä ja kasveista [92] .
Metallivarantojen geologinen jakautuminen [110] | |
---|---|
Maa | Oksidivarannot, t |
Kiina | 55 000 000 |
IVY-maat | 19 000 000 |
USA | 13 000 000 |
Intia | 3 100 000 |
Australia | 1 600 000 |
Brasilia | 48 000 |
Malesia | 30 000 |
muu | 22 000 000 |
Kaikki yhteensä | 113 778 000 |
Lantanidit ovat kuitenkin edelleen melko hivenaineita, eikä niitä usein löydy helposti kierrätettävistä mineraaleista. Vain joissakin maissa ( Intia , Etelä-Afrikka ) on riittävästi esiintymiä rikasteiden tuottamiseen, mutta yli 95 % kaikista esiintymistä sijaitsee Kiinassa . Paradoksaalista kyllä, koska niiden rooli maataloudessa ja teollisuudessa on kasvanut, niiden kielteiset ympäristövaikutukset ovat myös lisääntyneet [109] . Luonnossa REE-pitoisuuksia on enemmän keskittynyt. 1800-luvun ensimmäisellä puoliskolla tunnistettiin useita mineraaleja , jotka sisältävät lantanideja. Tämän alkuaineryhmän pitoisuus mineraaleissa lähestyy 250 lajia. Mineraalityyppejä on noin 60–65 , joista REE on 5–8 painoprosenttia . Useimmat mineraalit sisältävät ceriumia ja sen läheisiä alkuaineita (ceriummetalleja). Yttriumia ja raskaita lantanideja sisältävistä mineraaleista tiedetään paljon vähemmän [108] .
"Kevyiden" lantanidien pitoisuus on yleensä korkeampi kuin "raskaiden": useimmat alkuaineesiintymät sisältävät 80-99 % lantaani-, cerium-, praseodyymi- ja neodyymiyhdisteitä. Metallit voidaan louhia oksideinaan tai puhtaassa muodossa ( mischmetal ), minkä jälkeen ne erotetaan. Vain lantaani, cerium, praseodyymi ja yttrium louhitaan erikseen, ja ne muodostavat noin neljänneksen kokonaistuotannosta [111] .
Intiassa on runsaasti lantanidien (harvinaisten maametallien) esiintymiä ; monatsiittihiekkaa esiintyy Travankorin rannikkorannoilla, Brasiliassa , Australiassa , Yhdysvalloissa , Afrikassa , Skandinaviassa jne. Euroopassa REE-mineraalit sijaitsevat Kuolan niemimaalla , Uralilla , Ukrainassa , Aasiassa - Kazakstanissa , Siperiassa .
Kesäkuussa 2011 japanilaiset tutkijat löysivät laajoja metalliesiintymiä - lantanidien ja yttriumin - Tyynenmeren pohjalta . Kansainvälisillä vesillä 78 paikassa 3,5–6 kilometrin syvyydessä poistettiin lietekertymiä pohjasta [115] . Tutkijoiden arvioiden mukaan metallia sisältävien sedimenttien kokonaismäärä merenpohjassa on noin 110 miljoonaa tonnia [116] . Tutkitut paikat valittiin siten, että ne peittävät suurimman osan pohjapinnasta. Yhdisterikkaimmat alueet (pääasiassa metallipitoiset sedimentit, zeoliittisavi , punasavi ) sijaitsevat keskustasta (n. 13°30′ N 175°00′ L ) kaakkoon ( 15° S leveys 145° L ) valtameren alueet. Kuitenkin niin kauan kuin 4–5 kilometrin syvyys, jossa suurin osa oksidipitoisesta lieteestä sijaitsee, vaikuttaa voimakkaasti kaivostoiminnan taloudelliseen ja teknologiseen kannattavuuteen, esiintymät pysyvät vain erittäin lupaavana resurssina kaivostoiminnassa [117] .
Tärkeimmät malmit, joista harvinaisia maametalleja louhitaan, ovat bastnäsiitti , monatsiitti , ksenotiimi ja ioniabsorptiosavet [118] .
Joidenkin metalliesiintymien alkuainekoostumus (%) [118] [119] | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Mount Weld (CLD) [K 16] (Australia) |
Mount Weld (Duncan) [K 16] (Australia) |
Mountain Pass (USA) |
Bayan-Obo (Kiina) |
Guangdong (Kiina) |
Xunwu (Kiina) |
Longnan (Kiina) | |
Mineraali | Toissijainen monatsiitti | Churchit | Bastnäsite | Bastnäsite | Xenotim | lateriitti | lateriitti |
Lantaani | 25.57 | 23.93 | 33.2 | 23 | 1.2 | 43.4 | 1.82 |
Cerium | 46.9 | 39.42 | 49.1 | viisikymmentä | 3 | 2.4 | 0.4 |
Praseodyymi | 4.92 | 4.85 | 4.34 | 6.2 | 0.6 | 9 | 0.7 |
neodyymi | 16.87 | 18.08 | 12 | 18.5 | 3.5 | 31.7 | 3 |
Samarium | 2.29 | 2.87 | 0.8 | 0.8 | 2.2 | 3.9 | 2.8 |
Europium | 0,49 | 0,77 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.5 | 0.1 |
Gadolinium | 1.33 | 2.15 | 0.2 | 0.7 | 5 | 3 | 6.9 |
Terbium | 0.13 | 0,29 | — | 0.1 | 1.2 | — | 1.3 |
Dysprosium | 0,31 | 1.36 | — | 0.1 | 9.1 | — | 6.7 |
Holmium | 0,04 | 0.21 | — | — | 2.6 | — | 1.6 |
Erbium | 0,113 | 0,46 | — | — | 5.6 | — | 4.9 |
Thulium | 0,01 | 0,04 | — | — | 1.3 | — | 0.7 |
Ytterbium | 0,05 | 0.2 | — | — | 6 | 0.3 | 2.5 |
Lutetium | 0,02 | 0,03 | — | — | 1.8 | 0.1 | 0.4 |
Kiinassa on kolme pääkaivosaluetta: Baotoussa , Sichuanissa ja Jiangxissa - ne muodostavat 88 % kaikista maan esiintymistä. Bayan - Obossa (Baotou, Sisä-Mongolia ) noin 83% Kiinan esiintymistä on keskittynyt, Shandongin maakunnassa - 8%, Sichuanin maakunnassa - 3% (näissä maakunnissa on kevyitä lantanidien esiintymiä); 3 % raskaista lantanidiesiintymistä sijaitsee Jiangxin maakunnassa Etelä-Kiinassa [118] [120] .
Alkuaineiden runsaus Bayan-Obon bastnasiitissa ja monatsiitissa on samanlainen: 26 % on La 2 O 3 , 50 % on Ce 2 O 3 , 5 % on Pr 2 O 3 , 16 % on Nd 2 O 3 ja 1 % Sm 2 O 3 (muut alle 1 %). Sichuanin maakunnassa kehitetään bastnasiittia, jonka koostumus on seuraava: 37 % - La 2 O 3 , 47 % - Ce 2 O 3 , 4 % - Pr 2 O 3 , 10 % - Nd 2 O 3 (muut - vähemmän kuin 1 %). Kaakkois-Kiinassa tiedetään REE:tä sisältävän lateriittisen saven esiintyminen; useissa Jiangxin ympärillä sijaitsevissa maakunnissa kehitetään ioneja absorboivia savea, joiden koostumus on melko erilainen: 2-30 % - La 2 O 3 , 1-7 % - Ce 2 O 3 ja Pr 2 O 3 3-30 % - Nd203 , 2-7 % - Dy203 [ 118 ] [ 121 ] [122] . Jälkimmäisen ansiosta yttriumryhmän metallien maailmanlaajuinen tarjonta saavutetaan; ne louhitaan yleensä ja helpommin sellaisista savesta heti paikan päällä - tämä prosessi on paljon vähemmän energiaintensiivinen kuin louhinta kovista kivistä [114] [123] [124] .
Muita tutkittuja kohteita Yunnanin , Guizhoun ja Sichuanin maakunnissa ovat basaltin säänkestävä kuori, joka on mahdollisten esiintymien lisäselvityksen kohteena [125] .
Kiinan harvinaisten maametallien louhinnan taso on tällä hetkellä vähintään 80 prosenttia maailmanlaajuisesta tasosta [126] .
Metalliyhdisteiden kustannukset vuosina 2009 (arvioitu) [127] ja 2011 [128] . | |||||
---|---|---|---|---|---|
metallioksidi | Puhtaus, % | Hinta, USD/kg | |||
2009 | 2011 | ||||
Lantaani | 99,99 | kolmekymmentä | 100 | ||
Cerium | 96-99,50 | kolmekymmentä | 100 | ||
Praseodyymi | 96 | 38 | 225 | ||
neodyymi | 95 | 42 | 270 | ||
Samarium | 99,90 | 130 | 118 | ||
Europium | 99,99 | 1600 | 3 300 | ||
Gadolinium | 99,99 | 150 | 239 | ||
Terbium | 99,99 | 900 | 2750 | ||
Dysprosium | 99 | 170 | 1600 | ||
Holmium | 99,90 | 750 | — | ||
Erbium | 96 | 100 | 255 | ||
Thulium | 99,90 | 1500 | — | ||
Ytterbium | 99 | 325 | 450 | ||
Lutetium | 99,99 | 1800 | 4000 |
REE:n kysyntä on kasvanut viimeisen 35 vuoden aikana 30 000 tonnista (1980-luku) noin 120 000 tonniin (2010), mikä on enemmän kuin metalliyhdisteiden tuotanto vuonna 2011 - 112 000 tonnia [116] . Harvinaisten maametallien kulutus vuonna 2014 oli 120148 tonnia [129] . Tehdyt tutkimukset antoivat mahdollisuuden ennustaa, että vuosikasvun vuosivauhti ( englanniksi Compound vuosittainen kasvunopeus ) kysyntää vuosina 2014–2020. tulee olemaan 3,9 % (120148 tonnista 150766 tonniin) pääasiassa neodyymin, praseodyymin ja dysprosiumin oksidien (muiden harvinaisten maametallien joukossa) suuren kysynnän vuoksi [130] .
Kiina asetti vuonna 2010 vakavia kiintiöitä: metallin viennin volyymi väheni lähes 70 %, mikä heijastui hintojen huippukasvuna (2011) ja laskuna (2012) [131] ja sen seurauksena maailmalle. La:n hinta 2009-2012. lisääntyi kertoimella 5, Sm ja Tb 5,8, Er 6,3, Ce ja Pr 9, Nd 11 ja Dy 12,4 [132] . Tämän tapahtuman jälkeen käynnistettiin monia hankkeita metallien kaivospaikkojen kehittämiseksi eri maissa [131] sekä (mahdollisten) uusien [117] [133] [134] [135] [136] tutkimiseksi , mikä johti resurssien lisäys maiden ulkopuolella yli 7 kertaa - 13,4 (2010) 100,2 miljoonaan tonniin (2015) [126] .
Joidenkin oletusten mukaan hintojen nousu voi tällä hetkellä johtua myös yksittäisten harvinaisten maametallien kysynnän ja niiden malmipitoisuuden välisestä epätasapainosta [137] .
Kaivospaikkojen etsimisen lisäksi julkaistaan arvosteluja:
Viimeaikaiset tiedot osoittavat, että REE-käsittelyn taso on alle 1 % (2011) [156] [157] tai 1–2 % (2013) [158] [159] EOL-RR:n ( end- of - prosenttiosuus käytetyssä tuotteessa prosessoitavan metallin määrästä).
US Geological Survey julkaisi lausunnon näiden metallien kriittisestä merkityksestä korkealle teknologialle vuonna 2002 [160] . Myös Euroopan komissio tunnusti vuonna 2010 ryhmän kriittiseksi ja talouden kannalta keskisuureksi tärkeäksi [5] [161] ja yhteiseen tutkimuskeskukseen kuuluva Energia- ja liikenneinstituutti , markkinariskin ja poliittisten tekijöiden vuoksi, eristyksissä. neodyymi ja dysprosium [162] . Vuonna 2014 UNCTAD julkaisi erityisraportin, jossa todettiin suuri riippuvuus Kiinan tuotannosta ja elementtien tärkeys puolustusjärjestelmille [5] [163] . Monet asiantuntijat[ mitä? ] alkuaineita pidetään neljänneksi tärkeimpänä öljyn , veden ja rautamalmin jälkeen [164] , ja niitä kutsutaan joskus "vitamiineiksi" ("teolliset vitamiinit", "metallivitamiinit"): jopa pienten määrien lisääminen voi parantaa merkittävästi lopputuotteen hyödylliset ominaisuudet [165] [166] [167] [168] [169] .
Kiinan, maan, joka oli samanaikaisesti REE:n suurin tuottaja , kuluttaja ja viejä [171] [K 18] esimerkkiä käyttämällä voidaan päätellä, että metallin kulutuksen rakenteessa on tapahtunut merkittävä muutos 20 vuodessa. kaudella 1988-2008. Joten jos vuonna 1988 yli puolet (56 %) kulutuksesta oli metallurgisen teollisuuden ja koneiden osuus, niin vuonna 1998 se oli jo alle kolmannes (30 %) ja vuonna 2008 - 15%. Päinvastoin, magneettien, fosforien, kiillotusjauheiden jne. tuotanto vuonna 1988 oli alle 1%, mutta 10 vuoden kuluttua - 18% ja vuonna 2008 - 52%. Muut kulutusalueet - kemianteollisuus , öljy- , tekstiili- , valaistusteollisuus , maatalous , lasien , linssien , keraamisten materiaalien tuotanto - muodostavat jopa 56% kunkin yksittäisen vuoden välein. Kiinan metallien kulutuksen odotetaan kasvavan merkittävästi tulevaisuudessa, koska ulkomaisten yritysten määrä siirtää tuotantoaan ja mahdollisuus ostaa niitä halvemmalla kotimaassa, mikä alentaa lopputuotteen valmistuskustannuksia ja on yksi maan tärkeimmät strategiat, jotka haluavat säilyttää teollisuuden hallinnan [170 ] .
Kemiallinen alkuaine | La | Ce | PR | Nd | pm | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
latausnumero | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 |
Kuva | — | ||||||||||||||
Tiheys, 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 |
Sulamispiste, °C | 920 | 795 | 935 | 1024 | 1042 | 1072 | 826 | 1312 | 1356 | 1407 | 1461 | 1529 | 1545 | 824 | 1652 |
Kiehumispiste, °C | 3464 | 3443 | 3520 | 3074 | 3000 | 1794 | 1529 | 3273 | 3230 | 2567 | 2720 | 2868 | 1950 | 1196 | 3402 |
Elektroninen konfigurointi [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 5p 1 |
metallinen ritilä | DGPU | HCC | DGPU | DGPU | DGPU | R | BCC | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU | GPU |
Metallin säde, 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 |
Resistiivisyys (25 °C:ssa), µOhm cm |
57-80 (20 °C:ssa) |
73 | 68 | 64 | — | 88 | 90 | 134 | 114 | 57 | 87 | 87 | 79 | 29 | 79 |
Magneettinen herkkyys , χ mol / 10 −6 (cm 3 mol −1 ) |
+95,9 | +2500 (β) | +5530(α) | +5930 (α) | — | +1278(α) | +30900 | +185 000 (350 K) |
+170 000 (α) | +98000 | +72900 | +48000 | +24700 | +67 (β) | +183 |
Tiedetään, että lantanidiatomeilla on seuraavat elektroniset konfiguraatiot [Xe] 4 f n 6 s 2 ja [Xe] 4 f n −1 5 d 1 6 s 2 (jossa n on luku 1 - 14) [172] . Lantaanissa ([Xe] 5 d 1 6s 2 ) ei ole f -elektroneja, ceriumissa yksi ([Xe] 4 f 1 5 d 1 6 s 2 ), praseodyymissä on 3. Lisäksi sarjanumeron kasvaessa f -luku - elektronien määrä kasvaa asteittain, kun gadoliniumissa oleva 4 f -taso täyttyy puoliksi (4 f 7 5 d 1 6 s 2 ) ja täytetään lutetiumissa (4 f 14 5 d 1 6 s 2 ) [173] .
Lantaanissa, gadoliniumissa ja lutetiumissa 5 d 1 6 s 2 elektronia ovat valenssia, joten nämä yhdisteissä olevat alkuaineet ovat yksinomaan kolmiarvoisia. Muissa lantanideissa valenssisidoksia luodaan 4 f - elektronin osallistuessa. Niiden valenssi on kuitenkin myös 3. Kun otetaan huomioon 4 f 0 -, 4 f 7 - ja 4 f 14 -konfiguraatioiden stabiilisuus, elementit Eu ([Xe] 4 f 7 6 s 2 ) ja Yb ([ Xe] 4 f 14 6 s 2 ) [175] voi osoittaa valenssia 2, kun taas Ce ([Xe] 4 f 1 5 d 1 6 s 2 ) ja Tb ([Xe] 4 f 9 6 s 2 ) jopa 4 [173 ] .
Lantanidien ja yhdessä niiden kanssa REE: n ensimmäiset ionisaatiopotentiaalit ovat pieniä: 5,61 (La) - 5,64 eV ( Sc ). Toinen ja kolmas potentiaali eivät myöskään ole kovin korkeat. Lisäksi yksi- tai kaksinkertaisesti varautuneiden ionien lisäionisointi on helposti suoritettavissa, koska tähän tarvittava energia saadaan energian lisäyksenä kidehilan tai pienemmän R3 + :n hydraattien muodostumisen aikana . Näin ollen lantanidit muodostavat helposti R3 + -ioneja . Siksi niiden luomilla sidoksilla muiden alkuaineiden kanssa on suuri ionisuusprosentti [173] .
Kaikissa lantanidi-ioneissa Ln 3+ , paitsi La 3+ ja Lu 3+ , on parittomia 4 f - elektronia. Tämä osoittaa niiden paramagnetismin ja ionispektrien ominaispiirteet. Koska ulommat 5 s 2 ja 5 p 6 -alakuoret seulovat 4 f -kiertoradat erittäin selvästi, 4 f n -elektronia pysyvät käytännössä muuttumattomina kaikissa yhdisteissään.
Lantanideille on tunnusomaista hopeanhohtoinen väri, muokattavuus , alhainen kovuus ja keskimääräiset sulamispisteet , joiden arvoalue on 804 °C (serium) - 1700 °C (lutetium). Lantanidit voidaan jakaa tiheysarvojen perusteella kahteen ryhmään: kevyet ja raskaat. Ensimmäiseen ryhmään kuuluvat lantaani , cerium , praseodyymi , neodyymi , samarium , europium ja gadolinium . Näiden metallien tiheys on alle 8 g/cm³ . Loput alkuaineet muodostavat toisen ryhmän, jossa tiheys ytterbiumia lukuun ottamatta on välillä 8,272 ( terbium ) ja 9,482 g/cm³ ( lutetium ) [176] .
Metallilantanideille on ominaista paramagnetismi . Useimmat kolmivarautuneet lantanidi- ionit ovat myös paramagneettisia . Jotkut lantanidimetalleista ceriumia lukuun ottamatta säilyttävät paramagneettiset ominaisuutensa jopa erittäin alhaisissa lämpötiloissa ( nestemäisen typen lämpötila ), kun taas toiset muuttavat paramagnetismiaan huomattavasti lämpötilan muutoksen myötä [176] .
Lantaani ja lantanidit johtavat lämpöä ja sähköä . Ytterbiumilla on paras sähkönjohtavuus , huonompi - yttrium, lantaani, cerium, praseodyymi ja neodyymi. Kaikkein huonoimmin johtavat sähköä gadolinium ja terbium. Tästä seuraa, että sähkönjohtavuuden muutos sarjanumeron kasvaessa kasvaa epätasaisesti. Ja tämän ominaisuuden vuoksi lantanidit jaetaan kahteen ryhmään [177] .
Lantanidien atomitilavuudelle on ominaista vieläkin epätasaisempi muutos . Lantanidiatomien atomitilavuuden tai säteiden riippuvuus sarjanumeroista on luonteeltaan katkoviiva, jonka alussa, keskellä ja lopussa on piikit. Näin ollen lantanidimetallien fysikaalisten ominaisuuksien muutos osoittaa jo tässä perheessä toissijaisuutta ja niiden jakautumista kahteen ryhmään: ceriumiin ja yttriumiin.
Lantanidien tärkeä fyysinen ominaisuus on niiden kyky absorboida lämpöneutroneja . Tässä suhteessa gadolinium, samarium, europium ja dysprosium ovat erityisen erotettavia. Esimerkiksi ceriumin termisen neutronien sieppauspoikkileikkaus on 0,73 barnia , kun taas gadoliniumilla tämä arvo on 46 000. Ceriumin lisäksi yttrium (1,3 barn ) ja lantaani (9,3 barn ) absorboivat neutroneja huonosti [173] .
Syvällä oleva neljäs kerros 4f14 on täytetty lantanidiatomilla . Lantanideja voi siis olla vain 14. Koska kahden ulomman elektronikuoren rakenne ei muutu ydinvarauksen kasvaessa, kaikilla lantanideilla on samanlaiset kemialliset ominaisuudet [178] .
Luonnossa lantanidit seuraavat toisiaan. Yksittäisten alkuaineiden eristäminen kemiallisilla menetelmillä on erittäin vaikea tehtävä niiden ominaisuuksien suuren samankaltaisuuden vuoksi.
PolymorfismiLantanidien polymorfiset muunnelmat [179] | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Elementti | Muokkaus | Kristallijärjestelmä _ |
Tyyppi Rakenne |
Hilaparametrit, pm | Avaruusryhmä , Schoenflies- ja Pearson - symbolit |
Vakausalue | |||
a | c | ||||||||
Lantaani | α-La | Kuusikulmainen | α-La | 377,4 | 1217.1 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | Huone vauhti. ja paineita |
β-La | HCC | Cu | 530,45 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF2 | > 613 tuhatta | |
γ-La | BCC | W | 426,5 | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1141 tuhatta | |
β'-La | HCC | Cu | 517 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | > 2 GPa | |
Cerium | α-Ce | HCC | Cu | 516.1 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Ce | Kuusikulmainen | α-La | 367,3 | 1180,2 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | > 263 000 | |
y-Ce | HCC | Cu | — | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | < 95K | |
α'-Ce | HCC | Cu | 482 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | > 1,5 GPa | |
Ce-III | ortorombinen | α- U | — | — | cmcm | D17 2h |
oC4 | 5,1 GPa | |
Praseodyymi | α-Pr | Kuusikulmainen | α-La | 367,21 | 1183,26 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Pr | BCC | W | 413 | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1094 tuhatta | |
γ-Pr | HCC | Cu | 488 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | > 4 GPa | |
neodyymi | α-Nd | Kuusikulmainen | α-La | 365,82 | 1179,66 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Nd | BCC | W | 413 | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1135 K | |
γ-Nd | HCC | Cu | 480 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | > 5 GPa | |
Promethium | α-Pm | Kuusikulmainen | α-La | 365 | 1165 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Pm | BCC | W | — | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1163 tuhatta | |
Samarium | α-Sm | Trigonaalinen | α-Sm | 362,9 | 2620,7 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | Comp. vauhti. ja paineita |
β-Sm | BCC | W | — | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1190K | |
γ-Sm | Kuusikulmainen | α-La | 361,8 | 1166 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP4 | > 4 GPa | |
Gadolinium | α-Gd | GPU | mg | 363,36 | 578.1 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Gd | BCC | W | 406 | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1535 K | |
γ-Gd | Trigonaalinen | α-Sm | 361 | 2603 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 3 GPa | |
Terbium | α-Tb | GPU | mg | 360,55 | — | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Tb | BCC | W | — | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1589 K | |
Tb-II | Trigonaalinen | α-Sm | 341 | 2450 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 6 GPa | |
Dysprosium | α-Dy | GPU | mg | 359,15 | 565,01 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Dy | BCC | W | — | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1243 tuhatta | |
α'-Dy | ortorombinen | — | a = 359,5, b = 618,4, c = 567,8 | cmcm | D17 2h |
oC4 | < 86K | ||
γ-Dy | Trigonaalinen | α-Sm | 343,6 | 2483 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 7,5 GPa | |
Holmium | α-Ho | GPU | mg | 357,78 | 561,78 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Ho | BCC | W | — | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | Korkeassa lämpötilassa | |
γ-Ho | Trigonaalinen | α-Sm | 334 | 2450 | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 4 GPa | |
Erbium | α-Er | GPU | mg | 355,92 | 558,5 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Er | BCC | W | — | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | Korkeassa lämpötilassa | |
Thulium | α-Tm | GPU | mg | 353,75 | 555.4 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Tm | BCC | W | — | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | Korkeassa lämpötilassa | |
Tm-II | Trigonaalinen | α-Sm | — | — | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 6 GPa | |
Ytterbium | α-Yb | HCC | Cu | 548,48 | — | Fm 3m _ | O5 h |
cF4 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Yb | BCC | W | 444 | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1005K | |
γ-Yb | GPU | mg | 387,99 | 638,59 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | <270K | |
Lutetium | α-Lu | GPU | mg | 350,52 | 554,94 | P6 3 /mmc | D 46h _ |
hP2 | Huone vauhti. ja paineita |
β-Lu | BCC | W | — | — | olen 3m_ _ | O9 h |
cI2 | > 1005K | |
Lu II | Trigonaalinen | α-Sm | — | — | R 3 m | D5 3d |
hR3 | > 23 GPa |
Lantaanille ja lantanideille polymorfismi on ominaista, samoin kuin aktinideille . Joten lantaanilla on kolme muunnelmaa (α-, β- ja γ-lantaani), ceriumilla on neljä muunnelmaa (α-, β-, γ- ja δ-cerium). Normaaleissa olosuhteissa lantanideille on ominaista kuusikulmainen hila (lukuun ottamatta ceriumia) [177] .
Lantanidit ovat kemiallisesti aktiivisia, ne muodostavat vahvoja oksideja , halogenideja, sulfideja , reagoivat vedyn , hiilen , typen ja fosforin kanssa . Ne hajottavat vettä, liukenevat suola- , rikki- ja typpihappoon . Fluorivety- ja fosforihapoissa lantanidit ovat stabiileja, koska ne on peitetty niukkaliukoisten suolojen - fluoridien ja fosfaattien - suojaavilla kalvoilla .
Lantanidit muodostavat monimutkaisia yhdisteitä useiden orgaanisten yhdisteiden kanssa . Lantanidien erottamisen kannalta tärkeitä ovat kompleksit sitruuna- ja etyleenidiamiinitetraetikkahapon kanssa .
Ensimmäiset näytteet kristallografisesti karakterisoiduista Tb 2+ -, Pr 2+ -, Gd 2+ -, Lu 2+ -ionien kompleksisista yhdisteistä osoittivat, että kaikkien Ln 2+ -ionien (lukuun ottamatta mahdollisesti prometiumia) ioneja voidaan saada liuoksissa [180] [181 ] [182] .
Lantanidien pitoisuuden määrittämiseen liuoksessa voidaan käyttää kalseiinisinistä [K 20] [183] [184] .
Binääriyhdisteet Oksidit ja hydroksiditLnO-monoksidit (jossa Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Ho, Er, Yb) ovat mekaanisesti stabiileja, kestävät hyvin plastista muodonmuutosta ja niillä on metallisidosluonne . Youngin moduulin korkeat arvot bulkkimoduuliin ja leikkausmoduuliin verrattuna osoittavat, että La-, Ce-, Nd-, Sm-, Eu-, Ho-, Er- ja Yb-monoksidit ovat luonteeltaan jäykempiä kuin TbO; Poissonin suhde kaikkien edellä mainittujen monooksidien välillä on välillä 0,23 - 0,409, mikä osoittaa niiden kestävyyden ulkoista muodonmuutosta vastaan. Laskelmat elektronisen varaustiheyden jakautumisesta pitkin (100) tasoa yhdisteissä vahvistivat tiedot sidoksen kovalenttisesta luonteesta LaO : ssa , SmO :ssa , EuO :ssa , ErO :ssa , HoO :ssa ja sidoksen ionisesta luonteesta CeO :ssa , PrO :ssa , NdO :ssa ja TbO :ssa. ja YbO [185] .
HaliditSamarium(II)jodidia , jota käytetään orgaanisessa kemiassa yhtenä tärkeimmistä pelkistysaineista orgaanisessa synteesissä [186] , voidaan saada esimerkiksi sen trijodidin korkeassa lämpötilassa hajottamalla [187] [188] [189 ] tai samariumjauheen reaktiolla dijodietaanin kanssa vedettömässä THF :ssä laboratorio-olosuhteissa [190] . Dysprosium(II)- ja tulium(II)-yhdisteet ovat voimakkaampia pelkistäviä aineita orgaanisessa synteesissä kuin samarium(II)-yhdisteet [191] [192] [193] [194] .
Tehtyjen laskelmien ansiosta saatiin kokeellisia tietoja yhdisteiden LnX 4 (Ln = Ce, Pr, Tb; X = F, Cl, Br, I) ominaisuuksista, joissa 4f- ja n -p-tasot (lantanideille) ja halogenidit, vastaavasti) ovat merkittävästi päällekkäin. 4f-tason osuus Ln-X-sidoksesta tetrahalogenideissa on noin kolmanneksen suurempi kuin trihalogenideissa (LnX3 ) [ 195] .
Organometalliset yhdisteetRyhmämetallien organometalliyhdisteiden synteesiä koskevia katsauksia julkaistaan vuosittain [181] [196] [197] [198] [199] .
Tehosteet 4f-alatasollaLantanidien kemiallisten ominaisuuksien samankaltaisuus johtuu niiden atomirakenteen erityispiirteistä: niillä on sama määrä ja tyyppi valenssielektroneja viimeisessä kuudennessa kerroksessa atomiluvun kasvusta huolimatta. Nämä valenssielektronit, jotka kompensoivat lisääntynyttä positiivista varausta ytimessä, täyttävät osittain miehitetyn 4f-alitason. Ja koska se jää täyttämättä, lantanideilla on samanlaiset kemialliset ominaisuudet [200] .
Ytimen positiivisen varauksen ja 4f-alatason negatiivisen varauksen välillä kasvavien vetovoimien vuoksi [200] lantanideilla on taipumus menettää kolme elektronia (muodostaen Ln III ) [172] ja pienentää niiden atomisädettä . Mutta on poikkeuksia, kun tietyt alkuaineiden ionit ottavat "epätavalliset" ionitilat, esimerkiksi: emäksisessä ympäristössä europium voi ottaa elektronin ja ottaa 2-arvoisen tilan (Eu 2+ ), ja happamassa väliaineessa, cerium voi menettää sen ja tulla 4-valenttiseksi (Ce 4+ ) [200] .
Ryhmän atomien ainutlaatuiset spektroskooppiset ominaisuudet selittyvät 4f-radan säteittäisellä kasvulla, joka puolestaan on pienempi kuin täytettyjen 5s 2 ja 5p 6 -alatasojen kasvu. Tämä ominaisuus antaa elementeille erityisen huomion fotoniikan alan tutkijoilta , erityisesti valon tuottamisesta, sen vahvistamisesta ja muuntamisesta [201] .
Henry Moseley vuonna 1914 [129] vahvisti ensimmäisenä sen tosiasian, että lantanidia on oltava tarkalleen 15 . Lantanideiksi on tapana luokitella täsmälleen 15 alkuainetta, mutta tällä hetkelläkään ei ole yleistä yksimielisyyttä lantaanin asemasta, eli muodostavatko alkuaineet lantaanista lutetiumiin vai ceriumista lutetiumiin tämän ryhmän [15] [1] [ 202] . Joulukuussa 2015 IUPAC loi projektin tutkiakseen tätä ongelmaa [203] . Suomalaisen Helsingin yliopiston kemian professorin Pekka Pyukkön tieteellisessä artikkelissa on kolme erilaista lähtöä jaksollisen järjestelmän f-alkioiden järjestykseen [204] [K 21] :
Samanlaisia kiistoja synnyttää kysymys perheen asemasta jaksollisessa taulukossa: siihen vastaamiseksi ehdotettiin useita erilaisia ajatuksia jaksollisesta luokittelusta, joissa d- ja f-lohkon elementit sekoitettiin [205] [206 ] ] . Suurimmasta osasta vuoteen 1906 mennessä löydetyistä lantanideista, jotka eivät mahdu taulukkoon, D. I. Mendelejev kirjoitti seuraavan [207] :
Tässä minun henkilökohtainen mielipiteeni ei ole vielä asettunut mihinkään varmaa, ja tässä näen yhden säännöllisen laillisuuden esittämistä vaikeimmista tehtävistä.
yleistä tietoa | ||||
---|---|---|---|---|
Symboli | CAS | Ihmisen veren seerumin pitoisuus [ 208] [K 22] , pg /ml | Toksikologiset tiedot [209] | LD 50 [209] |
La | 7439-91-0 | 62,7 ± 7,1 | Eläimillä: lantaaniyhdisteiden injektio johtaa hyperglykemiaan , matalaan verenpaineeseen , pernan rappeutumiseen ja maksan muutoksiin | Lantaani(III)oksidi , suun kautta, rotat: yli 8,5 g/kg; hiiret, ip: 530 mg/kg |
Ce | 7440-45-1 | 214 ± 22 | Cerium on vahva pelkistävä aine, syttyy itsestään 65 - 80 °C:n lämpötilassa. Palamisen aikana vapautuvat höyryt ovat myrkyllisiä. Suurien seriumannosten injektointi eläimiin johti kuolemaan sydän- ja verisuonitautiin . Cerium(IV)oksidi on voimakas hapetin korkeissa lämpötiloissa, reagoi syttyvien orgaanisten materiaalien kanssa | Cerium(IV)oksidi , suun kautta, rotta: 5 g/kg, intradermaalisesti: 1–2 g/kg, höyryjen hengittäminen: 5,05 mg/l |
PR | 7440-10-0 | 11,1±1,5 | — | — |
Nd | 7440-00-8 | 33,7 ± 4,2 | Neodyymiyhdisteiden myrkyllisyyttä ei ole testattu laajasti. Neodyymipöly ja -suolat ärsyttävät voimakkaasti silmiä ja limakalvoja , ärsyttävät kohtalaisesti ihoa. | Neodyymi(III)oksidi , suun kautta, rotat: yli 5 g/kg, hiiret, intraperitoneaalisesti: 86 mg/kg. Yhdiste on mutageeni |
pm | 7440-12-2 | — | Mihin elimiin metallin kanssa vuorovaikutus vaikuttaa, ei tiedetä; mahdollisesti esiintyy luukudoksessa | — (lukuun ottamatta radioaktiivisia ominaisuuksia) |
sm | 7440-19-9 | 5,8±1,1 | Metallien kokonaispitoisuus aikuisella on noin 50 μg, pääasiassa maksassa ja munuaisissa, 8 μg on liuennut vereen. Liukenemattomat suolat ovat myrkyttömiä, liukenevat suolat ovat lievästi myrkyllisiä. Nieltynä vain 0,05 % metallisuoloista pääsee verenkiertoon, loput erittyvät luonnollisesti. Verestä noin 45 % menee maksaan, 45 % laskeutuu luiden pinnalle, jossa se voi viipyä jopa 10 vuotta; 10 % kokonaistuotannosta | — |
Eu | 7440-53-1 | 0,82 ± 0,19 | Metallimyrkyllisyydestä ei ole selkeitä merkkejä raskasmetalleihin verrattuna | Europium(III)kloridi , ip: 550 mg/kg, suun kautta: 5 g/kg. Europium(III)nitraatti , ip: 320 mg/kg, suun kautta: 5 g/kg |
Gd | 7440-54-2 | 7,2 ± 1,4 | Vapaassa tilassa metalli-ionit ovat erittäin myrkyllisiä; magneettikuvauksessa käytettyjä kelaattiyhdisteitä pidetään melko turvallisina. Myrkyllisyys riippuu kelatoivan aineen vahvuudesta. Anafylaktiset reaktiot ovat harvinaisia: noin 0,03-0,1 % tapauksista | — |
Tb | 7440-27-9 | 1,30±0,22 | — | — |
Dy | 7429-91-6 | 9,6 ± 1,1 | Liukoisilla metallisuoloilla (esim. dysprosiumkloridi , dysprosiumnitraatti ) on alhainen toksisuus nieltynä. Liukenemattomat suolat eivät osoita myrkyllisiä ominaisuuksia | Tappava annos dysprosiumkloridia henkilöä kohden: yli 500 g |
Ho | 7440-60-0 | 2,55±0,54 | — | — |
Er | 7440-52-0 | 9,5 ± 1,9 | — | — |
Tm | 7440-30-4 | 1,69±0,42 | Liukenevia metallisuoloja pidetään vähämyrkyllisinä suurina määrinä, liukenemattomat eivät ole myrkyllisiä. Kasvien juuret eivät ime tuliumia, joten se ei pääse ihmisen ravintoketjuun | — |
Yb | 7440-64-4 | 13,2 ± 3,2 | Kaikkia yhdisteitä tulee pitää erittäin myrkyllisinä, koska ne aiheuttavat ihon ja silmien ärsytystä; jotkut yhdisteet voivat olla teratogeenisiä | — |
Lu | 7439-94-3 | 2,46 ± 0,58 | Metalli on vähän myrkyllistä. Lutetiumfluoridi on vaarallista hengitettynä ja aiheuttaa ihoärsytystä. Lutetiumoksidijauhe on myrkyllistä sekä hengitettynä että nieltynä. Liukoiset metallisuolat ovat vähän myrkyllisiä, liukenemattomat myrkyllisiä | — |
Lantanidien farmakologiset ominaisuudet ovat sellaiset, että niiden pitoisuus elimistössä alentaa verenpainetta , kolesteroli- ja glukoositasoja , vähentää ruokahalua , estää veren hyytymistä ja ehkäisee koe-eläimillä ateroskleroosia . Tällaisten farmakologisten ominaisuuksien omaavien aineiden käytön mahdollinen etu lääketieteessä ei jätä niitä tutkijoiden ulkopuolelle. Joillakin lantanidikomplekseilla on tulehdusta estäviä vaikutuksia; esimerkiksi phlogodyn ( eng. phlogodyn ) on melko laajalti käytössä Unkarissa [210] .
Lantanideilla on erilaisia fysiologisia vaikutuksia kasveihin ja eläimiin , ja niiden katsotaan yleensä olevan alhainen toksisuus. Vasta äskettäin tutkimuksessa on keskitytty ympäristövaikutuksiin ja niiden mahdollisesti haitallisiin vaikutuksiin elämänlaatuun [109] .
On olemassa hypoteesi, että elävissä organismeissa harvinaiset maametallit suorittavat saman tehtävän kuin kalsium . Tästä johtuen ne kerääntyvät elimiin, joiden kalsiumpitoisuus on muita korkeampi. Maaperässä REE-pitoisuus on 0,24 % . Maaperästä nämä alkuaineet pääsevät kasveihin . Lupiinin , sokerijuurikkaan , mustikan , eri levien ja eräiden muiden kasvien pitoisuus on lisääntynyt . Eläinten maidosta, verestä ja luista havaittiin ceriumryhmän metallien läsnäolo [92] .
Lantanidimetallien ja niiden yhdisteiden käyttö teollisuudessa on alkanut lisääntyä merkittävästi viime vuosisadan jälkeen alkaen siitä, että pieniä määriä cerium- ja toriumoksideja käytettiin varhaisessa vaiheessa hehkuharsojen valmistukseen 1800-luvun lopulla eikä rajoitu vain kriittisiin komponentteihin laaja valikoima kehittyneitä teknologioita [211] .
1800-luvun loppuun mennessä kävi selväksi, että monatsiittihiekkoja , jotka olivat halpoja louhia ja jotka koostuivat cerium-, lantaani-, neodyymi-, praseodyymi- ja suurista määristä toriumyhdisteistä, oli Yhdysvalloissa ja Brasiliassa. Karl Auer von Welsbach (joka ei ollut vain tiedemies, vaan myös hyvä liikemies) havaitsi, että yhden edellä mainittujen alkuaineiden yhdisteen seoksen lisääminen toriumdioksidiin , joka muodosti kaasukäyttöisen verkon perustan, teki mahdolliseksi. saavuttaakseen kirkkaamman tulen valon ja palamisajan kuin hänen edellinen "aktinoforinsa" (tutkijan vuonna 1886 patentoima lantaanin ja zirkoniumoksidien ). Kesti vähän aikaa ymmärtää, että epäpuhtaus oli ceriumia, ja määrittää toriumin ja ceriumin "täydellinen" suhde hänen parantamassaan hehkulamppuverkossa: 99:1 [215] , joka ei muuttunut pitkään aikaan [20] ] .
4. marraskuuta 1891 tiedemies paljasti ja esitteli keksintönsä yleisölle Wienissä - tämä päivä oli harvinaisten maametallien käytön alku teollisuudessa. Kirjoittaja löysi ensimmäisen käyttötarkoituksen elementeille, jotka olivat tuolloin mystisiä: noin 90 000 lamppua myytiin ensimmäisten 9 kuukauden aikana niiden tuotannon aloittamisen jälkeen Atzgersdorfin tehtaalla , vuoteen 1913 mennessä kokonaismäärä oli noussut 300 miljoonaan kappaleeseen [215 ] (joka vaati 3 000 tonnia monatsiittihiekkaa [216] ), 30-luvulla se saavutti 5 miljardia [129] [212] . Suurimmat ostajat olivat rautatieyhtiöt, jotka käyttivät niitä sisätiloissa, koska ne olivat halvempia kuin sähkö; ulkona valaisimet valaisivat esimerkiksi Bombayn kadut, ensimmäinen kaupunki, joka käytti niitä [215] .
Vuonna 1915 julkaistiin kirja Rare Earths . Niiden esiintyminen. Kemia. Ja Technology , jossa kuvattiin muita (mahdollisia) sovelluksia kuin esimerkiksi lämmitysverkkoja [217] . Seriumsuoloja ehdotettiin parkitukseen , emalin valmistukseen ja peittausvärjäykseen alitsariinilla . Kemiassa ceriumkaksoissulfaatti suoritti muita metalleja (kuparin, raudan ja mangaanin) tehokkaammin aniliinin katalyyttisessä hapetuksessa aniliinimustiksi – yksi varhaisimmista tutkimuksista, joka on päivätty vuonna 1874, painottaen metallin teknisiä sovelluksia; aldehydien , kinonien jne. yhdisteiden saamiseksi aromaattisista hiilivedyistä sen sulfaatin hapettavia ominaisuuksia oletettiin käyttää happamassa liuoksessa. Ceriumyhdisteiden lisääminen kaarilampun elektrodiin mahdollisti keksijöiden mukaan voimakkaamman hehkun. Merkittävää käyttöä havaittiin myös: ceriumoksalaatti - lääketieteessä; ceriumsulfaatti on osoittautunut hyödylliseksi väri- ja mustavalkokuvauksessa ; korkeamman praseodyymioksidin syvä väri mahdollisti sen käytön didymiumin osana tekstiilien merkitsemiseen jne. [16]
Harsojen valtavan kaupallisen menestyksen ja rinnakkaisen prosessin, jossa torium eristettiin suurella määrällä lantanideja, ansiosta ajan mittaan havaittiin, että kloridisulan elektrolyysi, joka saatiin toriumjäännöksen poistamisen jälkeen, antoi pyroforisen sekametalli (50 % Ce, 25 % La, 25 % - muut lantanidit), jonka lisäksi 30 % Fe mahdollisti ihanteellisen vaalean piikin saamisen . Lisäksi metalleja käytettiin erikoislaseissa säätämään absorptiota tietyillä aallonpituuksilla - tämä väsähti metallien käytön 1940-luvulle asti [20] .
Lantanidien toiminnallinen käyttö [118] [218] [219] | ||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
La | Ce | PR | Nd | sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | |
Paristot | ||||||||||||||
Katalyytit | ||||||||||||||
kiillotusjauheet | ||||||||||||||
Metallurgia | ||||||||||||||
magneetit | ||||||||||||||
Keramiikka | ||||||||||||||
Lasi | ||||||||||||||
Fosforit | ||||||||||||||
muu | ||||||||||||||
- merkittävä, - vähäinen, - toiminnallista käyttöä ei ole havaittu |
Joitakin esimerkkejä lantanidien käytöstä [209] | |
---|---|
Metalli | Sovellus |
Eu, Tb | Loistelamput , LEDit |
Nd, Eu, Tb, Dy, Pr | Kannettavat langattomat laitteet, älypuhelimet , matkapuhelimet jne. |
Eu, Tb, Er | kuituoptiikka |
Eu, Tb, Gd, Pr, Ce | Litteät näytöt |
Nd, Tb, Pr, Dy | Lääketieteellinen kuvantaminen ( magneettikuvaus ), röntgenkuvaus |
La | Sähköakut |
Nd, Pr, Dy, Tb | Hybridiajoneuvot , tietokonelevyt , akkukäyttöiset sähkötyökalut , tuuli- ja vesigeneraattorit , start - stop -järjestelmä |
Pitsi | Katalyyttinen krakkaus , käsittelyjärjestelmät (esim. vedenkäsittely ) |
Perheen edustajien käyttömäärä on valtava: lasista metallurgiseen teollisuuteen; katalyytteinä öljynjalostamoissa, luminoivina aktivaattoina , sähkökeraamisissa yhdisteissä, korkean lämpötilan suprajohtimissa [220] . Huolimatta monenlaisista sovelluksista ja samankaltaisista kemiallisista ominaisuuksista joillakin metalleilla (Gd, Dy, Nd, Sm) on erittäin hyvät magneettiset ominaisuudet, kun taas Er- ja Tb-atomeilla on tietyt energiatilat, jotka mahdollistavat niiden käytön lasereissa tai valolaitteissa [ 5] . Metallien nykyaikainen käyttö korkeassa teknologiassa on strategisesti erittäin tärkeää [211] .
Luminesoivat materiaalitKuten edellä on kuvattu, ensimmäinen teollinen sovellus alkoi Ce02:n lisäämisellä ThO2:een , mikä johti kirkkaampaan valoon kuumennettaessa. XX vuosisadan alussa. J. Urbainin tutkimus eri matriiseihin liuenneista Eu III -ioneista johti epätavallisen kirkkaan loisteaineen löytämiseen, joka säteilee oranssinpunaista kirkasta valoa (Y 2 O 3 : Eu [4-6 mol.%]). Tätä loisteainetta on käytetty loistelampuissa ja katodisädeputkissa 1960-luvun alusta lähtien. ja sitä käytetään edelleen tuottamaan puhdasta punaista LED -valoissa , erityyppisissä näytöissä, mukaan lukien litteät näytöt , huolimatta useista muista mahdollisista ja tutkituista (rajoitteisella menestyksellä) korvaajista [221] .
Ensimmäinen raportti ligandiaktivoidun (ligandilla herkistetyn) lantanidien luminesenssin tuotannosta vuonna 1942 johti myöhemmin useiden antenniligandien löytöihin, mikä mahdollisti valoemission lisäämisen [222] [223] . S. Wiseman osoitti, että Ln-kompleksien emissio orgaanisten ligandien kanssa voidaan suorittaa itse ligandissa olevien elektronitasojen virittymisen vuoksi, minkä jälkeen energiaa kerätään metalli-ionien virittyneisiin tiloihin molekyylinsisäisen energiansiirron vuoksi. Löytöä kutsuttiin antenniefektiksi [221] .
Lantanidi-ionien luminoivat ominaisuudet osoittautuivat tärkeiksi korkeaan teknologiaan liittyvien luminoivien materiaalien luomisessa [3] . Perheen edustajia käytetään plasmapaneeleissa (esim. seottamalla pieniä määriä Eu 3+ :a Y 2 O 3 :ssa - yhdessä loisteaineista - voidaan saavuttaa sama valon intensiteetti kuin YBO 3 , Y 1 - x Gd x BO 3 , mutta alhaisemmalla inerttien kaasujen paineella kaasutäytteisissä kennoissa), FED-näytöt (jossa fosforin seskvioksidit , jotka ovat stabiilimpia ja ympäristöystävällisempiä kuin sulfidit, on seostettu lantanideilla), orgaanisessa valossa . emittoivat diodit ( Ln 3+ -kompleksiyhdisteet ) [226] .
Myös niiden ionit ovat löytäneet käyttöä korkeaenergisissa säteilyilmaisimissa - tuikeilmaisimissa ; Epäorgaanisilla kiteillä seostettuja lantanideja käytetään γ-säteilyn mittauslaitteissa ja röntgendiagnostiikassa . Ce 3+ : n nopea 5d → 4f -emissio (kesto 10–70 ns ) tekee siitä parhaan ehdokkaan käytettäväksi tällaisissa laitteissa. Etusija annetaan yhdisteille, joissa on halogenideja , kuten LuI3 : Ce3 + , joissa valoteho on 95 000 fotonia per 1 MeV [226] .
MagneetitHarvinaisiin maametalliin perustuvien kestomagneettien tutkimuksen historia juontaa juurensa vuoteen 1959, jolloin julkaistiin työ GdCo 5 -lejeeringin tutkimuksesta . Myöhemmin julkaistiin monia teoksia menetelmistä YCo 5 :n , SmCo 5 : n ja niiden epäpuhtauksien saamiseksi, tutkimiseksi ja ominaisuuksien parantamiseksi [227] [K 25] . 1980-luvun puoliväliin mennessä. tiedemiehet ovat saaneet kolme hyödyllisintä metalliseosta: SmCo 5 , Sm 2 Co 17 ja Nd 2 Fe 14 B . Jokainen niistä on hyödyllisiltä ominaisuuksiltaan paljon parempi kuin aikaisemmat magneetit, ja parhaat ovat kymmenen kertaa vahvempia kuin alnico- tai ferriittiseokset [ 228 ] [229] . Tuotteen maksimienergiaindeksin mukaan magneetit voidaan järjestää seuraavaan järjestykseen: Nd 2 Fe 14 B (enintään 56,7 M Gs Oe ) > Sm 2 Co 17 (22-32) > SmCo 5 (22) > Alnico (enintään 11) > Ferriitit (enintään 6) [230] [K 26] .
Samariumista ja koboltista (SmCo 5 ) koostuvat magneetit kehitettiin vuonna 1967 [227] [231] [K 27] ja niitä pidettiin pitkään vahvimpina [232] , mutta nykyään neodyymimagneetteja käytetään harvemmin (vastusta vaativissa tapauksissa). korroosiota tai kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa [230] ) heikon magneettikentän ja sen komponenttien korkeiden kustannusten vuoksi [233] : rauta ja neodyymi ovat halvempia kuin koboltti ja samarium, ja NdFeB-seos itsessään sisältää suhteellisen pienempi määrä lantanidia [228] . Samarium-kobolttimagneetit ovat löytäneet sovelluksensa ilmailu- ja ilmailuteollisuudessa , ja ne vaativat lämpöstabiilisuutta 400-500 °C:ssa (Sm 2 Co 17 on edullinen ) [227] .
Neodyymin magneettiset ominaisuudet mahdollistavat tehokkaimpien kestomagneettien luomisen [234] . Vuonna 1984 saatiin ensimmäisen kerran neodyymin, raudan ja boorin seos (Nd 2 Fe 14 B) [228] [235] [236] , jota käytetään nykyään laajasti [K 28] erilaisissa teknologioissa, jotka vaativat suurta pakkovoimaa. [233] [237] , eikä parempaa korvaavaa ole vielä löydetty [238] . Neodyymi voidaan korvata praseodyymillä ja jopa 5 paino-% ceriumilla tuotteen loppuenergian lisäämiseksi [239] [240] , ja terbiumin tai dysprosiumin lisääminen seokseen mahdollistaa sen koersitiivin lisäämisen [227] [ 241] [242] [243] . Toisaalta termisen demagnetisoitumisen vuoksi suhteellisen alhainen koersitiivinen [en] ei pysty täyttämään sille asetettuja kasvavia vaatimuksia käytettäessä korkean lämpötilan laitteita, kuten tuuliturbiinia tai joitain hybridisähköajoneuvojen elementtejä [235] [ 244] [245] [246] .
Joitakin esimerkkejä magneettien käytöstä: kovalevyt - 24,5 ja 5,8 paino-% Nd ja Pr, vastaavasti (magneetin paino 4,3 g; malli Seagate ST3500418AS, 2009); Keskimäärin 286 g Nd:tä ja 130 g Dy:tä kutakin Yhdysvalloissa ja Saksassa vuonna 2010 myytyä hybridiautoa kohden (265 000 kappaleesta) [118] ; tuuliturbiinit (noin) - 150 - 200 kg Nd ja 20 - 30 kg Dy / 1 MW tuotettua tehoa [247] .
Gadoliniumilla, sen suoloilla ja lejeeringeillä on merkittävä rooli magneettisessa jäähdytyksessä , jossa ainetta kuumennetaan, kun se asetetaan ulkoiseen magneettikenttään [9] . Ensimmäinen koe, jonka ansiosta tutkituista gadolinium(III)sulfaattioktahydraattinäytteistä (Gd 2 (SO 4 ) 3 8H 2 O) pystyttiin jatkuvasti saavuttamaan lämpötilan lasku 0,25 K:iin ja jonka tulokset ennustettiin etukäteen, toteuttivat vuonna 1933 W. Gyok ja D. McDougall [248] . (Myöhemmin, vuonna 1949, Giokulle myönnettiin Nobel-palkinto aineiden käyttäytymisen tutkimisesta erittäin alhaisissa lämpötiloissa [249] .) Tällä hetkellä tämä metalli on yksi laajimmin tutkituista jäähdytysmagneettisista materiaaleista [250] .
ToimialaGadoliniumin isotoopeilla ( 155 Gd , 157 Gd ) on epätavallisen suuri neutronipoikkileikkaus , minkä ansiosta niitä voidaan käyttää ydinteollisuudessa esimerkiksi reaktorin sauvoissa [9] . Holmium-atomit, joilla on yksi suurimmista magneettimomenteista muiden alkuaineiden joukossa, mahdollistavat voimakkaimpien magneettikenttien luomisen ; Nämä vahvat magneetit, joiden yksi komponenteista on holmium, ovat löytäneet käyttökohteensa ydinvoimalaitosten sauvoissa [251] [252] [253] .
Joitakin lantanideja, kuten ceriumia, voidaan sen eksotermisen reaktion johdosta vedyn kanssa (kuten muidenkin edustajien) käyttää jo huoneenlämpötilassa kaasun absorboijana sähkötyhjiöteollisuudessa ja metallurgiassa [50] .
Metallien käyttö sotilaallisiin tarkoituksiin [254] [255] | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Metalli | Sovellusalue | Tekniikka | Esimerkki | ||||||
Nd, Pr, Sm, Dy, Tb | Ohjaus- ja ohjausjärjestelmät | Vahvat ja kompaktit magneetit | Tomahawk-ohjukset , tarkkuuspommit, JDAM-koneet , UAV :t | ||||||
Useimmat Ln | elektronista sodankäyntiä | Energian varastointi, tiheyden lisääminen | Häirittimet , sähkömagneettinen kiskopistooli , aktiivinen hylkäysjärjestelmä | ||||||
Eu, Tb | kohdistusjärjestelmät | Tehon ja resoluution vahvistus | Laserohjaus, ilmalaserit | ||||||
Nd, Pr, Sm, Dy, Tb | Sähkömoottorit | Vahvat ja kompaktit magneetit | Integroitu käynnistysgeneraattori, Zamvolt (DDG-1000) , HMETD , JSF | ||||||
Nd, La, Eu | Viestintäjärjestelmät | Vahvista ja paranna signaalia | Hydroakustiset anturit, tutka , MICAD |
Kaikkiin lantanidioksideihin paitsi prometiumiin perustuvat keraamiset levyt ovat erittäin hydrofobisia ja kestäviä, minkä ansiosta niitä voidaan käyttää siellä, missä vaaditaan asianmukaisia ominaisuuksia, esimerkiksi: voimalaitosten turbiinien siivillä, jonka läpi höyry kulkee, vesipisaroita (useita mikrometrejä halkaisija) kondensaatio ), mikä vaikuttaa negatiivisesti tehokkuuteen [256] [257] . Tämä ominaisuus selittyy elektronisella rakenteella, joka estää vetysidosten muodostumisen rajapintavesimolekyylien kanssa ja säilyy jopa aggressiivisessa ympäristössä testauksen jälkeen (esimerkiksi kuumentaminen korkeisiin lämpötiloihin tai käsittely hankaavilla materiaaleilla ). Lisäksi näitä oksideja voidaan käyttää ultrahydrofobisten pintojen valmistukseen [258] [259] .
Tehokkuus (sekä alhainen toksisuus verrattuna kromaatteihin [260] [261] ) on havaittavissa lantaanin, ceriumin ja yttriumin käytössä korroosionestoaineina alumiini- ja sinkkiseoksille kloorin vesiliuoksessa [ 262 ] [ 263 ] [ 264] [265] [266] , sekä hidastaa raudan ja teräksen korroosiota kaasumaisessa klooriliuoksessa [262] [267] [268] [269] [270] [271] . Suojakalvon muodostuminen, joka koostuu hydratoituneiden oksidien kompleksista, johtuu metallisuolojen läsnäolosta liuoksessa, minkä vahvistaa XPS [262] [272] . Tutkijoiden kiinnostus lantanidien käyttöön on jatkuvaa: suolojen ominaisuudet ja niiden käyttö useille metalleille on tunnettu ja tutkittu jo lähes 30 vuoden ajan, ja serium ja lantaani ovat herättäneet päähuomiota. Suurin osa työstä on keskittynyt alumiiniseoksiin; konversiopinnoitteiden kehitys muille metalleille on ollut paljon hitaampaa useista syistä [273] .
Ryhmän metallit ovat löytäneet sovelluksensa monikerroksisissa keraamisissa kondensaattoreissa ( englanniksi Multilayer Ceramic Capacitor ) - useimmat lantanideista (joista Dy, Er ja Ho on eristetty) voivat parantaa ominaisuuksiaan [164] : pienentää häviökulmatangenttia [274 ] ja vanhenemisnopeus [275] [276] [277] , saavuttavat vakaan kapasiteetin (±15 %) laajalla lämpötila-alueella (-55 - +150 °C) [278] . Jälkimmäinen seikka täyttää EIA X8R:n vaatimukset ja mahdollistaa tällaisten kondensaattoreiden käytön korkean lämpötilan laitteissa: kaltevissa kaivoissa ( öljyn etsintä ), autoissa, sotilastarpeisiin ja ilmailuteollisuudessa - kaikki edellä mainitut tosiasiat antavat meille mahdollisuuden päätellä, että Lantanidit ovat erittäin kriittisiä (epäpuhtauden, lisäaineen muodossa) laadullisesti hyvien ominaisuuksien omaavien kondensaattoreiden tuotannossa [164] .
Nykyaikaiset elektroniset laitteet sisältävät monia tällaisia kondensaattoreita, joiden toimitukset tehtailta kasvoivat 15 % vuodessa 2000-luvun alussa; Yhdysvalloissa niitä käytettiin noin 3 miljardia vuodessa [164] [K 29] . Esimerkiksi matkapuhelimessa on noin 250 kappaletta, 400 kannettavassa (kannettavassa) ja yli 1000 autoelektroniikassa [279] .
LääketiedeYhdisteissä olevaa gadoliniumia käytetään magneettikuvauksessa yhtenä parhaista varjoaineista, koska se kerääntyy esimerkiksi arpikudoksiin tai kasvaimiin ja "korostaa" tällaisia kudoksia magneettikuvauksessa [284] . Ja vähentääkseen negatiivista vaikutusta kehoon, metalli-ioneja ympäröivät kelatoivat ligandit [9] . Venäjän federaation alueella on kaupallisesti saatavilla varjovalmisteita nimillä Gadovist ja Magnevist [285] , jotka sisältävät metalli-ioneja [281] [286] .
Inerttien ja bioyhteensopivien kultananohiukkasten yhdistelmä stabiilien Ln 3+ -ionien kanssa, joilla on pitkäkestoinen luminesenssi tai tunnusomaiset magneettiset ominaisuudet, mahdollistaa nanokoettimen valmistamisen, joka soveltuu käytettäväksi biolääketieteessä tai biologisten järjestelmien tutkimuksessa [287] .
Holmiumlaserien aallonpituus on 2,08 μm (säteily on silmille turvallista), minkä ansiosta niitä voidaan käyttää lääketieteessä esimerkiksi holmiumilla seostetun yttrium-alumiinigranaatin ( YAG ) tai yttriumlantaanifluoridin (YLF) muodossa. , LaYF 4 ) laserit [288] . 3 μm aallonpituudella toimivat CW-erbium- ja tuliumapulssilaserit soveltuvat laserkirurgiaan : toiminta-aallonpituus osuu yhteen vedessä olevien O - H -atomien värähtelytaajuuden kanssa – saavutetaan voimakas säteen absorptio biologisiin kudoksiin [ 289] .
Dysprosiumin poikkileikkauksen ansiosta sitä voidaan käyttää lämpöneutronien absorboimiseen , ja sen korkea sulamispiste mahdollistaa sen käytön erityisissä ruostumattoman teräksen seoksissa tai ydinvoiman valvonnan laitteissa ja osissa. Metallin yhdistämistä vanadiiniin ja muihin harvinaisten maametallien kanssa voidaan käyttää lasermateriaaleissa. Dysprosium -kadmiumkalkogenidit , jotka ovat infrapunasäteilyn lähteitä , ovat löytäneet sovelluksensa kemiallisten reaktioiden tutkimuksessa [90] .
Lantanideja ja lantaania käytetään terästen , valuraudan ja muiden metalliseosten lisäaineina mekaanisen kestävyyden, korroosionkestävyyden ja lämmönkestävyyden parantamiseksi. Lantanideja ja lantaania käytetään erikoislasien valmistukseen ydinteknologiassa. Lantaaniyhdisteitä sekä lantanideja käytetään lakkojen ja maalien valmistukseen, valokoostumuksiin, nahan valmistukseen, tekstiiliteollisuudessa ja radioelektroniikassa katodien valmistukseen . Lantanidiyhdisteitä käytetään lasereissa .
Erilaiset termodynaamisesti stabiilit metallienväliset yhdisteet , joiden koostumus on Ln x M y (jossa M = Mn , Fe , Co , Ni , Cu ja niiden alla taulukossa olevat alkuaineet) voivat löytää käyttötarkoituksensa nanohiukkasten tai ohuiden kalvojen muodossa. nanoteknologia , esimerkiksi: valokatodeissa , dielektriikassa , ferrosähköisissä materiaaleissa , puolijohteissa , tasasuuntaajissa (radiotekniikka ja elektroniikka), kannettavat tietokoneet , lasit (absorboivat UV -säteilyä ja lähettävät IR-säteilyä ), kestomagneetit (viestintäjärjestelmät ja tietokone), suprajohteet ja komposiittimateriaalit , kiinteät materiaalit - valtion laserit (erityisesti sotilaallisiin tarpeisiin), väritelevision loisteaineet , katalyytit ( ajoneuvojen pakokaasujen talteenotto ) ja vetyakut . Lisäksi lantanidien läsnäolo metallinanohiukkasissa lisää iskulujuutta ja parantaa niiden rakennetta ja plastisuutta [290] .
Kiinassa tehdyn tutkimuksen ansiosta syntetisoitiin ultraohuita nanokiteitä europiumin , gadoliniumin , terbiumin ja lantaanin kemiallisesti stabiileista oksibromideista (OBr −3 ) , joista jälkimmäinen, kun se oli seostettu Eu 3+ -atomeilla (LaOBr:Eu 3 ). + ), voidaan käyttää syöpäsolujen tarkkaan havaitsemiseen . Nämä sairaat (mutta eivät terveet) solut voivat hyväksyä kiteitä, ja yhdisteiden luminoivien ominaisuuksien ja bioyhteensopivuuden vuoksi ne voidaan nähdä tietyillä heijastuneen valon aallonpituuksilla (näkyy, kun jännite on kytketty tai ultraviolettisäteilyn alla) ja sitä seuraava valaistus. esimerkiksi mikroskoopilla . Kaikkien näiden ominaisuuksien ansiosta onkologit voivat tunnistaa pienimmän määrän sairaita soluja biopsianäytteistä [291] [292] .
Lantanidioksibromidien käytöstä on oletettu käyttöä edullisissa luminoivia ominaisuuksia käyttävissä laitteissa vaihtoehtona esimerkiksi LEDeille [291] .
MIT:ssä kehitettiin vuonna 2015 MIT:ssä MIT:ssä vuonna 2015 UV-säteilyn alaisena väriä muuttavia metalligeelejä, jotka sisältävät Eu 3+- ja Tb 3+ -ioneja . -,mekano-ovat herkkiä ulkoisille vuorovaikutuksillemetalligeelit-PEGfunktionalisoidutTerpyridyyliligandeilla , - termo -ilmiön kautta. - ja kemokromismia, voidaan käyttää ohutkalvo-indikaattoripinnoitteina aineen liuos- tai kaasufaasissa, esimerkiksi epäpuhtauksien , toksiinien , patogeenien , lämpötilan muutosten ja mekaanisen paineen määrittämiseen [293] [294] .
Lantanideja ehdotetaan käytettäväksi merkintämateriaalin muodossa ( eng. taggant , merkinnästä tag - tag) merkitsemään lähdemateriaalia, jota käytetään lopputuotteen luomiseen sen jokaisessa tuotantovaiheessa, jotta voidaan valvoa ja jäljittää tavarantoimittajia, myyjät jne. On huomattava, että se on edullinen verrattuna tavanomaisiin väärentämisen torjuntakeinoihin (esim. merkintä tai siruttaminen): riittää, että levitetään vain muutama miljoonasosaa tällaista ainetta matriisikennolle merkin luomiseksi [ 295] .
Kommentit
Lähteet
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|
D. I. Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollinen järjestelmä | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Jaksollinen järjestelmä | |
---|---|
Muodot |
|
Tuoteluettelot tekijän mukaan | |
ryhmät | |
Jaksot | |
Kemiallisten alkuaineiden perheet |
|
Jaksotaulukon lohko | |
muu | |
|