Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Рідкоземельні елементи



План:


Введення

Рідкоземельні елементи - група з 17 елементів, що включає лантан, скандій, ітрій і лантаноїди. Всі ці елементи - метали сріблясто-білого кольору, при тому всі мають подібні хімічні властивості (найбільш характерна ступінь окислення +3).


1. Походження назви

Назва "рідкоземельні" (зустрічається скорочення TR, ср лат. terrae rarae - "Рідкісні землі") дано у зв'язку з тим, що вони, по-перше, порівняно рідко зустрічаються в земній корі (зміст (1,6-1,7) 10 -2% по масі) і, по-друге, утворюють тугоплавкі, практично не розчинні у воді оксиди (такі оксиди на початку XIX століття і раніше називалися "землями").

Назва "рідкоземельні елементи" історично склалося в кінці XVIII - початку XIX століття, коли помилково вважали, що мінерали, що містять елементи двох підродин, - церієвої (легкі - La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) і ітрієвої (важкі - Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) - рідко зустрічаються в земній корі. Однак за запасами сировини рідкоземельні елементи не є рідкісними, за сумарною поширеності вони перевершують свинець в 10 разів, молібден - у 50 разів, вольфрам - в 165 разів.


2. Історія

В 1794 фінський хімік Юхан Гадолин, досліджуючи рудні зразки поблизу шведського містечка Іттербю, виявив невідому до того "рідкісну землю", яку назвав за місцем знахідки ітрій. Пізніше, німецький хімік Мартін Клапрот розділив ці зразки на дві "землі", для однієї з яких він залишив ім'я ітрій, а іншу назвав церій (на честь недавно відкритої малої планети Церера і по імені давньоримської богині Церери). Трохи згодом шведський учений К. Мосандер зумів виділити з того ж зразка ще кілька "земель". Всі вони виявилися оксидами нових елементів, які отримали назву рідкоземельні метали. Спільно до 1907 хіміки виявили та ідентифікували всього 14 таких елементів. На основі вивчення рентгенівських властивостей всіх елементів були присвоєні атомні номери від 57 (лантан) до 71 (лютецій), крім 61. По зростанню атомної ваги вони розташувалися наступним чином:

Z Ім'я Етимологія
57 La Лантан від грец. "Потайний"
58 Ce Церій на честь Церери
59 Pr Празеодим від грец. "Зелений близнюк", через зеленої лінії в спектрі
60 Nd Неодим "Новий близнюк"
61 Pm Прометій від імені міфічного героя Прометея, який викрав у Зевса вогонь і передав його людям.
62 Sm Самарій на ім'я мінералу самарскит, в якому був виявлений
63 Eu Європій в честь Європи
64 Gd Гадоліній на честь Йоха Гадоліній
65 Tb Тербий на честь Іттербійского родовища
66 Dy Діспрозій від грец. "Важкодоступний"
67 Ho Гольмій на честь Стокгольма
68 Er Ербій на честь Шведського міста Иттерби
69 Tm Тулій від старої назви Скандинавії
70 Yb Ітербій на честь Шведського міста Иттерби
71 Lu Лютецій від давньоримського назви Парижа

Спочатку осередок під номером 61 була незаповненою, надалі це місце зайняв прометій, виділений з продуктів поділу урану і став 15-м членом цієї родини.


3. Властивості і отримання

Оксиди рідкоземельних елементів. За годинниковою стрілкою від центрального першого: празеодим, церій, лантан, неодим, самарій, гадоліній

Рідкоземельні елементи виявляють між собою велику подібність хімічних і деяких фізичних властивостей, що пояснюється майже однаковим будовою зовнішніх електронних рівнів їх атомів. Рідкоземельні елементи - метали, їх отримують відновленням відповідних оксидів, фторидів, електролізом безводних солей та іншими методами.


3.1. Хімічні властивості

Скандій, ітрій і лантаноїди мають високу реакційну здатність. Хімічна активність цих елементів особливо помітна при підвищених температурах. При нагріванні до 300-400 C метали реагують навіть з воднем, утворюючи RH 3 та RH 2 (символ R висловлює атом рідкісноземельного елемента). Ці з'єднання досить міцні і мають сольовий характер. При нагріванні в кисні метали легко реагують з ним, утворюючи оксиди: R 2 O 3, CeO 2, Pr 6 O 11, Tb 4 O 7 (лише тільки Sc і Y за допомогою утворення захисної оксидної плівки є стійкими на повітрі, навіть при нагріванні до 1000 C). Під час горіння даних металів в атмосфері кисню виділяється велика кількість тепла. При згорянні 1 г лантану виділяється 224,2 ккал тепла. Для церію характерною особливістю є властивість пірофорність - здатність іскритися при розрізанні металу на повітрі.

Лантан, церій та інші метали вже при звичайній температурі реагують з водою і кислотами-неокислителях, виділяючи водень. Через високу активність до атмосферного кисню і воді шматки лантану, церію, ітрію та ін слід зберігати в парафіні.

Хімічна активність рідкоземельних металів неоднакова. Від скандію до лантану хімічна активність зростає, а в ряді лантан - лютецій - знижується. Звідси випливає, що найбільш активним металом є лантан. Це обумовлюється зменшенням радіусів атомів елементів від лантану до лютецію з одного боку, і від лантану до скандію - з іншого.

Ефект "лантаноідной контракції" (стиснення) призводить до того, що наступні після лантаноїдів елементи (гафній, тантал, вольфрам, реній, осмій, іридій, платина) мають зменшені радіуси атомів на 0,2-0,3 звідси і дуже схожі їх властивості з властивостями відповідних елементів п'ятого періоду.

В елементах - скандій, ітрій, лантан - d-оболонка передостаннього електронного шару тільки починає утворюватися, тому радіуси атомів і активність металів в цій групі зростають зверху вниз. Цією властивістю група відрізняється від інших побічних підгруп металів, у яких порядок зміни активності протилежний.

Оскільки радіус атома ітрію (0,89 ) близький до радіусу атома гольмію (0,894 ), то за активністю цей метал повинен займати одне з передостанніх місць. Скандій ж через свою активності повинен розташовуватися після лютецію. У цьому ряду послаблюється дія металів на воду.

Рідкоземельні елементи найчастіше виявляють ступінь окислення +3. Через це найбільш характерними є оксиди R 2 O 3 - тверді, міцні і тугоплавкі з'єднання. Будучи основними оксидами, вони для більшості елементів здатні з'єднуватися з водою і створювати підстави - ​​R (OH) 3. Гідроксиди рідкоземельних металів малорастворіми у воді. Здатність R 2 O 3 з'єднуватися з водою, основна функція, тобто і розчинність R (OH) 3 зменшуються в тій же послідовності, що і активність металів: Lu (OH) 3, а особливо Sc (OH) 3, виявляють деякі властивості амфотерности. Так, крім розчину Sc (OH) 3 в концентрованому NaOH, отримана сіль: Na 3 Sc (OH) 6 2H 2 O.

Оскільки метали даної підгрупи активні, а їх солі сильних кислот розчиняються, вони легко розчиняються в кислотах-неокислителях і кислотах-окислювачах.

Всі рідкоземельні метали енергійно реагують з галогенами, створюючи RHal 3 (Hal - галоген). З сіркою і селеном вони також реагують, але при нагріванні.


4. Знаходження в природі

Як правило, рідкоземельні елементи зустрічаються в природі спільно. Вони утворюють досить міцні оксиди, галоїдні сполуки, сульфіди. Для лантаноидов найбільш характерні з'єднання тривалентних елементів. Виняток становить церій, легко переходить у четирехвалентного стан. Крім церію четирехвалентних сполуки утворюють празеодим і тербий. Двовалентні з'єднання відомі у самарію, європію і ітербію. За фізико-хімічними властивостями лантаноїди дуже близькі між собою. Це пояснюється особливістю будови їх електронних оболонок.

Сумарний вміст рідкісноземельних елементів становить понад 100 г / т. Відомо понад 250 мінералів, що містять рідкоземельні елементи. Однак до власне рідкоземельних мінералів можуть бути віднесені тільки 60 - 65 мінералів, в яких вміст Ме 2 О 3 перевищує 5 - 8%. Найголовніші мінерали рідкісних земель - монацит (Ce, La) PO 4, ксенотім YPO 4, бастнезіт Ce [CO 3] (OH, F), Парізі Ca (Ce, La) 2 [CO 3] 3 F 2, гадолинит Y 2 FeBe 2 Si 2 O 10, ортіт (Ca, Ce) 2 (Al, Fe) 3 Si 3 O 12 (O, OH), лопаріт (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb) O 3, ешініт (Ce, Ca, Th) (Ti, Nb) 2 O 6. Найбільш поширений в земній корі церій, найменш - тулій і лютецій.

Незважаючи на необмежений ізоморфізм, у групі рідкісних земель в певних геологічних умовах можлива роздільна концентрація рідкісних земель ітрієвої та церієвої підгруп. Наприклад, з лужними породами і пов'язаними з ними постмагматіческіх продуктами переважний розвиток одержує церієвої підгрупи, а з постмагматіческіх продуктами гранітоїдів з підвищеною лужністю - ітрієвої. Більшість фторкарбонатов збагачене елементами церієвої підгрупи. Багато тантало-ніобіту містять иттриевую підгрупу, а титанати і титано-тантало-ніобіту - церієву. Деяка диференціація рідкісних земель відзначається і в екзогенних умовах. Ізоморфне заміщення рідкісних земель між собою, незважаючи на різницю в їх порядкових номерах, обумовлено явищами "лантаноідного стиснення": зі збільшенням порядкового номера відбувається добудова внутрішніх, а не зовнішніх електронних орбіт, у результаті чого обсяг іонів не збільшується.

Селективне накопичення рідкісноземельних елементів в мінералах і гірських породах може бути обумовлено відмінностями в їх радіусах іонів. Справа в тому, що радіуси іонів лантаноїдів закономірно зменшуються від лантану до Лютецію. Внаслідок цього можливо переважне ізоморфне заміщення в залежності від ступеня розбіжності у розмірах заміщених іонів рідкісноземельних елементів. Так, в скандієвих, цирконієвих і марганцевих мінералах можуть бути присутні лише рідкісні землі ряду лютецій - діспрозій; в уранових мінералах переважно накопичуються мінерали середній частині ряду (ітрій, діспрозій, гадоліній); в торієвих мінералах повинні концентруватися елементи церієвої групи; до складу стронцієвих і барієвих мінералів можуть входити лише елементи ряду європій - лантан.


5. Виробництво

В 2007 - 2008 рр.. у світі видобувалося по 124 тис. т рідкісноземельних елементів. Причому лідирували наступні країни Китай (120,00 тис. т), Індія (2,70 тис. т), Бразилія (0,65 тис. т). Дані по СНД, США і Австралії на 2008 рік невідомі. На кінець 2008 року дані по запасах наступні: Китай (89 000 тис. т), СНД (21 000 тис. т), США (14 000 тис. т), Австралія (5 800 тис. т), Індія (1 300 тис. т), Бразилія (84 тис. т). [1]

У липні 2011 року дослідницька група з Японії виявила на дні Тихого океану великі поклади рідкоземельних матеріалів. Знахідка підтверджена зразками грунту, витягнутими з дна на глибинах від 3500 до 6000 м в 78 місцях. Поклади розташовуються в міжнародних водах і тягнуться на захід і схід від Гаваїв, а також на схід від Таїті і Французької Полінезії. За оцінками фахівців, знайдені поклади містять від 80 до 100 млрд метричних тонн рідкоземельних матеріалів, що значно більше поточних глобальних запасів на рівні 100 млн тонн [2].


6. Застосування

Рідкоземельні елементи використовують в різних галузях техніки: в радіоелектроніці, приладобудуванні, атомній техніці, машинобудуванні, хімічної промисловості, в металургії та ін Широко застосовують La, Ce, Nd, Pr у скляній промисловості у вигляді оксидів і інших з'єднань. Ці елементи підвищують прозорість скла. Рідкоземельні елементи входять до складу стекол спеціального призначення, що пропускають інфрачервоні промені і поглинаючих ультрафіолетові промені, кислотно-та жаростійких стекол. Велике значення отримали рідкоземельні елементи та їх сполуки в хімічній промисловості, наприклад, у виробництві пігментів, лаків і фарб, у нафтової промисловості як каталізатори. Рідкоземельні елементи застосовують у виробництві деяких вибухових речовин, спеціальних сталей і сплавів, як газопоглиначі. Монокристалічні сполуки рідкоземельних елементів (а також скла) застосовують для створення лазерних та інших оптично активних і нелінійних елементів в оптоелектроніці.


Примітки

Періодична таблиця
Формати Коротка За блокам Розширена Збільшена Електронні конфігурації Електронегативність Альтернативна За ізотопів елементів
Списки елементів по Назвою Етимології (на честь місць, на честь відкривачів) Часу відкриття
Ступені окислення Поширеності ( в людині) Стабільності ізотопів Твердості
Групи 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Періоди 1 2 3 4 5 6 7 8
Сімейства
хімічних елементів
Метали Перехідні метали Неметали Лантаноїди Актиноїди Рідкоземельні елементи Суперактіноіди
Періоди Легкі метали Напівметали Пост-метали Метали платинової групи
Блок періодичної таблиці s-елементи p-елементи d-елементи f-елементи g-елементи
Інше Лантаноідное стиск Актіноідное стиск Передбачені елементи Тугоплавкі метали Благородні метали Монетні метали
Wikipedia book Періодична таблиця (англ.) Category Категорія: Періодична система Portal Портал: Хімія Template {{ Періодична система елементів }}

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
g-елементи
d-елементи
p-елементи
s-елементи
Елементи.ру
f-елементи
Трансуранові елементи
Логічні елементи
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru