Знаешь как. Строение атома лантана Двухвалентен лишь формально

Лантан — 57

Лантан (La) редкоземельный металл , атомный номер 57, атомная масса 138, 91, температура плавления 920оС и плотность 6, 16 г/см3.
Его долго не могли открыть, за что он получил своё название («лантан», по гречески « скрываюсь»). Длительное время, лантан был труднодоступен для получения в лаборатории и, тем более, в промышленности. В чистом виде, он и его соединения, были получены только в 1903 году, с помощью хроматографии. Сначала были выделены соли лантана, а затем и сам лантан, в чистом виде. Металлический лантан очень похож на металл кальций. Его твёрдость сопоставима с твёрдостью олова, он разлагает воду, реагирует с кислотами, а при нагревании-с хлором и серой. На открытом сухом воздухе он окисляется и, тонкая плёнка окисла, защищает от окисления тело металла.

ПОЛУЧЕНИЕ ЛАНТАНА.

редкоземельный металл — ЛАНТАН

В природе, лантан содержится, в основном, в минералах называемых монацит и бастнезит. Также он присутствует в минералах лопарите и апатите. В этих же минералах содержатся и другие РЗМ, что затрудняет выделение лантана в чистом виде. В промышленности, как товарный продукт, производят лантан с чистотой до 99%, который, затем, доводится до более высокой чистоты.
Монацит-тяжёлый минерал, в природе встречается различных расцветок, из-за своего непостоянного химического состава. В нём присутствуют до 68% окислов различных РЗМ, до 7% циркония, до 10% двуокиси тория, доли процентов урана. Монацит, обычно в виде россыпей, находится на берегах морей, озёр и рек различных континентов. После добычи минералов, необходимо получить концентрат чистотой до 92-96%. Для этого применяется процесс крупного дробления, мелкого дробления и затем обогащения, гравитационным, магнитным и электростатическим методом. При этом получаются и другие концентраты (ильменитовый, рутиловый, циркониевый).
Затем, полученный монацитовый концентрат, обрабатывают серной кислотой (иногда щёлочью). Полученные сульфаты РЗМ выщелачиваются водой, они переходят в раствор, а в осадке остаются кремнезём и часть циркона. На следующей стадии обработки, отделяются радий 228 и торий с церием. После отделения церия в растворе остаётся лантан в виде хлорида LaCl3. Затем, он подвергается электролизу в расплаве, где выделяется с чистотой до 99,5%. Для получения более чистого лантана до 99,8% применяется кальциетермический способ переработки. Существуют и другие способы разделения РЗМ-экстракционный и ионообменный, при применении которых достигается чистота полученного лантана до 99,9%.
Ещё совсем недавно, лантан получали совместно с церием. В этой смеси они находились в соотношении 1:1 и смесь эта обладала пирофорными свойствами, что нашло применение в производстве трассирующих снарядов. Лантан можно получать при производстве суперфосфатов и апатитов, запасы которых в нашей стране-неисчерпаемы.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАНТАНА.

При создании новых материалов, в современном мире, трудно переоценить значение РЗМ и, в том числе, лантана.
Энергетика. Ядерная энергетика потребляет большое количество лантана, как добавку в ядерное топливо. Применяется он и для получения плутония. В ветровой энергетике применяются мощные магниты, созданные с применением лантана, для генераторов ветряных установок.
Нефтяная отрасль. Лантан используется как катализатор в процессе крекинга нефти.
Люминофоры. Лантан используется в производстве люменисцентных ламп, при производстве плоских экранов и мониторов, для приборов на электронно-лучевых трубках. В настоящее время, производство люминофоров становится крупнейшей в мире отраслью потребления РЗМ и лантана в частности, в виде высокоочищенного металла и комплексных соединений, таких как LaCeT, LaP.
Электроника. Производство микрочипов и устройств памяти для компьютеров, производство LED-дисплеев.
Сплавы и керамика. Для легирования и рафинирования сплавов в металлургии используется т.н. миш-металл (сплав церия 45-50%, лантана 22-35%, неодима15-17% и других РЗМ с железом до 5% и кремнием 0,1-0,3%), очень важный компонент для получения чистых металлов, как лигатуры для получения жаропрочных и химостойких сплавов. Смесь лантана с церием, введённая в состав хромоникелевых сталей значительно увеличивает их пластичность, что облегчает прокатку в десятки раз и значительно уменьшает потери металла. Получение высокочистых тугоплавких металлов невозможно, без введения в их сплавы лантана и его смеси с церием. Добавки лантана и его смеси с церием в алюминий и магний значительно повышают их механические и химические свойства. Производство электротехнической и электронной керамики, с применением лантана, становится важной отраслью на рынках развитых индустриальных стран.
Космос и авиация. Производство конструкционных материалов для корпусов спутников и космических кораблей. Эти материалы выдерживают огромные нагрузки, перепады температур и давлений. Для газотурбинных двигателей самолётов применяется микролегирование сплавами РЗМ, в составе которых есть лантан.
Автопром. Производство катализаторов для горючего, создание аккумуляторов нового поколения, производство двигателей для гибридных автомобилей.
Лазеры и оптоэлектроника. Производство оптических линз.
Прочие. Создание приборов диагностики в медицине, создание новых видов удобрений для сельского хозяйства. Создание фильтров для экологически чистых производств.

(Lanthanum; - скрываюсь, остаюсь незамеченным), La - редкоземельный хим. элемент III группы периодической системы элементов; ат. н. 57, ат. м. 138,055. Серебристо-белый металл. В соединениях проявляет степень окисления + 3. Природная смесь состоит из стабильного 139La (99,911%) и радиоактивного 138La(0,089%) изотопов. Изотоп 138La распадается путем К-захвата с периодом полураспада 1 1011 лет. Изотоп 139La образуется при делении урана (6,3% массы всех осколков) и является «реакторным ядом». Получены радиоактивные с массовыми числами 127-137 и 140- 144. Макс. период полураспада (6 104 лет) - у изотопа 137La. Лантан открыл в 1839 швед, химик К. Мозандер, доказавший неоднородность открытой ранее «цериевой земли».

По распространенности лантан занимает среди редкоземельных элементов третье место после церия и неодима. Содержание Л. в земной коре 1,8 х 10-3 %. Л. и остальные элементы цериевой подгруппы получают преим. из минералов монацита и бастнезита. В монаците содержится 17% La203, в бастнезите 24% La203. Кристаллическая решетка Л. при комнатной т-ре гексагональная плотноупако-ванная (типа альфа-лантан) с периодами а = 3,770 ± 0,002А, с =12,159 ± 0,008А и плотностью 6,162 г/см3. Имеет три аллотропические модификации. Т-ры превращений: альфа → бета 310 ± 5°С, бета → гамма 864° С. Бета-лантан имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом а = 5,304 ± 0,003А и плотностью 6,190 г/см3, гамма-лантан - объемноцентриро-ванную кубическую решетку с периодом а = 4,26 ± 0,01 А и плотностью 5,97 г/см3. Т-ра плавления 920 ± 5° С; т-ра кипения 3470° С. Теплота плавления 1,6 ккал/г-атом; теплота испарения 93,8 ± 0,9 ккал/г-атом. Атомная теплоемкость (кал/г-тервале т-р 0-310° С) сp = 6,27 +4- 2,6 10 г. Коэфф. теплопроводности альфа-лантана (в интервале т-р 25-30° С) 0,033 ± 0,003 кал/см x сек град. Коэфф. термического расширения альфа-лантана 4,9 X 10-6 (т-ра 25° С), бета-лантана 9,6 10-6 (среднее значение в интервале т-р 325 - 775° С). Удельное электрическое сопротивление (ом см) альфа-лантана 56,8 10 (т-ра 25° С), бета-лантана 98 10-б (т-ра 560° С), гамма-лантана 126 х10-6 (т-ра 890° С). Температурный коэфф. электр. сопротивления альфа-лантана (т-ра 0° С) 2,18 х10 град. Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние альфа-лантана 4,90 ± 10 К, бета-лантана 5,85 ± 0,11 К. Работа выхода электронов 3,3 эв. Металл парамагнитен. Поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов атомом изотопа 139La составляет 9 барн. При комнатной т-ре модуль норм, упругости 3915, по другим данным 7031- 7734 кгс/мм2; модуль сдвига 1518 кгс/мм2; коэфф. Пуассона 0,288. У литого образца (т-ра 20° С) предел текучести 12,8 кгс/мм2; предел прочности 13,3 кгс/мм2; относительное удлинение 8%. Твердость Л. по Виккер-су (т-ра 20° С): литого 50, отожженного 37, кованого 120-178 кгс/мм2. При комнатной т-ре достаточно чистый Л. поддается ковке и прессованию, но не обладает достаточной вязкостью. Возможно изготовление листов из чистого Л. ковкой при комнатной т-ре. Лантан как и другие редкоземельные , обладает большой хим. активностью.

В сухом воздухе покрывается окисной пленкой голубоватого цвета, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Во влажном воздухе постепенно превращается в гидрат окиси белого цвета. При т-ре 450° С в среде кислорода Л. воспламеняется. С азотом Л. в раскаленном состоянии образует нитрид белого цвета. При т-ре 240° С в среде водорода образует гидрид черного цвета, однако поглощение водорода металлом происходит и при комнатной т-ре. Лантан образует также весьма прочные , реагирует с большинством др. хим. элементов. Легко растворяется В соляной, серной и азотной к-тах. Соли Л. белого цвета. Сплавляется со многими металлами. Плавку ведут в инертной среде или в вакууме. Металлический Л. чистотой до 99,48% получают электролитическим способом. В пром-сти наиболее широко распространен безводного хлорида в расплаве. Металл поставляют в виде слитков трапецоидальной или круглой формы массой 2-5 кг. Лантановый миш-металл применяют для улучшения св-в коррозионностойкой, быстрорежущей и жаропрочной стали. Кроме того, лантан служит компонентом алюминиевых и др. легких сплавов. Окись Л. входит в состав керамических глазурей, оптического стекла, используется в реагентах, утяжеляющих натуральный и искусственный шелк. Изотоп 140La (с периодом полураспада 40,22 ч) - радиоактивный индикатор при изучении процессов разделения Л. и лантаноидов.

Лантан в природе

Встречается в виде устойчивого изотоп 89 La (99,91%) . В литосфере содержится лантана 2 ⋅ 10 ⁻ ⁴ в. Встречаются достаточно богатые этим элементом, однако эти настолько рассеяны, что переработка связана с концентрированием (отделением больших количеств пустой породы) , что связано с большими энергозатратами.

Поскольку лантан имеет отрицательное значение стандартных электронных потенциалов, получают его электролизом расплавленных хлоридов или нитратов, а для понижения температур плавления добавляют соли других металлов.

Помимо электролиза его получают восстанавливая при высоких температурах из их хлоридов или фторидов наиболее активными металлами (калием и кальцием) :

LaCl 3 + 3K = La + 3KCl

Физические и химические свойства

Лантан — серебристо — белый металл, существующий в двух кристаллических видоизменениях с различными типами и параметрами решеток.

В химических реакциях атом иттрия теряет по три электрона и ведёт себя как сильный восстановитель.

При обычных температурах поверхность его окисляется кислородом с образованием защитных плёнок. Но при нагревании в кислороде горит и образуются оксиды La 2 O 3 .

С водой лантан взаимодействует медленно, образующиеся при этом гидроксиды покрывают его защитной плёнкой:

2La + 6H 2 O = 2La(OH) 3 ↓ + 3H 2

2La + 3H 2 SO 4 = La 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2

и растворяется в кислотах.

Соединения лантана

Проявляет степень окисления +3 , их ионы имеют на внешнем уровне по 8 электронов, большой заряд этих ионов Э ³ ⁺ обусловливается склонность скандия к комплексообразованию.

Его оксиды отвечают формуле La 2 O 3 , бесцветны, тугоплавки, получаются разложением нитратов:

4La(NO 3 ) 3 = 2LaO 3 + 12NO 2 + 3O 2

Он обладает основным характером, энергично реагировать с водой, образуя гидроксиды:

La 2 O 3 + 3H 2 O = 2La(OH) 3

Он мало растворим в воде, но легко растворяется в кислотах, гидроксид скандия La(OH) 3 проявляет признаки амфотерности.

Соли лантана из воды кристаллизуются в виде аквасоединений. , нитраты и ацетаты растворимы в воде и гидролизуются в незначительной степени.

Мало растворимые в воде фториды, и оксалаты лантана переходят в раствор под действием избытка осадителя с образованием комплексных соединений.

Положительные ионы лантана имеют координационные числа от 3 до 6 . Важнейшие лиганды в комплексе металла — это фторид — , карбонат — , сульфат — , оксалат- ионы. Ион лантана La ³ ⁺ образует с фторид — ионами комплексные соединения:

(Lanthanum; - скрываюсь, остаюсь незамеченным), La - редкоземельный хим. элемент III группы периодической системы элементов; ат. н. 57, ат. м. 138,055. Серебристо-белый металл. В соединениях проявляет степень окисления + 3. Природная смесь состоит из стабильного 139La (99,911%) и радиоактивного 138La(0,089%) изотопов. Изотоп 138La распадается путем К-захвата с периодом полураспада 1 1011 лет. Изотоп 139La образуется при делении урана (6,3% массы всех осколков) и является «реакторным ядом». Получены радиоактивные с массовыми числами 127-137 и 140- 144. Макс. период полураспада (6 104 лет) - у изотопа 137La. Лантан открыл в 1839 швед, химик К. Мозандер, доказавший неоднородность открытой ранее «цериевой земли».

По распространенности лантан занимает среди редкоземельных элементов третье место после церия и неодима. Содержание Л. в земной коре 1,8 х 10-3 %. Л. и остальные элементы цериевой подгруппы получают преим. из минералов монацита и бастнезита. В монаците содержится 17% La203, в бастнезите 24% La203. Кристаллическая решетка Л. при комнатной т-ре гексагональная плотноупако-ванная (типа альфа-лантан) с периодами а = 3,770 ± 0,002А, с =12,159 ± 0,008А и плотностью 6,162 г/см3. Имеет три аллотропические модификации. Т-ры превращений: альфа → бета 310 ± 5°С, бета → гамма 864° С. Бета-лантан имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом а = 5,304 ± 0,003А и плотностью 6,190 г/см3, гамма-лантан - объемноцентриро-ванную кубическую решетку с периодом а = 4,26 ± 0,01 А и плотностью 5,97 г/см3. Т-ра плавления 920 ± 5° С; т-ра кипения 3470° С. Теплота плавления 1,6 ккал/г-атом; теплота испарения 93,8 ± 0,9 ккал/г-атом. Атомная теплоемкость (кал/г-тервале т-р 0-310° С) сp = 6,27 +4- 2,6 10 г. Коэфф. теплопроводности альфа-лантана (в интервале т-р 25-30° С) 0,033 ± 0,003 кал/см x сек град. Коэфф. термического расширения альфа-лантана 4,9 X 10-6 (т-ра 25° С), бета-лантана 9,6 10-6 (среднее значение в интервале т-р 325 - 775° С). Удельное электрическое сопротивление (ом см) альфа-лантана 56,8 10 (т-ра 25° С), бета-лантана 98 10-б (т-ра 560° С), гамма-лантана 126 х10-6 (т-ра 890° С). Температурный коэфф. электр. сопротивления альфа-лантана (т-ра 0° С) 2,18 х10 град. Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние альфа-лантана 4,90 ± 10 К, бета-лантана 5,85 ± 0,11 К. Работа выхода электронов 3,3 эв. Металл парамагнитен. Поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов атомом изотопа 139La составляет 9 барн. При комнатной т-ре модуль норм, упругости 3915, по другим данным 7031- 7734 кгс/мм2; модуль сдвига 1518 кгс/мм2; коэфф. Пуассона 0,288. У литого образца (т-ра 20° С) предел текучести 12,8 кгс/мм2; предел прочности 13,3 кгс/мм2; относительное удлинение 8%. Твердость Л. по Виккер-су (т-ра 20° С): литого 50, отожженного 37, кованого 120-178 кгс/мм2. При комнатной т-ре достаточно чистый Л. поддается ковке и прессованию, но не обладает достаточной вязкостью. Возможно изготовление листов из чистого Л. ковкой при комнатной т-ре. Лантан как и другие редкоземельные , обладает большой хим. активностью.

В сухом воздухе покрывается окисной пленкой голубоватого цвета, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Во влажном воздухе постепенно превращается в гидрат окиси белого цвета. При т-ре 450° С в среде кислорода Л. воспламеняется. С азотом Л. в раскаленном состоянии образует нитрид белого цвета. При т-ре 240° С в среде водорода образует гидрид черного цвета, однако поглощение водорода металлом происходит и при комнатной т-ре. Лантан образует также весьма прочные , реагирует с большинством др. хим. элементов. Легко растворяется В соляной, серной и азотной к-тах. Соли Л. белого цвета. Сплавляется со многими металлами. Плавку ведут в инертной среде или в вакууме. Металлический Л. чистотой до 99,48% получают электролитическим способом. В пром-сти наиболее широко распространен безводного хлорида в расплаве. Металл поставляют в виде слитков трапецоидальной или круглой формы массой 2-5 кг. Лантановый миш-металл применяют для улучшения св-в коррозионностойкой, быстрорежущей и жаропрочной стали. Кроме того, лантан служит компонентом алюминиевых и др. легких сплавов. Окись Л. входит в состав керамических глазурей, оптического стекла, используется в реагентах, утяжеляющих натуральный и искусственный шелк. Изотоп 140La (с периодом полураспада 40,22 ч) - радиоактивный индикатор при изучении процессов разделения Л. и лантаноидов.

Лантан в природе

Встречается в виде устойчивого изотоп 89 La (99,91%) . В литосфере содержится лантана 2 ⋅ 10 ⁻ ⁴ в. Встречаются достаточно богатые этим элементом, однако эти настолько рассеяны, что переработка связана с концентрированием (отделением больших количеств пустой породы) , что связано с большими энергозатратами.

Поскольку лантан имеет отрицательное значение стандартных электронных потенциалов, получают его электролизом расплавленных хлоридов или нитратов, а для понижения температур плавления добавляют соли других металлов.

Помимо электролиза его получают восстанавливая при высоких температурах из их хлоридов или фторидов наиболее активными металлами (калием и кальцием) :

LaCl 3 + 3K = La + 3KCl

Физические и химические свойства

Лантан — серебристо — белый металл, существующий в двух кристаллических видоизменениях с различными типами и параметрами решеток.

В химических реакциях атом иттрия теряет по три электрона и ведёт себя как сильный восстановитель.

При обычных температурах поверхность его окисляется кислородом с образованием защитных плёнок. Но при нагревании в кислороде горит и образуются оксиды La 2 O 3 .

С водой лантан взаимодействует медленно, образующиеся при этом гидроксиды покрывают его защитной плёнкой:

2La + 6H 2 O = 2La(OH) 3 ↓ + 3H 2

2La + 3H 2 SO 4 = La 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2

и растворяется в кислотах.

Соединения лантана

Проявляет степень окисления +3 , их ионы имеют на внешнем уровне по 8 электронов, большой заряд этих ионов Э ³ ⁺ обусловливается склонность скандия к комплексообразованию.

Его оксиды отвечают формуле La 2 O 3 , бесцветны, тугоплавки, получаются разложением нитратов:

4La(NO 3 ) 3 = 2LaO 3 + 12NO 2 + 3O 2

Он обладает основным характером, энергично реагировать с водой, образуя гидроксиды:

La 2 O 3 + 3H 2 O = 2La(OH) 3

Он мало растворим в воде, но легко растворяется в кислотах, гидроксид скандия La(OH) 3 проявляет признаки амфотерности.

Соли лантана из воды кристаллизуются в виде аквасоединений. , нитраты и ацетаты растворимы в воде и гидролизуются в незначительной степени.

Мало растворимые в воде фториды, и оксалаты лантана переходят в раствор под действием избытка осадителя с образованием комплексных соединений.

Положительные ионы лантана имеют координационные числа от 3 до 6 . Важнейшие лиганды в комплексе металла — это фторид — , карбонат — , сульфат — , оксалат- ионы. Ион лантана La ³ ⁺ образует с фторид — ионами комплексные соединения:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Лантан расположен в шестом периоде III группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к семейству f -элементов. Металл. Обозначение - La. Порядковый номер - 57. Относительная атомная масса - 138,906 а.е.м. Лантан относится к редко земельным металлам. Все они имеют схожее строение, поэтому выделены в отдельную группу элементов, которая носит название лантаноиды.

Электронное строение атома лантана

Атом лантана состоит из положительно заряженного ядра (+57), внутри которого есть 57 протонов и 82 нейтрона, а вокруг, по шести орбитам движутся 57 электронов.

Рис.1. Схематическое строение атома лантана.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

57La) 2) 8) 18) 18) 9) 2 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 0 5s 2 5p 6 5d 1 6s 2 .

Внешний энергетический уровень атома лантана содержит 3 электрона, которые являются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентные электроны атома лантана можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1