Лантан

Лантан — хемиски елемент со симбол La и атомски број 57. Тоа е мек, јазлест, сребрено-бел метал кој брзо се оцрнува кога е изложен на воздух и е доволно мек за да се сече со нож. Тоа е епоним на лантаноидната серија, група од 15 слични елементи меѓу лантан и лутециум во периодниот систем , од кои лантан е првиот и прототипот. Исто така, понекогаш се смета за прв елемент од транзициските метали од 6-тиот период, кој би го ставил во група 3 , иако лутециум понекогаш е сместен во оваа положба. Традиционално се смета за реткоземен елемент. Вообичаената состојба на оксидација е +3. Лантанот нема биолошка улога кај луѓето, но е од суштинско значење за некои бактерии. Тоа не е особено токсично за луѓето, но покажува антимикробна активност.
Овој елемент обично се јавува заедно со цериумот и други елементи реткоземни елементи. Лантанот прв го пронашол шведскиот хемичар Карл Густав Мосандер во 1839 година како нечистотија во цериум нитратот - оттука и името ''лантан'' , од старогрчки ''λανθάνειν'' ( ''лантанеин'' ), што значи "да се скрие". Иако е класифициран како реткоземен елемент, лантанот е 28-тиот најбитен елемент во Земјината кора, речиси трипати поброен од оловото . Во минералите како што се монацитот и бастнатат , лантан содржи околу една четвртина од содржината на лантаноид. Тоа е извлечено од тие минерали со процес на таква сложеност што чистиот метален лантан не бил изолиран до 1923 година.
Лантанските соединенија имаат бројни примени како катализатори , адитиви во стакло, ламби со јаглеродни ламби за студиски светла и проектори, елементи за палење во запалки и факли, електронски катоди , сцинтилатори, GTAW електроди и други работи. Лантан карбонат се користи како фосфатно врзиво во случаи на бубрежна инсуфициенција . Тоа е исто така елемент во шестиот период и во третата група.
1 Особености
Лантанот е првиот елемент и прототип на лантаноидната серија. Во периодниот систем, се појавува од десната страна од бариумот од алкалноземениот метал и лево од лантаноид цериум. Лантан често се смета за елемент од групата 3 , заедно со неговите полесни конгени скандиум и иттриум и неговиот потешки кондензиер, радиоактивен актиниум иако оваа класификација понекогаш е спорна. Слично на скандиум, иттриум и актиниум, 57 електрони на атом на лантан се распоредени во конфигурацијата [Xe] 5d <sup>1</sup> 6s <sup>2</sup> , со три валентни електрони надвор од јадрото на благородните гасови. Во хемиски реакции, лантан речиси секогаш се откажува од овие три валентни електрони од 5d и 6s ел. обвивка да ја формира оксидациската состојба +3, постигнувајќи стабилна конфигурација на претходниот ксенон од благороден гас. Некои соединенија на лантан (II) се исто така познати, но тие се многу помалку стабилни.
Меѓу лантаноидите, лантан е исклучителен бидејќи нема 4f електрони; Всушност, ненадејната контракција и намалувањето на енергијата на 4f орбиталата, која е важна за хемијата на лантаноидите, започнува да се случува само кај цериум. Така, тоа е само многу слабо парамагнетно , за разлика од силно парамагнетните подоцнежни лантаноиди (со исклучок на последните две, итербиум и лутециум , каде што 4f-школка е целосно полна). Понатаму, бидејќи точките на топење на тривалентните лантаноиди се поврзани со степенот на хибридизација на електроните 6s, 5d и 4f, лантан има втора најниска (по цериум) точка на топење меѓу сите лантаноиди: 920 °C. лантаноидите стануваат потешки, бидејќи серијата е пресечена: како што се очекува, лантан е мек метал. Лантанот има релативно висока отпорност на 615 nΩm на собна температура; за споредба, вредноста на добар алуминиум е само 26.50 nΩm. Лантанот е најмалку испарлив од лантаноидите. Како и повеќето од лантаноидите, лантан има шестаголна кристална структура на собна температура. На 310 °C, лантан се менува во кубична структура центрирана , а на 865 °C, се менува во телесна кубика структура.
Како што се очекуваше од периодичните закони , лантан го има најголемиот атомски полупречник на лантаноидите и стабилните групи 3 елементи. Оттука, тој е најреактивен меѓу нив, полека оцрпувајќи се на воздух и согорувајќи лесно за да формира лантан (III) оксид , La <sub>2</sub> O <sub>3</sub> , кој е речиси основен како калциум оксид . Примерок од лантан со големина од сантиметар ќе се кородира за една година, бидејќи нејзиниот оксид ќе се распадне како железна ’рѓа , наместо да формира заштитна оксидна обвивка како алуминиум и полесни конгенгери на лантан, скандиум и иттриум. Лантанот реагира со халогените на собна температура за да ги формираат трихалидите, а при затоплување ќе формираат бинарни соединенија со неметали, азот, јаглерод, сулфур, фосфор, бор, селен, силициум и арсен. Лантан реагира полека со вода за да формира лантан (III) хидроксид , La (OH) <sub>3</sub> . Во разредената сулфурна киселина , лантанот лесно го формира акритираниот трипозитивен јон : ова е безбоен во воден раствор, бидејќи La <sup>3+</sup> нема f-електрони. Лантанот е најсилната и најтешката основа меѓу елементите лантаноиди и групата 3, што повторно се очекува од нејзиното најголемо од нив.
Природниот лантан е составен од два изотопи, стабилната <sup>139</sup> Ла и првобитниот долгоживо радиоизотоп <sup>138</sup> La. <sup>139</sup> La е далеку најзастапен, сочинувајќи 99,910% природен лантан: се произведува во s-процесот ( бавен неутрон фаќање, кој се јавува кај ѕвезди со ниска до средна маса) и r-процесот (забрзување на неутроните, што се јавува во супернова од колапс). Многу реткиот изотоп <sup>138</sup> La е една од ретките првобитни чудни непарни јадра , со долг полуживот од 1,05 × 10 <sup>11</sup> години: таа е една од p-јадрата со богати со протони кои не можат да се произведат во s- или r-процесите. <sup>138</sup> Ла, заедно со уште поретки 180m Ta , се произведува во ν-процесот, каде што неутрино се поврзува со стабилни јадра. Сите други изотопи на лантан се синтетички : со исклучок на <sup>137</sup> La со полуживот од околу 60.000 години, сите од нив имаат полуживот помалку од еден ден, а повеќето имаат полуживот помалку од една минута. Изотопите <sup>139</sup> La и <sup>140</sup> La се појавуваат како цепни производи од ураниум.
Лантан оксид е бел цврст материјал кој може да се подготви со директна реакција на нејзините составни елементи. Поради големината на La <sup>3+</sup> јони, La <sub>2</sub> O <sub>3</sub> прифаќа шестаголна 7-координатна структура која се менува во 6-координатата структура на скандиум оксид (Sc <sub>2</sub> O <sub>3</sub> ) и итриум оксид (Y <sub>2</sub> O <sub>3</sub> ) кај висока температура. Кога реагира со вода, се формира лантан хидроксид: многу топлина еволуира во реакцијата и се слуша шишен звук. Лантан хидроксидот ќе реагира со атмосферскиот јаглерод диоксид за да се формира основниот карбонат.
Лантан флуорид е нерастворлив во вода и може да се користи како квалитативен тест за присуство на La <sup>3+</sup> . На потешки халиди сите се многу растворлив deliquescent соединенија. Анхидричните халиди се произведуваат со директна реакција на нивните елементи, бидејќи загревањето на хидратите предизвикува хидролиза: на пример, загревањето хидриран LaCl <sub>3</sub> произведува LaOCl.
Лантан реагира егзотермички со водород за да се произведе дихидрит LAH <sub>2,</sub> црна, пирофорни , кршливи, спроведување на соединение со калциум флуорид структура. Ова е нестехиометриско соединение, а понатамошна апсорпција на водород е можна, со истовремена загуба на електричната спроводливост, сè додека не се достигне повеќе LaH <sub>3</sub> како сол. Како LaI <sub>2</sub> и LaI, LaH <sub>2</sub> е веројатно електроди соединение.
Поради големиот јонски полупречник и одличната електропозитивност на La <sup>3+</sup> , нема многу ковалентен придонес кон неговото сврзување и оттаму има ограничен хемиски комплекс, како што е итриум и други лантаноиди. Лантан оксалат не се раствора многу во растворите на оксалат на алкално-метален метал и [La (acac) <sub>3</sub> (H<sub>2</sub>O) <sub>2</sub> ] се разградува околу 500 °C. Кислород е најчестиот донорски атом во комплексите на лантан, кои се главно јонизирани и често имаат високи координатни броеви над 6: 8 е најкарактеристичните, формирајќи квадратни антипризматични и додекаделлахерални структури. Овие висококоординираните видови, достигнувајќи до број 12 координација со употребата на хелатни лиганди, како на пример во Ла <sub>2</sub> (SO <sub>4)</sub><sub>3</sub> · 9H<sub>2</sub>O, често имаат низок степен на симетрија, бидејќи на стерео-хемиски фактори.
Хемијата на лантан има тенденција да не вклучува π-поврзување поради електронската конфигурација на елементот: затоа неговата органометална хемија е доста ограничена. На најдобро карактеризира органолантански соединенија се циклопентадинилски комплекс La (C <sub>5</sub> H <sub>5)</sub><sub>3,</sub> кој е произведен од страна на реакција на безводен LaCl <sub>3</sub> со НАК <sub>5</sub> H <sub>5</sub> во тетрахидрофуран , а неговата метил-супституирани деривати.
Во 1751 година, шведскиот минералог Аксел Фредерик Кронстедт открил тежок минерал од рудникот во Бастнас , подоцна именуван како керит . Триесет години подоцна, петнаесетгодишниот Вилхелм Хизин , од семејството што го поседува рудникот, испрати примерок од тоа до Карл Вилхелм Шеле, кој во себе не најде никакви нови елементи. Во 1803 година, откако Хсингер станал железостроител, тој се вратил во минералот со Јенс Јакоб Берцелиус и изолирал нов оксид што го нарекле ''церија'' по џуџестата планета Церера , која била откриена две години порано. Цериа истовремено беше независно изолирана во Германија од страна на Мартин Хајнрих Клапрот . Помеѓу 1839 и 1843 година, се покажало дека церијата е мешавина од оксиди од шведскиот хирург и хемичар Карл Густаф Мосандер , кој живеел во истата куќа како Берцелиус: тој ''издвоил'' два други оксиди кои ги нарекол ''лантана'' и ''дидимија'' . Тој делумно распаднал примерок од цериум нитрат со печење во воздух и потоа третирање на добиениот оксид со разредена азотна киселина . Бидејќи својствата на лантан се разликувале само малку од оние на цериумот и се случиле заедно со него во неговите соли, тој го именувал од старогрчкиот ''λανθάνειν'' [лантанин] (запален ''да лежи скриен'' ). Релативно чист метален лантан првпат бил изолиран во 1923 година.
2 Застапеност и производство
Лантанот е третиот најзастапен од сите лантаноиди, сочинуваат 39 mg / kg од Земјината кора, зад неодиумот на 41.5 mg / kg и цериум на 66.5 mg / kg. Тоа е речиси трипати поголемо од оловото во Земјината кора. И покрај тоа што е меѓу таканаречените „реткоземни метали“, лантанот воопшто не е редок, но историски е именуван затоа што е поредок од "обичните земји", како што се вар и магнезиум, и историски се познати само неколку лежишта. Лантанот се смета за редок земјен метал, бидејќи процесот за рударство е тежок, одземаат многу време и се скапи. Лантанот ретко е доминантен лантаноид кој се наоѓа во минералите на реткоземските елементи, а во нивните хемиски формули обично му претходи цериум. Ретки примери на Л-доминантни минерали се монацит- (Ла) и лантанит (Ла).
Јон La <sup>3+</sup> е сличен на раните лантаноиди на цериум групата (оние до самариум и европиум ) кои веднаш следат во периодниот систем, а со тоа и се појавува заедно со нив во фосфатни , силикатни и карбонатни минерали, како што се монацит (M <sup>III</sup> PO <sub>4</sub> ) и бастнасит (M <sup>III</sup> CO <sub>3</sub> F), каде што М се однесува на сите ретки земни метали, освен скандиум и радиоактивен промет (главно Ce, La и Y). Бастнатат обично недостасува во ториум и тешки лантаноиди, а прочистувањето на светлините лантаноиди од него е помалку вклучено. Рудата, откако е смачкана и измешана, прво се третира со топло концентрирана сулфурна киселина, еволуирачки јаглерод диоксид, флуороводород и силициум тетрафлуорид : производот потоа се суши и истури со вода, оставајќи ги раните лантаноидни јони, вклучително и лантан, во раствор .
Постапката за монацит, која обично ги содржи сите ретки Земји, како и ториум, е повеќе вклучена. Монацитот, поради неговите магнетни својства, може да се одвои со повторена електромагнетна сепарација. По одвојувањето се третира со топла концентрирана сулфурна киселина за да се произведат сулфати растворливи во вода во реткоземни елементи. Киселиот филтрат делумно се неутрализира со натриум хидроксид до pH 3-4. Ториум се испушта од растворот како хидроксид и се отстранува. После тоа, растворот се третира со амониум оксалат за да се претворат реткоземните елементи во нивните нерастворливи оксалати . Оксалатите се преобразуваат во оксиди од страна на annealing. Оксидите се раствораат во азотна киселина која исклучува една од главните компоненти, цериум , чиј оксид е нерастворлив во HNO <sub>3</sub> . Лантан е одвоен како двојна сол со амониум нитрат со кристализација. Оваа сол е релативно помалку растворлива од другите двојни реткоземни соли и затоа останува во остатокот. Треба да се води грижа при ракување со некои од остатоците бидејќи тие содржат 228 Ra , ќерка од <sup>232</sup> Th, која е силен гама емитер. Лантанот е релативно лесно да се извлече, бидејќи има само еден соседен лантаноид, цериум, кој може да се отстрани со употреба на неговата способност да се оксидира до 4-тата состојба; потоа, лантан може да се одвои со историскиот метод на фракционална кристализација на La (NO <sub>3</sub> ) <sub>3</sub> · 2NH <sub>4</sub> NO <sub>3</sub> · 4H<sub>2</sub>O, или со техники на јонска размена кога е потребна поголема чистота.
Металот на лантан се добива од неговиот оксид со загревање со амониум хлорид или флуорид и со флуороводородна киселина на 300-400 °C за производство на хлорид или флуорид:: La <sub>2</sub> O <sub>3</sub> + 6 NH <sub>4</sub> Cl → 2 LaCl <sub>3</sub> + 6 NH <sub>3</sub> + 3 H<sub>2</sub>O
Ова е проследено со редукција со алкални или земноалкални метали во атмосферата на вакуум или аргон:: LaCl <sub>3</sub> + 3 Li → La + 3 LiCl
Исто така, чистиот лантан може да се произведува со електролиза на стопена мешавина од безводен LaCl <sub>3</sub> и NaCl или KCl на покачени температури.
3 Апликации
Првиот историски примена на лантан беше во гас фенер наметки. Карл Ауер фон Велсбах користел мешавина од 60% магнезиум оксид , 20% лантан оксид и 20% иттриум оксид , кој го нарече ''Актинофор'' и патентиран во 1885 година. Оригиналните наметки даваат зелено-затемнети светлина и не беа многу успешни, а неговата прва компанија, која основаше фабрика во Атцгерсдорф во 1887 година, не успеа во 1889 година.  
Современите употреби на лантан вклучуваат:
* Еден материјал кој се користи за анодни материјали од никел-метал хидридски батерии е . Поради високата цена за екстракција на другите лантаноиди, наместо чист лантан се користи мишметал со повеќе од 50% лантан. Соединението е интерметална компонента на тип.: Бидејќи повеќето хибридни автомобили користат никел-метал хидридски батерии, потребни се големи количини на лантан за производство на хибридни автомобили. Типична хибридна автомобилска батерија за Тојота приус бара 10-15кг на лантан. Со оглед на тоа што инженерите ја поттикнаа технологијата за зголемување на ефикасноста на горивото, може да се бара двапати поголема количина на лантан по возило.* Легуните на водород сунгер може да содржат лантан. Овие легури се способни за складирање до 400 пати повеќе од сопствениот волумен на водороден гас во реверзибилен процес на адсорпција. Топлината енергија се ослободува секој пат кога тоа го прават; затоа овие легури имаат можности во системите за зачувување на енергија.* Мишметал , пирофорен легура што се користи во полесни кремени, содржи 25% до 45% лантан.* Лантан оксид и бороди се користат во електронски вакуумски цевки како материјали за топла катода со силна емисија на електрони. Кристали на се користат во електронски микроскопи со висока осветленост, со продолжен век на траење на издувни гасови со електрони и со помош на Hall-ефекти .* Лантан трифлуорид ( ) е суштинска компонента на стакло со тешки флуориди наречено ZBLAN . Ова стакло има супериорна трансмисија во инфрацрвениот опсег и затоа се користи за фибер-оптички комуникациски системи.* Керамички лантан бромид и лантан хлорид се неодамнешните неоргански сцинтилатори , кои имаат комбинација на висок лесен принос, најдобра енергетска резолуција и брз одговор. Нивниот висок принос се претвора во чувствувате енергетски резолуција; Освен тоа, излезот на светлината е многу стабилен и доста висок во многу широк спектар на температури, што го прави особено привлечен за апликации со висока температура. Овие сцинтилатори се веќе широко се користи комерцијално во детектори на неутрони или гама-зраци .* Ламби со јаглеродни ламби употребуваат мешавина на реткоземни елементи за да го подобрат квалитетот на светлината. Оваа апликација, особено од филмската индустрија за студиско осветлување и проекција, потрошила околу 25% од ретките Земјини соединенија произведени до фаза од ламби од јаглеродни ламби.* Лантан (III) оксид го подобрува алкално отпорот на стаклото и се употребува за изработка на специјални оптички очила, како што е стаклото што апсорбира инфрацрвени зраци, како и леќите за камера и телескоп , поради високиот показател на прекршување и ниската дисперзија на ретките очила. Лантан оксид исто така се користи како адитив за растење на жито за време на синтерување на течен фаза на силициум нитрид и циркониум диборид .* Мали количини на лантан кои се додаваат во челик ја подобруваат неговата податливост , отпорност на удар и еластичност , додека додавањето на лантан во молибден ја намалува нејзината цврстина и чувствителност кон варијации на температурата.* Мали количини на лантан се присутни во многу базни производи за да се отстранат фосфатите кои ги хранат алгите.* Додатокот на лантан оксид на волфрам се користи во електроди за заварување со волфрамски гас , како замена за радиоактивен ториум.* Различни соединенија на лантан и други ретки земјата елементи (оксиди, хлориди, итн) се компоненти на различни катализа, како што се нафта пукнатини катализатори .* Лантан-бариум radiometric датира се користи за проценка возраст од карпи и руда, иако оваа техника има ограничена популарност.* Лантан карбонат беше одобрен како лек (Форенол, Шире Фармација ) за апсорпција на вишокот фосфати во случаи на ренална инсуфициенција на крајот на фазата .* Лантан флуорид се користи во фосфорни ламинатни премази. Се меша со европиум флуорид, исто така се применува во кристалната мембрана на флуоридните јонски селективни електроди .* Како и рена хормонот на рен , лантан се користи како електрон-густ трасер во молекуларната биологија .* Бентонитот изменет со лантан се користи за отстранување на фосфатите од водата во третманите на езерото.
4 Биолошка улога
Лантанот нема позната биолошка улога кај луѓето. Елементот е многу лошо апсорбира по орална администрација и кога е инјектиран, неговата елиминација е многу бавна. Лантан карбонат (фосренол) беше одобрен како фосфатно средство за апсорпција на вишокот фосфати во случаи на бубрежна болест на крајот на фазата .
Додека лантан има фармаколошки ефекти врз неколку рецептори и јонски канали, неговата специфичност за GABA рецепторот е единствена кај тривалентните катјони. Лантанот дејствува на исто модулаторно место на GABA рецепторот како цинк , познат негативен алостеричен модулатор. Лантан катјон La <sup>3+</sup> е позитивен алостеричен модулатор во природните и рекомбинантните GABA рецептори, со што се зголемува времето на отворен канал и се намалува десензибилизацијата на начин зависен од конфигурацијата на подединицата.
Лантан е суштински кофактор за метанол дехидрогеназа на methanotrophic бактерија ''Methylacidiphilum fumariolicum'' SolV, иако големи хемиски сличноста на Lanthanides значи дека може да биде заменет со цериум, празеодиум или неодиумски без несакани ефекти, како и со помали Samarium, europium, или гадолиниум кој не дава никакви несакани ефекти освен побавен раст.
5 Предупредување
Лантанот има ниско до умерено ниво на токсичност и треба да се ракува со внимание. Инјектирањето на раствори од лантан произведува хипергликемија , низок крвен притисок, дегенерација на слезината и хепатални промени. Примената во светлината на јаглеродни лакови доведе до изложеност на луѓе на оксиди и флуориди од реткоземни елементи, кои понекогаш доведоа до пневмокониоза . Бидејќи јон La <sup>3+</sup> е сличен по големина на ион Ca <sup>2+</sup> , понекогаш се користи како лек замена за последниот во медицинските студии. Лантанот, како и другите лантаноиди, е познато дека влијае на човечкиот метаболизам, го намалува нивото на холестерол, крвниот притисок, апетитот и ризикот од коагулација на крвта. Кога се инјектира во мозокот, таа дејствува како лек против болки, слично на морфиумот и другите опијати, иако механизмот зад ова е сè уште непознат.
6 Библиографија
* Гринвуд, Норман Н . ; Ерншоу, Алан (1984). Хемија на елементите . Оксфорд: Пергам прес . ISBN   0-08-022057-6 .
*''Индустриската хемија на лантаноните, иттриумот, ториумот и ураниумот'' , од Р.Џ. Калов, Пергам прес, 1967
*''Екстрактивна металургија на ретки Земји'' , од ЦК Гупта и Н. Кришнамурти, CRC Press, 2005
*''Nouveau Traite de Chimi Minerale, Vol.''''VII.''''Скандиум, иттриум, Елементи де Террес Рарес, Актиниум'' , П. Паскал, уредник, Масон и Ци, 1959 година
*''Хемија на лантаноните'' , од РК Викери, Butterworths 1953