Лантаноидный ( / ˈ l æ n θ ə n aɪ d / ) или лантаноидный ( / ˈ l æ n θ ə n ɔɪ d / ) ряд химических элементов [a] включает как минимум 14 металлических химических элементов с атомными номерами 57– 70, от лантана до иттербия . В периодической таблице они заполняют 4f-орбитали. [2] [3] [4] Лютеций (элемент 71) также иногда считается лантанидом, несмотря на то, что он является элементом d-блока и переходным металлом.
Неофициальный химический символ Ln используется в общих обсуждениях химии лантаноидов для обозначения любого лантаноида. [5] Все лантаноиды, кроме одного, являются элементами f-блока , что соответствует заполнению 4f- электронной оболочки . Лютеций является элементом d-блока (таким образом, также переходным металлом ), [6] [7] , и на этом основании его включение было поставлено под сомнение; однако, как и его родственники скандий и иттрий в группе 3, он ведет себя аналогично остальным 14. Термин « редкоземельный элемент» или «редкоземельный металл» часто используется для обозначения стабильных элементов 3 группы Sc, Y и Lu в дополнение к 4f элементы. [8] Все элементы лантаноидов образуют трехвалентные катионы Ln 3+ , химический состав которых во многом определяется ионным радиусом , который неуклонно уменьшается от лантана (La) к лютецию (Lu).
Эти элементы называются лантанидами, потому что элементы этого ряда химически подобны лантану . Поскольку «лантанид» означает «подобный лантану», утверждалось, что лантан логически не может быть лантаноидом, но Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) признает его включение на основании общего использования. [1]
В представлениях таблицы Менделеева элементы f-блока обычно отображаются в виде двух дополнительных строк под основной частью таблицы. [2] Это соглашение полностью зависит от эстетики и практичности форматирования; в редко используемой широкоформатной таблице Менделеева серии 4f и 5f вставляются на свои места как части шестой и седьмой строк (периодов) таблицы соответственно.
«Красная книга» ИЮПАК 1985 года (стр. 45) рекомендует использовать лантаноиды вместо лантаноидов , поскольку окончание -ide обычно указывает на отрицательный ион . Однако из-за широкого распространения в настоящее время использование лантаноидов по-прежнему разрешено.
Первозданный От распада Синтетический Граница показывает естественное появление элемента
Термин «лантаниды» был введен Виктором Гольдшмидтом в 1925 году. [9] [10] Несмотря на их обилие, технический термин «лантаниды» интерпретируется как отражающий ощущение неуловимости со стороны этих элементов, поскольку он происходит от греческого слова «лантаниды». λανθανειν ( лантанеин ), «лежать скрытым». [11]
Вместо того, чтобы относиться к их природному изобилию, это слово отражает их свойство «прятаться» друг за другом в минералах. Этот термин происходит от лантана , впервые открытого в 1838 году, в то время так называемого нового редкоземельного элемента , «скрытого» или «ускользающего от внимания» в минерале церия , [12] и ирония заключается в том, что лантан был позже идентифицирован. как первый во всем ряду химически подобных элементов и дал название всему ряду.
Вместе со стабильными элементами 3-й группы — скандием , иттрием и лютецием — для описания всех лантаноидов иногда используется тривиальное название « редкоземельные элементы ». «Земля» в названии «редкие земли» происходит от минералов, из которых они были изолированы, которые были необычными минералами оксидного типа. Однако эти элементы не являются ни редкими по распространенности, ни «землями» (устаревший термин для обозначения нерастворимых в воде сильноосновных оксидов электроположительных металлов, которые невозможно переплавить в металл по технологии конца XVIII века). Группа 2 известна как щелочноземельные элементы по той же причине.
Слово «редкий» в названии «редкоземельных элементов» больше связано с трудностью разделения каждого из отдельных элементов лантаноидов, чем с нехваткой любого из них. От греческого слова «dysprositos», означающего «труднодоступный», элемент 66, диспрозий получил аналогичное название; Сам лантан назван в честь слова, означающего «скрытый». Элементы от 57 (La) до 71 (Lu) химически очень похожи друг на друга и часто встречаются в природе вместе, часто от трех до всех 15 лантаноидов (вместе с иттрием в качестве 16-го элемента) встречаются в таких минералах, как самарскит , монацит и многие другие, которые также могут содержать два других элемента 3-й группы, а также торий, а иногда и другие актиниды. [13] Большинство редких земель было обнаружено на одном и том же руднике в Иттерби , Швеция , и четыре из них названы (иттрий, иттербий, эрбий, тербий) в честь деревни, а пятый (гольмий) - в честь Стокгольма; скандий назван в честь Скандинавии , тулий в честь старого названия Туле , а следующий за ним элемент 4-й группы (номер 72) гафний назван в честь латинского названия города Копенгаген . [13]
Самарскит (минерал, который является источником названия элемента самарий ) и другие подобные минералы, в частности, также содержат эти элементы в сочетании с близлежащими металлами танталом , ниобием , гафнием , цирконием , ванадием и титаном из группы 4 и группы 5 часто в одинаковых степенях окисления. Монацит представляет собой фосфат многочисленных металлов группы 3 + лантаноидов + актинидов, который добывается специально из-за содержания тория и определенных редкоземельных элементов, особенно лантана, иттрия и церия. Церий и лантан, а также другие представители редкоземельного ряда часто производятся в виде металла, называемого мишметаллом , содержащего переменную смесь этих элементов с преобладанием церия и лантана; он находит прямое применение, например, в зажигалках кремней и других источниках искр, которые не требуют тщательной очистки одного из этих металлов. [13]
Существуют также редкоземельные минералы на основе элементов 2 группы, такие как иттрокальцит, иттроцерит , иттрофлюорит, которые различаются по содержанию иттрия, церия и лантана в одних, а также в различных количествах других. [14] Другие лантаниды/редкоземельные минералы включают бастнезит , флоренцит , черновит, перовскит , ксенотим , церит , гадолинит , лантанит , фергюсонит , поликраз , бломстрандин , халениусит , мизерит , лопарит , леперсоннит , эвксенит , все из которых имеют ряд относительных свойств. концентрация элемента и может иметь символ преобладающего элемента, такого как монацит-ce; Элементы группы 3 не встречаются в виде самородных минералов, таких как золото, серебро, тантал и многие другие на Земле, но могут встречаться в лунном реголите . Также известно, что существуют очень редкие церий, лантан и, предположительно, другие галогениды лантаноидов / группы 3, полевые шпаты и гранаты . [15]
Все это является результатом порядка заполнения электронных оболочек этих элементов: самая внешняя оболочка имеет одинаковую конфигурацию для всех из них, а более глубокая оболочка постепенно заполняется электронами по мере увеличения атомного номера от 57 до 71. [13] В течение многих лет смеси более чем одного редкоземельного элемента считались отдельными элементами, например, неодим и празеодим считались одним элементом дидим и так далее. [16] Очень небольшие различия в растворимости используются в методах растворительной и ионообменной очистки этих элементов, которые требуют большого количества повторений для получения очищенного металла. Рафинированные металлы и их соединения имеют тонкие и резкие различия между собой в электронных, электрических, оптических и магнитных свойствах, что объясняет их многочисленные нишевые применения. [13]
В качестве примера термина, означающего приведенные выше соображения, а не их нехватку, церий является 26-м по распространенности элементом в земной коре и более распространенным, чем медь, [13] неодим более распространен, чем золото; Тулий (второй наименее распространенный лантанид в природе) более распространен, чем йод , [17] который сам по себе достаточно распространен, чтобы биология разработала его критическое применение, и даже единственный радиоактивный элемент в этой серии, прометий , встречается чаще, чем Два редчайших встречающихся в природе элемента, франций и астат , вместе взятые.
* Между начальным Xe и финальным 6s 2 электронных оболочки
** Sm имеет плотноупакованную структуру, как и большинство лантаноидов, но имеет необычный 9-слойный повтор.
Гшнайдер и Даане (1988) объясняют тенденцию повышения температуры плавления в ряду ( лантан (920 °C) – лютеций (1622 °C)) степенью гибридизации орбиталей 6s, 5d и 4f. Считается, что наибольшая гибридизация наблюдается у церия, у которого самая низкая температура плавления - 795 ° C. [18] Металлы-лантаниды мягкие; их твердость увеличивается по ряду. [1] Европий выделяется тем, что имеет самую низкую плотность в ряду - 5,24 г/см 3 и самый большой металлический радиус в ряду - 208,4 пм. Его можно сравнить с барием, металлический радиус которого составляет 222 пм. Считается, что металл содержит более крупный ион Eu 2+ и что в зоне проводимости всего два электрона. Иттербий также имеет большой металлический радиус, и предлагается аналогичное объяснение. [1] Удельное сопротивление металлов -лантанидов относительно велико и составляет от 29 до 134 мкОм·см. Эти значения можно сравнить с хорошим проводником, например алюминием, сопротивление которого составляет 2,655 мкОм·см. За исключением La, Yb и Lu (у которых нет неспаренных f-электронов), лантаноиды сильно парамагнитны, и это отражается на их магнитной восприимчивости. Гадолиний становится ферромагнитным при температуре ниже 16 ° C ( точка Кюри ). Другие более тяжелые лантаноиды — тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий и иттербий — становятся ферромагнитными при гораздо более низких температурах. [19]
* Не включая исходное ядро [Xe]
Переходы f → f запрещены по симметрии (или запрещены по Лапорту), что также верно и для переходных металлов . Однако переходные металлы могут использовать вибронную связь , чтобы нарушить это правило. Валентные орбитали в лантаноидах почти полностью несвязывающие, и поэтому эффективная вибронная связь малоэффективна, поэтому спектры переходов f → f намного слабее и уже, чем спектры переходов d → d. В целом это делает цвета комплексов лантаноидов намного более блеклыми, чем цвета комплексов переходных металлов.
Если рассматривать лантаноиды слева направо в периодической таблице, семь атомных орбиталей 4f становятся все более заполненными (см. Выше и Периодическую таблицу § Таблица электронной конфигурации ). Электронная конфигурация большинства нейтральных атомов лантаноидов в газовой фазе: [Xe]6s 2 4f n , где n на 56 меньше атомного номера Z . Исключением являются La, Ce, Gd и Lu, у которых 4f n −1 5d 1 (хотя даже в этом случае 4f n является низколежащим возбужденным состоянием для La, Ce и Gd). За исключением лютеция, 4f-орбитали химически активны во всех лантаноидах и вызывают глубокие различия между химией лантаноидов и химией переходных металлов . Орбитали 4f проникают в ядро [Xe] и изолированы, поэтому они не принимают особого участия в связывании. Это объясняет, почему эффекты кристаллического поля малы и почему они не образуют π-связей. [20] Поскольку существует семь 4f-орбиталей, количество неспаренных электронов может достигать 7, что приводит к большим магнитным моментам , наблюдаемым для соединений лантаноидов.
Измерение магнитного момента можно использовать для исследования электронной конфигурации 4f, и это полезный инструмент для понимания химической связи. [24] Сокращение лантаноидов , т.е. уменьшение размера иона Ln 3+ от La 3+ (103 пм) до Lu 3+ (86,1 пм), часто объясняется плохим экранированием 5s- и 5p-электронов 4f электроны. [20]
В химии лантаноидов преобладает степень окисления +3, а в соединениях Ln III теряются 6s-электроны и (обычно) один 4f-электрон, и ионы имеют конфигурацию [Xe]4f ( n -1) . [25] Все элементы лантаноидов имеют степень окисления +3. Кроме того, Ce 3+ может потерять свой единственный f-электрон с образованием Ce 4+ со стабильной электронной конфигурацией ксенона. Кроме того, Eu 3+ может получить электрон с образованием Eu 2+ с конфигурацией f 7 , которая обладает дополнительной стабильностью полузаполненной оболочки. За исключением Ce(IV) и Eu(II), ни один из лантаноидов не стабилен в степенях окисления, отличных от +3 в водном растворе.
По потенциалам восстановления пары Ln 0/3+ практически одинаковы для всех лантаноидов и варьируются от -1,99 (для Eu) до -2,35 В (для Pr). Таким образом, эти металлы обладают высокой восстанавливающей способностью, аналогичной восстановительной способности щелочноземельных металлов, таких как Mg (-2,36 В). [1]
Энергии ионизации лантаноидов можно сравнить с алюминием. У алюминия сумма первых трех энергий ионизации составляет 5139 кДж·моль -1 , тогда как у лантаноидов находится в диапазоне 3455–4186 кДж·моль -1 . Это коррелирует с высокореактивной природой лантаноидов.
Сумму первых двух энергий ионизации европия, 1632 кДж·моль -1, можно сравнить с суммой энергии ионизации бария 1468,1 кДж·моль -1 , а третья энергия ионизации европия является самой высокой среди лантаноидов. Сумма первых двух энергий ионизации иттербия является второй по величине в ряду, а его третья энергия ионизации является второй по величине. Высокая третья энергия ионизации Eu и Yb коррелирует с половинным заполнением 4f 7 и полным заполнением 4f 14 подоболочки 4f, а также стабильностью, обеспечиваемой такими конфигурациями за счет обменной энергии. [20] Европий и иттербий образуют солеподобные соединения с Eu 2+ и Yb 2+ , например, солеподобные дигидриды. [26] И европий, и иттербий растворяются в жидком аммиаке, образуя растворы Ln 2+ (NH 3 ) x , снова демонстрируя их сходство со щелочноземельными металлами. [1]
Относительная легкость удаления 4-го электрона у церия и (в меньшей степени празеодима) указывает на то, почему могут образовываться соединения Ce(IV) и Pr( IV ) , например , при церий реагирует с кислородом.
Сходство ионных радиусов соседних элементов-лантанидов затрудняет их отделение друг от друга в природных рудах и других смесях. Исторически использовались весьма трудоемкие процессы каскадной и фракционной кристаллизации . Поскольку ионы лантаноидов имеют немного разные радиусы, энергия решетки их солей и энергии гидратации ионов будут немного отличаться, что приводит к небольшой разнице в растворимости . Могут быть использованы соли формулы Ln(NO 3 ) 3 ·2NH 4 NO 3 ·4H 2 O. В промышленности элементы отделяют друг от друга экстракцией растворителем . Обычно водный раствор нитратов экстрагируют керосином, содержащим три- н -бутилфосфат . Прочность образующихся комплексов увеличивается с уменьшением ионного радиуса, поэтому растворимость в органической фазе увеличивается. Полное разделение может быть достигнуто непрерывно за счет использования методов противоточного обмена . Элементы также можно разделить с помощью ионообменной хроматографии , воспользовавшись тем фактом, что константа устойчивости образования комплексов ЭДТА увеличивается от log K ≈ 15,5 для [La(EDTA)] - до log K ≈ 19,8 для [Lu(EDTA) )] - . [1] [27]
В форме координационных комплексов лантаноиды существуют в основном в степени окисления +3 , хотя особенно стабильные конфигурации 4f могут также давать ионы +4 (Ce, Tb) или +2 (Eu, Yb). Все эти формы сильно электроположительны, и поэтому ионы лантаноидов представляют собой жесткие кислоты Льюиса . [28] Степени окисления также очень стабильны; лантаноиды , за исключением SmI 2 [29] и солей церия(IV) , [30] в окислительно-восстановительной химии не используются . 4f-электроны имеют высокую вероятность оказаться вблизи ядра и, таким образом, сильно страдают от увеличения заряда ядра по всей серии ; это приводит к соответствующему уменьшению ионных радиусов , называемому сокращением лантаноидов .
Низкая вероятность существования 4f-электронов во внешней области атома или иона допускает незначительное эффективное перекрытие между орбиталями иона лантаноида и любого связывающего лиганда . Таким образом, комплексы лантаноидов обычно имеют небольшой ковалентный характер или вообще не имеют его, и на них не влияет орбитальная геометрия. Отсутствие орбитального взаимодействия также означает, что изменение металла обычно мало влияет на комплекс (кроме размера), особенно по сравнению с переходными металлами . Комплексы удерживаются вместе более слабыми электростатическими силами, которые являются всенаправленными, и, таким образом, только лиганды определяют симметрию и координацию комплексов. Таким образом, доминируют стерические факторы , при этом координационное насыщение металла уравновешивается межлигандным отталкиванием. Это приводит к разнообразию координационной геометрии , многие из которых являются нерегулярными [31] , а также проявляется в сильно флюкционной природе комплексов. Поскольку нет энергетической причины замыкаться в единой геометрии, произойдет быстрый внутримолекулярный и межмолекулярный обмен лигандами. Обычно это приводит к образованию комплексов, которые быстро колеблются между всеми возможными конфигурациями.
Многие из этих особенностей делают комплексы лантаноидов эффективными катализаторами . Жесткие кислоты Льюиса способны поляризовать связи при координации и, таким образом, изменять электрофильность соединений, классическим примером является восстановление Люша . Большой размер ионов в сочетании с их лабильными ионными связями позволяет даже громоздким координирующим частицам быстро связываться и диссоциировать, что приводит к очень высокой скорости оборота; таким образом, превосходные выходы часто могут быть достигнуты при загрузке всего в несколько мольных %. [32] Отсутствие орбитальных взаимодействий в сочетании с сокращением лантаноидов означает, что лантаноиды изменяются в размерах в пределах ряда, но их химический состав остается практически тем же. Это позволяет легко настраивать стерическое окружение, и существуют примеры, когда это использовалось для улучшения каталитической активности комплекса [33] [34] [35] и изменения ядерности металлических кластеров. [36] [37]
Несмотря на это, использование координационных комплексов лантаноидов в качестве гомогенных катализаторов в основном ограничено лабораторными возможностями, и в настоящее время имеется мало примеров их использования в промышленном масштабе. [38] Лантаниды существуют во многих формах, помимо координационных комплексов, и многие из них промышленно полезны. В частности, оксиды металлов -лантанидов используются в качестве гетерогенных катализаторов в различных промышленных процессах.
Трехвалентные лантаноиды в основном образуют ионные соли. Трехвалентные ионы являются жесткими акцепторами и образуют более устойчивые комплексы с лигандами-донорами кислорода, чем с лигандами-донорами азота. Ионы большего размера имеют 9-координатную структуру в водном растворе, [Ln(H 2 O) 9 ] 3+ , а ионы меньшего размера имеют 8-координатную структуру, [Ln(H 2 O) 8 ] 3+ . Есть некоторые свидетельства того, что у более поздних лантаноидов во второй координационной сфере больше молекул воды. [39] Комплексообразование с монодентатными лигандами обычно протекает слабо, поскольку молекулы воды трудно вытеснить из первой координационной сферы. Более сильные комплексы образуются с хелатирующими лигандами из-за хелатного эффекта , такие как тетраанион, полученный из 1,4,7,10-тетраазациклододекан-1,4,7,10-тетрауксусной кислоты ( ДОТА ).
Наиболее распространенными двухвалентными производными лантаноидов являются Eu(II), который достигает благоприятной конфигурации f 7 . Для всех лантаноидов известны двухвалентные галогенидные производные. Это либо обычные соли, либо « электридные » соли Ln(III). Простые соли включают YbI 2 , EuI 2 и SmI 2 . Электридоподобные соли, описанные как Ln 3+ , 2I - , e - , включают LaI 2 , CeI 2 и GdI 2 . Многие из иодидов образуют растворимые комплексы с простыми эфирами, например TmI 2 (диметоксиэтан) 3 . [40] Йодид самария(II) является полезным восстановителем. Комплексы Ln(II) могут быть синтезированы реакциями трансметаллирования . Нормальный диапазон степеней окисления можно расширить за счет использования пространственно объемистых циклопентадиенильных лигандов , таким образом многие лантаноиды можно выделить в виде соединений Ln (II). [41]
Се(IV) в нитрате церия-аммония является полезным окислителем. Ce(IV) является исключением из-за склонности к образованию незаполненной f-оболочки. В остальном четырехвалентные лантаноиды встречаются редко. Однако недавно было показано существование комплексов Tb(IV) [42] [43] [44] и Pr(IV) [45] .
Металлы-лантаниды экзотермически реагируют с водородом с образованием дигидридов LnH 2 . [26] За исключением Eu и Yb, которые напоминают гидриды Ba и Ca (непроводящие, прозрачные солеподобные соединения), они образуют черные пирофорные проводящие соединения [50] , где металлическая подрешетка представляет собой гранецентрированную кубическую структуру. атомы H занимают тетраэдрические позиции. [26] Дальнейшее гидрирование дает тригидрид, который является нестехиометрическим , непроводящим и более похожим на соль. Образование тригидрида связано с увеличением объема на 8–10%, что связано с большей локализацией заряда на атомах водорода, которые приобретают более анионный (Н - гидрид-анион) характер. [26]
Единственные известные тетрагалогениды — это тетрафториды церия , празеодима , тербия , неодима и диспрозия, причем два последних известны только в условиях матричной изоляции. [1] [56] Все лантаноиды образуют тригалогениды с фтором, хлором, бромом и йодом. Все они тугоплавкие и преимущественно ионного характера. [1] Фториды лишь слабо растворимы в воде и не чувствительны к воздуху, и это контрастирует с другими галогенидами, которые чувствительны к воздуху, легко растворимы в воде и реагируют при высокой температуре с образованием оксогалогенидов. [57]
Тригалогениды имели важное значение, поскольку из них можно получить чистый металл. [1] В газовой фазе тригалогениды плоские или почти плоские, более легкие лантаноиды имеют меньший процент димеров, более тяжелые лантаноиды - более высокую долю. Димеры имеют структуру, аналогичную Al 2 Cl 6 . [58]
Некоторые из дигалогенидов являются проводящими, а остальные являются изоляторами. Проводящие формы можно рассматривать как электридные соединения Ln III , в которых электрон делокализован в зону проводимости Ln 3+ (X - ) 2 (e - ). Все дииодиды имеют относительно короткое расстояние между металлами. [51] Структура CuTi 2 дииодидов лантана, церия и празеодима наряду с HP-NdI 2 содержит 4 4 сетки атомов металла и йода с короткими связями металл-металл (393-386 La-Pr). [51] эти соединения следует рассматривать как двумерные металлы (двумерные так же, как графит). К солеподобным дигалогенидам относятся дигалогениды Eu, Dy, Tm и Yb. Образование относительно стабильной степени окисления +2 для Eu и Yb обычно объясняют стабильностью (обменной энергией) наполовину заполненного (f 7 ) и полностью заполненного f 14 . GdI 2 имеет слоистую структуру MoS 2 , ферромагнитен и обладает колоссальным магнитосопротивлением [51]
Полуторные галоиды Ln 2 X 3 и соединения Ln 7 I 12 , перечисленные в таблице, содержат металлические кластеры , дискретные кластеры Ln 6 I 12 в Ln 7 I 12 и конденсированные кластеры, образующие цепочки в полуторагалогенидах. Скандий образует аналогичное кластерное соединение с хлором, Sc 7 Cl 12 [1]. В отличие от многих кластеров переходных металлов эти кластеры лантаноидов не имеют сильных взаимодействий металл-металл, и это происходит из-за низкого количества участвующих валентных электронов, а вместо этого стабилизируются окружающие атомы галогена. [51]
LaI и TmI — единственные известные моногалогениды. LaI, полученный в результате реакции LaI 3 и металла La, имеет структуру типа NiAs и может быть сформулирован как La 3+ (I - )(e - ) 2 . [54] TmI является настоящим соединением Tm(I), однако его не выделяют в чистом виде. [55]
Все лантаноиды образуют полуторные оксиды Ln 2 O 3 . Более легкие/большие лантаноиды имеют гексагональную 7-координатную структуру, а более тяжелые/меньшие – кубическую 6-координатную структуру «CM 2 O 3 ». [52] Все полуторные оксиды являются основными и поглощают воду и углекислый газ из воздуха с образованием карбонатов, гидроксидов и гидроксикарбонатов. [59] Они растворяются в кислотах с образованием солей. [20]
Церий образует стехиометрический диоксид CeO 2 , где церий имеет степень окисления +4. CeO 2 является основным и с трудом растворяется в кислоте с образованием растворов Ce 4+ , из которых можно выделить соли Ce IV , например гидрат нитрата Ce(NO 3 ) 4 ·5H 2 O. CeO 2 используется в качестве катализатора окисления. в каталитических нейтрализаторах. [20] Празеодим и тербий образуют нестехиометрические оксиды, содержащие Ln IV , [20] хотя более экстремальные условия реакции могут привести к образованию стехиометрических (или близких к стехиометрическим) PrO 2 и TbO 2 . [1]
Европий и иттербий образуют солеподобные монооксиды EuO и YbO, имеющие структуру каменной соли. [20] EuO является ферромагнитным при низких температурах, [1] и является полупроводником, имеющим возможное применение в спинтронике . [60] Смешанный оксид Eu II /Eu III Eu 3 O 4 может быть получен восстановлением Eu 2 O 3 в токе водорода. [59] Неодим и самарий также образуют монооксиды, но это блестящие проводящие твердые вещества, [1] хотя существование монооксида самария считается сомнительным. [59]
Все лантаноиды образуют гидроксиды Ln(OH) 3 . За исключением гидроксида лютеция, имеющего кубическую структуру, они имеют гексагональную структуру UCl 3 . [59] Гидроксиды можно осаждать из растворов Ln III . [20] Они также могут образовываться в результате реакции полуторного окиси Ln 2 O 3 с водой, но хотя эта реакция термодинамически выгодна, она кинетически медленна для более тяжелых членов ряда. [59] Правила Фаянса показывают, что более мелкие ионы Ln 3+ будут более поляризуемыми, а их соли, соответственно, менее ионными. Гидроксиды более тяжелых лантаноидов становятся менее основными, например Yb(OH) 3 и Lu(OH) 3 все еще являются основными гидроксидами, но растворяются в горячем концентрированном NaOH . [1]
Все лантаноиды образуют Ln 2 Q 3 (Q= S, Se, Te). [20] Сесквисульфиды могут быть получены реакцией элементов или (за исключением Eu 2 S 3 ) сульфидированием оксида (Ln 2 O 3 ) с H 2 S. [20] Полуторные сульфиды Ln 2 S 3 обычно теряют сера при нагревании может образовывать составы от Ln 2 S 3 до Ln 3 S 4 . Сесквисульфиды являются изоляторами, но некоторые из Ln 3 S 4 являются металлическими проводниками (например, Ce 3 S 4 ) в формуле (Ln 3+ ) 3 (S 2- ) 4 (e - ), тогда как другие (например, Eu 3 S 4 и Sm 3 S 4 ) являются полупроводниками. [20] Структурно сесквисульфиды принимают структуры, которые варьируются в зависимости от размера металла Ln. Более легкие и крупные лантаноиды отдают предпочтение 7-координационным атомам металла, самые тяжелые и наименьшие лантаноиды (Yb и Lu) отдают предпочтение 6-координационной, а остальные структуры имеют смесь 6- и 7-координационной. [20]
Полиморфизм распространен среди сесквисульфидов. [61] Цвета сесквисульфидов различаются от металла к металлу и зависят от полиморфной формы. Цвета γ-сесквисульфидов: La 2 S 3 , белый/желтый; Ce 2 S 3 — темно-красный; Pr 2 S 3 , зеленый; Nd 2 S 3 , светло-зеленый; Gd 2 S 3 , песок; Tb 2 S 3 светло-желтый и Dy 2 S 3 оранжевый. [62] Оттенок γ-Ce 2 S 3 можно варьировать легированием Na или Ca с оттенками от темно-красного до желтого, [51] [62] и пигменты на основе Ce 2 S 3 используются коммерчески и рассматриваются как малотоксичные заменители пигментов на основе кадмия. [62]
Все лантаноиды образуют монохалькогениды LnQ (Q = S, Se, Te). [20] Большинство монохалькогенидов являются проводящими, что указывает на формулировку Ln III Q 2- (e-), где электрон находится в зоне проводимости. Исключением являются SmQ, EuQ и YbQ, которые являются полупроводниками или изоляторами, но демонстрируют индуцированный давлением переход в проводящее состояние. [61] Соединения LnQ 2 известны, но они не содержат Ln IV , а представляют собой соединения Ln III , содержащие полихалькогенид-анионы. [63]
Оксисульфиды Ln 2 O 2 S хорошо известны, все они имеют одинаковую структуру с 7-координатными атомами Ln, а также 3 атомами серы и 4 атомами кислорода в качестве ближайших соседей. [64] Легирование их другими элементами лантаноидов приводит к образованию люминофоров. Например, оксисульфид гадолиния Gd 2 O 2 S, легированный Tb 3+ , производит видимые фотоны при облучении рентгеновскими лучами высокой энергии и используется в качестве сцинтиллятора в плоских детекторах. [65] Когда мишметалл , сплав металлов-лантанидов, добавляется в расплавленную сталь для удаления кислорода и серы, образуются стабильные оксисульфиды, которые образуют несмешивающееся твердое вещество. [20]
Все лантаноиды образуют мононитрид LnN со структурой каменной соли. Мононитриды вызвали интерес из-за своих необычных физических свойств. Сообщается, что SmN и EuN являются « полуметаллами ». [51] NdN, GdN, TbN и DyN ферромагнитны, SmN антиферромагнитны. [66] Исследуются возможности применения в области спинтроники . [60] CeN необычен, поскольку является металлическим проводником, контрастирующим как с другими нитридами, так и с другими пниктидами церия. Простое описание: Ce 4+ N 3- (e–), но межатомные расстояния лучше соответствуют трехвалентному состоянию, чем четырехвалентному состоянию. Было предложено множество различных объяснений. [67] Нитриды могут быть получены реакцией металлов лантана с азотом. Некоторое количество нитридов образуется вместе с оксидом при воспламенении металлов лантана на воздухе. [20] Альтернативными методами синтеза являются высокотемпературная реакция металлов-лантанидов с аммиаком или разложение амидов лантаноидов, Ln(NH 2 ) 3 . Получение чистых стехиометрических соединений и кристаллов с низкой плотностью дефектов оказалось затруднительным. [60] Нитриды лантаноидов чувствительны к воздуху и гидролизуются с образованием аммиака. [50]
Другие пниктиды фосфора, мышьяка, сурьмы и висмута также реагируют с металлами-лантанидами с образованием монопниктидов LnQ, где Q = P, As, Sb или Bi. Кроме того, можно получить ряд других соединений с различной стехиометрией, таких как LnP 2 , LnP 5 , LnP 7 , Ln 3 As, Ln 5 As 3 и LnAs 2 . [68]
Для лантаноидов известны карбиды различной стехиометрии. Нестехиометрия является обычным явлением. Все лантаноиды образуют LnC 2 и Ln 2 C 3 , которые оба содержат звенья C 2 . Дикарбиды, за исключением EuC 2 , являются металлическими проводниками со структурой карбида кальция и могут быть сформулированы как Ln 3+ C 2 2- (e–). Длина связи CC больше, чем у CaC 2 , содержащего анион C 2 2- , что указывает на участие разрыхляющих орбиталей аниона C 2 2- в зоне проводимости. Эти дикарбиды гидролизуются с образованием водорода и смеси углеводородов. [69] EuC 2 и в меньшей степени YbC 2 гидролизуются по-разному, образуя более высокий процент ацетилена (этина). [70] Сесквикарбиды Ln 2 C 3 могут быть сформулированы как Ln 4 (C 2 ) 3 .
Эти соединения принимают структуру Pu 2 C 3 [51] , которая была описана как наличие анионов C 2 2- в бисфеноидных дырках, образованных восемью соседями Ln. [71] Удлинение связи CC в сесквикарбидах менее выражено, чем в дикарбидах, за исключением Ce 2 C 3 . [69] Для некоторых лантаноидов известны другие богатые углеродом стехиометрии. Ln 3 C 4 (Ho-Lu), содержащий звенья C, C 2 и C 3 ; [72] Ln 4 C 7 (Ho-Lu) содержат атомы C и звенья C 3 [73] и Ln 4 C 5 (Gd-Ho) содержат звенья C и C 2 . [74] Карбиды с высоким содержанием металлов содержат межузельные атомы C и не содержат звеньев C 2 или C 3 . Это Ln 4 C 3 (Tb и Lu); Ln 2 C (Dy, Ho, Tm) [75] [76] и Ln 3 C [51] (Sm-Lu).
Все лантаноиды образуют ряд боридов. «Высшие» бориды (LnB x , где x > 12) являются изоляторами/полупроводниками, тогда как низшие бориды обычно являются проводящими. Низшие бориды имеют стехиометрию LnB 2 , LnB 4 , LnB 6 и LnB 12 . [77] Исследуются возможности применения в области спинтроники . [60] Диапазон боридов, образованных лантаноидами, можно сравнить с боридами, образованными переходными металлами. Бориды, богатые бором, типичны для лантаноидов (и групп 1–3), тогда как переходные металлы имеют тенденцию образовывать богатые металлами «низшие» бориды. [78] Бориды лантаноидов обычно группируются вместе с металлами группы 3, с которыми они имеют много общего в реакционной способности, стехиометрии и структуре. В совокупности они называются боридами редкоземельных элементов. [77]
Использовалось множество методов получения боридов лантаноидов, в том числе прямая реакция элементов; восстановление Ln 2 O 3 бором; восстановление оксида бора, B 2 O 3 и Ln 2 O 3 вместе с углеродом; восстановление оксида металла карбидом бора , B 4 C. [77] [78] [79] [80] Получение образцов высокой чистоты оказалось затруднительным. [80] Монокристаллы высших боридов были выращены в легкоплавких металлах (например, Sn, Cu, Al). [77]
Сообщалось о диборидах LnB 2 для Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb и Lu. Все они имеют одинаковую структуру AlB 2 , содержащую графитовый слой атомов бора. Низкотемпературные ферромагнитные переходы для Tb, Dy, Ho и Er. TmB 2 ферромагнитен при 7,2 К. [51]
Тетрабориды LnB 4 были обнаружены для всех лантаноидов, кроме EuB 4 , все они имеют одинаковую структуру UB 4 . В структуре имеется борная подрешетка, состоящая из цепочек октаэдрических кластеров B 6 , связанных атомами бора. Элементарная ячейка последовательно уменьшается в размерах от LaB 4 до LuB 4 . Тетрабориды более легких лантаноидов плавятся с разложением до LnB 6 . [80] Попытки создать EuB 4 не увенчались успехом. [79] LnB 4 являются хорошими проводниками [77] и обычно антиферромагнитны. [51]
Гексабориды, LnB 6 , обнаружены для всех лантаноидов. Все они имеют структуру CaB6 , содержащую кластеры B6 . Они нестехиометричны из-за катионных дефектов. Гексабориды более легких лантаноидов (La – Sm) плавятся без разложения, EuB 6 разлагается на бор и металл, а более тяжелые лантаноиды разлагаются до LnB 4 , за исключением YbB 6 , который разлагается с образованием YbB 12 . Стабильность частично коррелирует с различиями в летучести металлов-лантанидов. [80] В EuB 6 и YbB 6 металлы имеют степень окисления +2, тогда как в остальных гексаборидах лантаноидов она равна +3. Это объясняет различия в проводимости, дополнительные электроны в гексаборидах Ln III попадают в зоны проводимости. EuB 6 — полупроводник, остальные — хорошие проводники. [51] [80] LaB 6 и CeB 6 представляют собой термоэмиттеры, используемые, например, в сканирующих электронных микроскопах . [81]
Додекабориды LnB 12 образуются из более тяжелых и мелких лантаноидов, а не из более легких и крупных металлов La – Eu. За исключением YbB 12 (где Yb имеет промежуточную валентность и является кондо-изолятором ), все додекабориды представляют собой металлические соединения. Все они имеют структуру UB 12 , содержащую трехмерный каркас из кубооктаэдрических кластеров B 12 . [77]
Высший борид LnB 66 известен для всех металлов-лантанидов. Состав приблизительный, поскольку соединения нестехиометричны. [77] Все они имеют схожую сложную структуру с более чем 1600 атомами в элементарной ячейке. Кубическая подрешетка бора содержит суперикосаэдры, состоящие из центрального икосаэдра B 12 , окруженного 12 другими, B 12 (B 12 ) 12 . [77] Известны другие сложные высшие бориды LnB 50 (Tb, Dy, Ho Er Tm Lu) и LnB 25 (Gd, Tb, Dy, Ho, Er), содержащие икосаэдры бора в боровом каркасе. [77]
σ-связи лантаноидов с углеродом хорошо известны; однако, поскольку 4f-электроны имеют низкую вероятность существования во внешней области атома, эффективное перекрытие орбиталей незначительно , что приводит к образованию связей со значительным ионным характером. Как таковые лантанидорганические соединения проявляют карбанионоподобное поведение, в отличие от поведения металлоорганических соединений переходных металлов . Из-за своего большого размера лантаноиды имеют тенденцию образовывать более стабильные металлоорганические производные с объемистыми лигандами, образуя такие соединения, как Ln[CH(SiMe 3 ) 3 ). [82] Аналоги ураноцена являются производными дилитиоциклооктатетраена Li 2 C 8 H 8 . Известны также органические соединения лантаноидов(II), такие как Cp* 2 Eu. [40]
Все трехвалентные ионы лантаноидов, кроме лантана и лютеция, имеют неспаренные f-электроны. (Тем не менее, перенос заряда от лиганда к металлу может привести к ненулевой f-заполненности даже в соединениях La(III).) [83] Однако магнитные моменты значительно отклоняются от значений только для спина из-за сильной спин-орбитальной связи . Максимальное число неспаренных электронов — 7, у Gd 3+ с магнитным моментом 7,94 БМ , но наибольшие магнитные моменты, при 10,4–10,7 БМ, обладают Dy 3+ и Но 3+ . Однако в Gd 3+ все электроны имеют параллельный спин, и это свойство важно для использования комплексов гадолиния в качестве контрастного реагента при МРТ- сканировании.
Расщепление кристаллического поля довольно мало для ионов лантаноидов и менее важно, чем спин-орбитальное взаимодействие, с точки зрения энергетических уровней. [1] Переходы электронов между f-орбиталями запрещены правилом Лапорта . Более того, из-за «скрытой» природы f-орбиталей связь с молекулярными колебаниями слаба. Следовательно, спектры ионов лантаноидов достаточно слабы, а полосы поглощения столь же узки. Стекло, содержащее оксид гольмия , и растворы оксида гольмия (обычно в хлорной кислоте ) имеют острые пики оптического поглощения в спектральном диапазоне 200–900 нм и могут использоваться в качестве калибровочного стандарта длины волны для оптических спектрофотометров [84] и доступны коммерчески. [85]
Поскольку ff-переходы запрещены по Лапорту, после возбуждения электрона распад в основное состояние будет медленным. Это делает их пригодными для использования в лазерах , поскольку позволяет легко добиться инверсии населенности . Лазер Nd:YAG широко используется. Ванадат иттрия, легированный европием, был первым красным люминофором , который позволил разработать цветные телевизионные экраны. [86] Ионы лантаноидов обладают заметными люминесцентными свойствами благодаря своим уникальным 4f-орбиталям. Запрещенные по Лапорту ff-переходы могут быть активированы возбуждением связанного «антенного» лиганда. Это приводит к резким полосам излучения в видимом, ближнем и ИК-диапазоне, а также к относительно длительному времени жизни люминесценции. [87]
Сокращение лантаноидов ответственно за огромный геохимический разрыв, который разделяет лантаноиды на легкие и тяжелые минералы, обогащенные лантанидами, причем последние почти неизбежно связаны с иттрием и доминируют над ним. Это разделение отражено в первых двух обнаруженных «редкоземельных элементах»: иттрии (1794 г.) и церии (1803 г.). Геохимический разрыв привел к тому, что больше легких лантаноидов оказалось в земной коре, но больше тяжелых - в мантии Земли. В результате, хотя обнаружены крупные богатые рудные тела, обогащенные легкими лантанидами, соответственно крупных рудных тел для тяжелых пачек немного. Основные руды — монацит и бастнезит . Монацитовые пески обычно содержат все элементы лантаноидов, но более тяжелые элементы отсутствуют в бастнезите. Лантаниды подчиняются правилу Оддо-Харкинса : элементов с нечетными номерами меньше, чем их соседей с четными номерами.
Три элемента-лантанида имеют радиоактивные изотопы с длительным периодом полураспада ( 138 La, 147 Sm и 176 Lu), которые можно использовать для датировки минералов и горных пород с Земли, Луны и метеоритов. [88] Прометий фактически является искусственным элементом , поскольку все его изотопы радиоактивны с периодом полураспада менее 20 лет.
Лантаноидные элементы и их соединения имеют множество применений, но потребляемые количества относительно невелики по сравнению с другими элементами. Около 15 000 тонн лантаноидов в год расходуется в качестве катализаторов и при производстве стекол. Эти 15 000 тонн соответствуют примерно 85% производства лантаноидов. Однако с точки зрения стоимости более важным является применение люминофоров и магнитов. [89]
В устройствах, в которых используются элементы лантаноидов, используются сверхпроводники , самарий-кобальтовые и неодим-железо-борные высокопоточные редкоземельные магниты , магниевые сплавы , электронные полировщики, катализаторы очистки и компоненты гибридных автомобилей (в первую очередь аккумуляторы и магниты). [90] Ионы лантаноидов используются в качестве активных ионов в люминесцентных материалах, используемых в оптоэлектронике , особенно в лазерах Nd:YAG . Волоконные усилители, легированные эрбием, являются важными устройствами в волоконно-оптических системах связи. Люминофоры с примесями лантаноидов также широко используются в технологии электронно-лучевых трубок, например, в телевизорах. Самые ранние ЭЛТ цветных телевизоров имели красный цвет низкого качества; европий в качестве легирующей добавки сделал возможным создание хороших красных люминофоров. Сферы железо-иттриевого граната (ЖИГ) могут действовать как перестраиваемые микроволновые резонаторы.
Оксиды лантаноидов смешиваются с вольфрамом для улучшения их высокотемпературных свойств при сварке TIG , заменяя торий , работать с которым было умеренно опасно. Во многих продуктах оборонного назначения также используются элементы из лантаноидов, такие как очки ночного видения и дальномеры . Радар SPY -1 , используемый на некоторых военных кораблях, оснащенных системой «Иджис» , и гибридная двигательная установка эсминцев класса «Арли Бёрк» — все они используют редкоземельные магниты в критически важных целях. [91] Цена на оксид лантана , используемый в жидкостно-каталитическом крекинге, выросла с 5 долларов за килограмм в начале 2010 года до 140 долларов за килограмм в июне 2011 года. [92]
Большинство лантаноидов широко используются в лазерах и в качестве (со) примесей в оптических усилителях с легированным волокном; например, в волоконных усилителях, легированных эрбием, которые используются в качестве повторителей в наземных и подводных оптоволоконных линиях передачи, по которым передается интернет-трафик. Эти элементы отражают ультрафиолетовое и инфракрасное излучение и широко используются при производстве линз для солнцезащитных очков. Другие применения приведены в следующей таблице: [17]
Комплекс Gd( DOTA ) используется в магнитно-резонансной томографии .
Лантанидные комплексы можно использовать для оптической визуализации. Применение ограничено лабильностью комплексов . [93]
Некоторые применения зависят от уникальных люминесцентных свойств хелатов или криптатов лантаноидов . [94] [95] Они хорошо подходят для этого применения из-за их больших стоксовских сдвигов и чрезвычайно длительного времени жизни излучения (от микросекунд до миллисекунд ) по сравнению с более традиционными флуорофорами (например, флуоресцеином , аллофикоцианином , фикоэритрином и родамином ).
Биологические жидкости или сыворотка, обычно используемые в этих исследовательских целях, содержат множество соединений и белков, которые обладают естественной флуоресценцией. Таким образом, использование обычного измерения флуоресценции в стационарном состоянии представляет серьезные ограничения в чувствительности анализа. Долгоживущие флуорофоры, такие как лантаноиды, в сочетании с детектированием с временным разрешением (задержка между возбуждением и детектированием излучения) сводят к минимуму быстрые флуоресцентные помехи.
Флюорометрия с временным разрешением (TRF) в сочетании с резонансной передачей энергии Фёрстера (FRET) предлагает мощный инструмент для исследователей, занимающихся разработкой лекарств: резонансную передачу энергии Фёрстера с временным разрешением или TR-FRET. TR-FRET сочетает в себе низкофоновый аспект TRF с гомогенным форматом анализа FRET. Полученный в результате анализ обеспечивает повышение гибкости, надежности и чувствительности, а также более высокую производительность и меньшее количество ложноположительных/ложноотрицательных результатов.
В этом методе задействованы два флуорофора: донор и акцептор. Возбуждение донорного флуорофора (в данном случае ионного комплекса лантаноида) источником энергии (например, лампой-вспышкой или лазером) вызывает передачу энергии акцепторному флуорофору, если они находятся в пределах заданной близости друг к другу (известной как радиус Фёрстера) . ). Акцепторный флуорофор, в свою очередь, излучает свет своей характерной длины волны.
Два наиболее часто используемых лантаноида в биологических исследованиях показаны ниже вместе с соответствующим им акцепторным красителем, а также длинами волн их возбуждения и излучения и результирующим стоксовским сдвигом (разделением длин волн возбуждения и излучения).
В настоящее время проводятся исследования, показывающие, что элементы лантаноидов можно использовать в качестве противораковых средств. Основная роль лантаноидов в этих исследованиях заключается в подавлении пролиферации раковых клеток. В частности, церий и лантан изучались на предмет их роли в качестве противораковых средств.
Одним из специфических элементов группы лантаноидов, который был протестирован и использован, является церий (Ce). Были исследования, в которых использовался комплекс белок-церий для наблюдения за влиянием церия на раковые клетки. Надеялись ингибировать пролиферацию клеток и способствовать цитотоксичности. [96] Рецепторы трансферрина в раковых клетках, например, в клетках рака молочной железы и эпителиальных клетках шейки матки, способствуют пролиферации клеток и злокачественному образованию рака. [96] Трансферрин — это белок, используемый для транспортировки железа в клетки и необходимый для помощи раковым клеткам в репликации ДНК. Трансферрин действует как фактор роста раковых клеток и зависит от железа. Раковые клетки имеют гораздо более высокий уровень рецепторов трансферрина, чем нормальные клетки, и их пролиферация очень зависит от железа. [96]
Церий показал хорошие результаты в качестве противоракового средства из-за его сходства по структуре и биохимии с железом. Церий может связываться вместо железа с трансферрином и затем переноситься в раковые клетки посредством эндоцитоза, опосредованного рецептором трансферрина. [96] Связывание церия с трансферрином вместо железа ингибирует активность трансферрина в клетке. Это создает токсичную среду для раковых клеток и вызывает замедление их роста. Это предполагаемый механизм воздействия церия на раковые клетки, хотя реальный механизм может быть более сложным, поскольку церий подавляет пролиферацию раковых клеток. В частности, в раковых клетках HeLa , изученных in vitro, жизнеспособность клеток снижалась после 48–72 часов обработки церием. Клетки, обработанные только церием, имели снижение жизнеспособности клеток, но клетки, обработанные и церием, и трансферрином, имели более значительное ингибирование клеточной активности. [96] Еще одним специфическим элементом, который был протестирован и использован в качестве противоракового средства, является лантан, а точнее хлорид лантана (LaCl 3 ). Ион лантана используется для воздействия на уровни let-7a и микроРНК miR-34a в клетке на протяжении всего клеточного цикла. Когда ион лантана вводился в клетку in vivo или in vitro, он ингибировал быстрый рост и вызывал апоптоз раковых клеток (особенно клеток рака шейки матки). Этот эффект был вызван регуляцией let-7a и микроРНК ионами лантана. [97] Механизм этого эффекта до сих пор неясен, но возможно, что лантан действует аналогично церию и связывается с лигандом, необходимым для пролиферации раковых клеток.
Из-за их редкого распределения в земной коре и низкой растворимости в воде лантаноиды мало доступны в биосфере, и в течение длительного времени не было известно, что они естественным образом входят в состав каких-либо биологических молекул. В 2007 году новая метанолдегидрогеназа , которая строго использует лантаноиды в качестве ферментативных кофакторов , была обнаружена у бактерии из типа Verrucomicrobiota , Mmethylacidiphilum fumariolicum . Было обнаружено, что эта бактерия выживает только в том случае, если в окружающей среде присутствуют лантаноиды. [98] По сравнению с большинством других непищевых элементов , нерадиоактивные лантаноиды классифицируются как имеющие низкую токсичность. [89] Такая же потребность в питании наблюдалась также у Mmethylorubrum extorquens и Mmethylobacterium radiotolerans .