Du weißt wie. Herstellung, Eigenschaften und Verwendung von Lanthan Vorkommen in der Natur

Chemie

Das Wichtigste an Element Nr. 57 ist natürlich, dass es eine Reihe von 14 Lanthanoiden anführt – Elemente mit äußerst ähnlichen Eigenschaften. Lanthan und Lanthanoide kommen immer zusammen vor: in Mineralien, unserer Meinung nach, in Metall. Auf der Weltausstellung in Paris im Jahr 1900 wurden erstmals Proben einiger vermutlich reiner Lanthanoide gezeigt. Aber es besteht kein Zweifel, dass es in jeder Probe, unabhängig vom Etikett, auch solche gab Lanthan und Cer und Neodym mit Praseodym und die seltensten Lanthaniden – Thulium, Holmium, Lutetium. Das seltenste, mit Ausnahme des „ausgestorbenen“ Elements Nr. 61 – Promethium, das bei Kernreaktionen wiederhergestellt wurde. Wenn Promethium jedoch stabile Isotope hätte, wäre es auch in jeder Probe eines Seltenerdelements vorhanden.

Erst in den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ein Niveau erreicht, auf dem die Menschheit die individuellen Eigenschaften jedes (oder fast jedes) Lanthanoids nutzen konnte, obwohl nach wie vor nur das Metall eines der am weitesten verbreiteten und am weitesten verbreiteten ist billigste Seltenerdprodukte – „ natürliche Legierung aus Lanthan und Lanthaniden... Daher wäre es logisch, nur die Hälfte dieser Geschichte direkt dem Element Nr. 57 und die andere Hälfte dem Seltenerd-„Team“ als Ganzes zu widmen. Natürlich verdient jedes der Lanthaniden – als chemisches Individuum – eine eigenständige Geschichte; hier - über ihren „Anführer“ und was sie alle gemeinsam haben.

Lanthan ohne Lanthanide

So traurig es auch ist, zuzugeben, der Held unserer Geschichte ist ein ganz gewöhnlicher Mensch. Dies ist ein Metall mit gewöhnlichem Aussehen (silberweiß, bedeckt mit einem gräulichen Oxidfilm) und physikalischen Eigenschaften: Schmelzpunkt 920, Siedepunkt 3469 ° C; In Bezug auf Festigkeit, Härte, elektrische Leitfähigkeit und andere Eigenschaften liegt das Metall Lanthan stets im Mittelfeld. Lanthan ist auch in seinen chemischen Eigenschaften weit verbreitet. In trockener Luft verändert es sich nicht – der Oxidfilm schützt zuverlässig vor Oxidation in der Masse. Wenn die Luft jedoch feucht ist (und unter normalen terrestrischen Bedingungen ist sie fast immer feucht), oxidiert das Metall Lanthan allmählich zu Hydroxid. La(OH) 3 ist eine Base mittlerer Stärke, was wiederum charakteristisch für ein „durchschnittliches“ Metall ist.

Was lässt sich noch über die chemischen Eigenschaften von Lanthan sagen? In Sauerstoff brennt es beim Erhitzen auf 450 °C mit heller Flamme (wodurch ziemlich viel Wärme freigesetzt wird). Wird es in einer Stickstoffatmosphäre gezündet, entsteht schwarzes Nitrid. In Chlor entzündet sich Lanthan bei Raumtemperatur, reagiert jedoch nur beim Erhitzen mit Brom und Jod. Es löst sich gut in Mineralsäuren und reagiert nicht mit alkalischen Lösungen. Lanthan weist in allen Verbindungen eine Wertigkeit von 3+ auf. Mit einem Wort: Ein Metall ist wie ein Metall – sowohl in seinen physikalischen als auch in seinen chemischen Eigenschaften.
Das vielleicht einzige Unterscheidungsmerkmal von Lanthan ist die Art seiner Wechselwirkung mit Wasserstoff. Die Reaktion zwischen ihnen beginnt bei Raumtemperatur und verläuft unter Wärmeabgabe. Es entstehen Hydride unterschiedlicher Zusammensetzung, da Lanthan gleichzeitig Wasserstoff aufnimmt – und zwar umso intensiver, je höher die Temperatur ist.
Lanthaniden interagieren auch mit Wasserstoff. Eines davon – Cer – wird sogar als Gasabsorber in der Elektrovakuumindustrie und in der Metallurgie eingesetzt.
Hier kommen wir zu einem der wichtigen Teile unserer Geschichte, zum Thema „Lanthan und Cer“ und damit verbunden – zur Geschichte von Lanthan.
In Bezug auf die Verbreitung in der Natur, den Produktionsumfang und die Breite der Verwendung ist Lanthan seinem nächsten Analogon – dem ersten Lanthanoid – unterlegen. „Der Vorfahre“ und immer der Zweite, das ist die Stellung von Lanthan in seiner Familie. Und als man begann, die Seltenerdelemente auf der Grundlage der Gesamtheit ihrer Eigenschaften in zwei Untergruppen zu unterteilen, wurde Lanthan einer Untergruppe zugeordnet, deren Name zu Ehren von Cer vergeben wurde... Und Lanthan wurde nach Cer als Verunreinigung von Cer entdeckt. im Mineral Cerit. Das ist die Geschichte, die Geschichte über Lehrer und Schüler.
Im Jahr 1803 untersuchte der 24-jährige schwedische Chemiker Jens Jakob Berzelius zusammen mit seinem Lehrer Hisingir das Mineral, das heute als Cerit bekannt ist. In diesem Mineral wurden die 1794 von Gadolin entdeckte Yttriumerde und eine weitere seltene Erde, die Yttrium sehr ähnlich ist, entdeckt. Es wurde Cer genannt. Fast zeitgleich mit Berzelius wurde Cererde vom berühmten deutschen Chemiker Martin Klaproth entdeckt.
Berzelius beschäftigte sich viele Jahre später erneut mit dieser Substanz, bereits ein bedeutender Wissenschaftler. Im Jahr 1826 untersuchte Karl Mozander – ein Student, Assistent und einer von Berzelius‘ engen Freunden – Cererde und kam zu dem Schluss, dass sie heterogen sei und neben Cer ein weiteres und vielleicht mehr als ein neues Element enthielt. Aber um diese Annahme zu überprüfen, war eine Menge Gewissheit nötig. Mozander gelang es erst 1839, die Komplexität von Cererde nachzuweisen.
Es ist interessant, dass ein Jahr zuvor ein unter Chemikern unbekannter Student Erdmann in Norwegen ein neues Mineral gefunden und es zu Ehren seines Lehrers Mozander benannt hat – Mozanderit. Aus diesem Mineral wurden auch zwei seltene Erden, Cer und Nova, isoliert.
Das in Cerit und Mozanderit entdeckte neue Element wurde auf Vorschlag von Berzelius Lanthan genannt. Der Name ist ein Hinweis: Er kommt vom griechischen A,av0dveiv – verstecken, vergessen werden. Das in Cerit enthaltene Lanthan wurde 36 Jahre lang erfolgreich vor Chemikern versteckt!
Lange Zeit glaubte man, Lanthan sei zweiwertig, ein Analogon von Calcium und anderen Erdalkalimetallen und habe ein Atomgewicht von 90-94. Bis 1869 gab es keinen Zweifel an der Richtigkeit dieser Zahlen. Mendelejew erkannte, dass in der Gruppe II des Periodensystems kein Platz für Seltenerdelemente war, und ordnete sie der Gruppe III zu, wobei er Lanthan ein Atomgewicht von 138-139 zuwies. Doch die Rechtmäßigkeit eines solchen Schritts musste noch bewiesen werden. Mendelejew untersuchte die Wärmekapazität von Lanthan. Der von ihm erhaltene Wert zeigte direkt an, dass dieses Element dreiwertig sein sollte ...
Lanthanmetall, natürlich alles andere als rein, wurde zuerst von Mozander durch Erhitzen von Lanthanchlorid mit Kalium gewonnen.
Heutzutage wird Lanthan mit einer Reinheit von über 99 % im industriellen Maßstab hergestellt. Sehen wir uns an, wie das geht, aber machen wir uns zunächst mit den Hauptmineralien von Lanthan und den ersten Phasen des komplexesten Prozesses zur Trennung von Seltenerdelementen vertraut.
Es wurde bereits erwähnt, dass Lanthan und Lanthanoide in Mineralien stets einander begleiten. Es gibt ausgewählte Mineralien, bei denen der Anteil des einen oder anderen Seltenerdelements größer als üblich ist. Aber es gibt keine reinen Lanthan- oder reinen Cer-Mineralien, ganz zu schweigen von anderen Lanthanoiden. Ein Beispiel für ein selektives Lanthanmineral ist Davidit, das bis zu 8,3 % La2O3 und nur 1,3 % Ceroxid enthält. Lanthan wird jedoch hauptsächlich aus Monazit und Bastnäsit sowie Cer und allen anderen Elementen der Cer-Untergruppe gewonnen.
Monazit ist ein schweres, glänzendes Mineral, meist gelbbraun, manchmal aber auch in anderen Farben, da sich seine Zusammensetzung in der Konsistenz nicht unterscheidet. Am genauesten wird seine Zusammensetzung durch diese seltsame Formel beschrieben: (REE)P04. Das bedeutet, dass Monazit ein Phosphat seltener Erdelemente (REE) ist. Typischerweise enthält Monazit 50–68 % REE-Oxide und 22–31,5 % Ra05. Es enthält außerdem bis zu 7 % Zirkoniumdioxid, durchschnittlich 10 % Thoriumdioxid und 0,1–0,3 % Uran. Diese Zahlen zeigen deutlich, warum die Wege der Seltenerd- und Atomindustrie so eng miteinander verflochten sind.
Ende des letzten Jahrhunderts wurden gemischte Seltenerdmetalle (Mischmetall) und eine Mischung ihrer Oxide verwendet.
und Anfang dieses Jahres wurde in diesem Zusammenhang ein herausragendes Beispiel für internationalen Diebstahl demonstriert. Deutsche Schiffe, die Fracht nach Brasilien lieferten und sich auf die Rückreise vorbereiteten, füllten ihre Laderäume mit Sand von den Stränden der Atlantikküste dieses Landes und von bestimmten Orten. Die Kapitäne gaben an, dass der Sand lediglich Ballast sei, der für eine größere Stabilität des Schiffes notwendig sei. In Wirklichkeit stahlen sie im Auftrag deutscher Industrieller wertvolle mineralische Rohstoffe – den Küstensand des Bundesstaates Espírito Santo, reich an Monazit...
Monazitseifen sind entlang der Ufer von Flüssen, Seen und Meeren auf allen Kontinenten verbreitet. Zu Beginn des Jahrhunderts (Daten für 1909) stammten 92 % der weltweiten Produktion von Seltenerdrohstoffen, vor allem Monazit, aus Brasilien. Zehn Jahre später verlagerte sich der Schwerpunkt Tausende Kilometer nach Osten (oder Westen, je nachdem, wie man es zählt) – nach Indien. Nach 1950 wurden die Vereinigten Staaten aufgrund der Entwicklung der Atomindustrie zum Hegemon unter den kapitalistischen Ländern bei der Gewinnung und Verarbeitung seltener Erdrohstoffe.
Natürlich mussten unser Land und andere Länder ihre Seltenerdindustrie entwickeln und ihre Rohstoffe finden.
Verfolgen wir allgemein den Weg vom Monazitsand zum Lanthan.
Obwohl der Sand Monazitsand genannt wird, enthält er nicht viel Monazit – nur den Bruchteil eines Prozents. In den berühmten Monazit-Separatoren von Idaho (USA) enthält beispielsweise eine Tonne Sand nur 330 g Monazit. Daher wird zunächst Monazitkonzentrat gewonnen.
Die erste Konzentrationsstufe findet bereits auf dem Bagger statt. Die Dichte von Monazit beträgt 4,9–5,3 und die von gewöhnlichem Sand durchschnittlich 2,7 g/cm3. Bei einem solchen Gewichtsunterschied ist die Schwerkrafttrennung nicht besonders schwierig. Aber neben Monazit enthalten dieselben Sande noch andere Schwermineralien. Um Monazitkonzentrat mit einer Reinheit von 92–96 % zu erhalten, wird daher ein Komplex aus gravitativen, magnetischen und elektrostatischen Anreicherungsmethoden eingesetzt. Dadurch werden unterwegs Ilmenit, Rutil, Zirkon und andere wertvolle Konzentrate gewonnen.
Wie jedes Mineral muss Monazit „geöffnet“ werden. Am häufigsten wird Monazitkonzentrat mit konzentrierter Schwefelsäure behandelt. Die resultierenden Sulfate der Seltenerdelemente und des Thoriums werden mit normalem Wasser ausgelaugt. Nachdem sie in Lösung gegangen sind, verbleiben Kieselsäure und der Teil des Zirkons, der in den vorherigen Stufen nicht abgetrennt wurde, im Sediment.
Im nächsten Schritt der Trennung wird das kurzlebige Mesothorium (Radium-228) extrahiert und dann das Thorium selbst – manchmal zusammen mit Cer, manchmal separat. Die Trennung von Cer von Lanthan aus einer Mischung von Lanthaniden ist nicht besonders schwierig: Im Gegensatz zu diesen kann es eine Wertigkeit von 4+ n in Form von Ce(OH) 4 Hydroxid aufweisen und in einen Niederschlag übergehen, während seine dreiwertigen Analoga darin verbleiben Lösung. Beachten wir nur, dass der Vorgang der Cer-Abtrennung, wie die vorherigen, viele Male durchgeführt wird – um das teure Seltenerdkonzentrat möglichst vollständig „herauszudrücken“.
Nach der Isolierung von Cer enthält die Lösung das meiste Lanthan (in Form von Nitrat La(NO3h, da in einer der Zwischenstufen Schwefelsäure durch Salpetersäure ersetzt wurde, um die weitere Trennung zu erleichtern). Lanthan wird aus dieser Lösung durch Zugabe von Ammoniak gewonnen , Ammonium- und Cadmiumnitrate. In Gegenwart von Cd (N0 3) 2 ist die Trennung vollständiger. Mit Hilfe dieser Stoffe fallen alle Lanthanoide aus, im Filtrat verbleiben jedoch nur Cadmium und Lanthan. Cadmium wird mit Schwefelwasserstoff ausgefällt , der Niederschlag wird abgetrennt und die Lanthannitratlösung wird mehrmals abgetrennt und durch fraktionierte Kristallisation von Lanthanoidverunreinigungen gereinigt.
Das Endergebnis ist normalerweise Lanthanchlorid LaCl 3 . Durch Elektrolyse von geschmolzenem Chlorid entsteht Lanthan mit einer Reinheit von bis zu 99,5 %. Noch reineres Lanthan (99,79 % und höher) wird durch das Calcium-Thermal-Verfahren gewonnen. Dies ist die klassische traditionelle Technologie.
Wie Sie sehen, ist die Gewinnung von elementarem Lanthan eine komplexe Angelegenheit.
Die Trennung der Lanthanoide – von Praseodym bis Lutetium – erfordert noch mehr Aufwand und Geld, und natürlich auch Zeit. Daher haben Chemiker und Technologen aus vielen Ländern der Welt in den letzten Jahrzehnten versucht, neue, fortschrittlichere Methoden zur Trennung dieser Elemente zu entwickeln. Solche Methoden – Extraktion und Ionenaustausch – wurden entwickelt und in die Industrie eingeführt. Bereits in den frühen 60er Jahren wurde in Anlagen, die nach dem Ionenaustauschprinzip arbeiteten, eine 95-prozentige Ausbeute an Seltenerdprodukten mit einer Reinheit von bis zu 99,9 % erreicht.
Bis 1965 konnten die Außenhandelsorganisationen unseres Landes den Käufern alle Lanthanide in Form von Metallen mit einer Reinheit von mehr als 99 % anbieten. Außer natürlich Promethium, obwohl auch radioaktive Präparate dieses Elements – Produkte des nuklearen Zerfalls von Uran – gut zugänglich geworden sind.
Die Kataloge von Techsnabexport umfassen außerdem etwa 300 chemisch reine und hochreine Verbindungen von Lanthan und Lanthaniden. Dies ist ein Beweis für den hohen Entwicklungsstand der sowjetischen Seltenerdindustrie.
Aber kommen wir zurück zu Lanthan.

Kurz über die Verwendung von Lanthan und seinen Verbindungen

Reines Lanthan wird fast nie als Legierungsmetall verwendet, sondern es werden billigere und leichter zugängliche Cer- oder Mischmetalle verwendet – die Legierungswirkung von Lanthan und Lanthaniden ist nahezu gleich.
Es wurde oben erwähnt, dass Lanthan manchmal aus einem Gemisch durch Extraktion extrahiert wird, wobei die unterschiedliche Löslichkeit bestimmter (hauptsächlich komplexer) Verbindungen von Seltenerdelementen in organischen Lösungsmitteln genutzt wird. Es kommt jedoch vor, dass das Element Nr. 57 selbst als Extraktionsmittel verwendet wird. Plutonium wird aus flüssigem Uran mit geschmolzenem Lanthan extrahiert. Hier liegt ein weiterer Berührungspunkt zwischen der Atom- und der Seltenerdindustrie.
Lanthanoxid La 2 0 3 wird viel häufiger verwendet. Dieses weiße, amorphe Pulver, unlöslich in Wasser, aber löslich in Säuren, ist zu einem wichtigen Bestandteil optischer Gläser geworden. Fotoobjektive der bekannten Firma Kodak enthalten 20 bis 40 % La203. Dank Lanthanzusätzen konnte die Größe des Objektivs bei gleichem Öffnungsverhältnis reduziert und die Qualität der Farbfotografie deutlich verbessert werden. Es ist bekannt, dass während des Zweiten Weltkriegs Lanthangläser in feldoptischen Instrumenten verwendet wurden. Auch die besten heimischen Fotoobjektive, zum Beispiel „Industar-61LZ“, bestehen aus Lanthanglas, und eine unserer besten Amateurfilmkameras heißt „Lanthan“... Neuerdings wird Lanthanglas auch bei der Herstellung von Laborglaswaren verwendet . Lanthanoxid verleiht Glas nicht nur wertvolle optische Eigenschaften, sondern auch eine höhere Hitzebeständigkeit und Säurebeständigkeit.
Das ist vielleicht das Wichtigste, was man über Lanthan ohne Lanthanoide sagen kann, obwohl es an manchen Stellen unmöglich war, nicht vom „Ohne“-Prinzip abzuweichen ...

Lantan und sein Team

Der Vergleich von Lanthan und Lanthanoiden mit einer Sportmannschaft mag für manche weit hergeholt erscheinen. Allerdings ist dieser Vergleich nicht aufrührerischer als so bekannte Definitionen wie „Lanthanidenfamilie“ oder „chemische Zwillinge“. Urteilen Sie selbst: Lantan und sein Team haben eine einheitliche Uniform (silber-weiß) und wie Hockeyspieler verfügen sie alle über Schutzausrüstung (aus Oxidfolien). Alle sind von Natur aus mit annähernd gleichen Mengen ausgestattet (die Ähnlichkeiten sind extrem groß), aber wie im Sport werden „Fähigkeiten“ aus verschiedenen Gründen nicht in gleichem Maße umgesetzt: Manche „spielen“ besser, andere schlechter. Und natürlich hat jedes Mitglied dieser Gruppe seine Lieblings-„Finten“ und „Techniken“ – zum Beispiel Gadolinium-Ferromagnetismus.

Und von den chemischen Eigenschaften her sind die Lanthaniden noch immer keine Zwillinge – sonst wäre eine Trennung nicht möglich gewesen. Wie eine gute Sportmannschaft sind sie im Wesentlichen einig und im Einzelnen individuell. Was die Teilnehmerzahl angeht, gibt es bei verschiedenen Spielen unterschiedliche Spielerzahlen, 14 liegt im Normalbereich...
Zwar gab es eine Zeit, in der fast fünfzig Kandidaten für dieses „Team“ empfohlen wurden. Die Zahl der entdeckten lanthanähnlichen Elemente wuchs mit katastrophaler Geschwindigkeit. In der von Professor N.A. Figurovsky zusammengestellten Liste der fälschlicherweise entdeckten Elemente handelt es sich bei der Mehrheit um falsche Lanthanoide. Selbst große Wissenschaftler konnten Fehler nicht vermeiden – Mozander, Lecoq de Boisbaudran, Auer von Welsbach, Crookes, Urbain.
Die nichtperiodischen Eigenschaften von Lanthan und seinem Team, die aus der strengen Reihenfolge des Periodensystems herausfielen, bereiteten Mendelejew Probleme. Aber mit der Veränderung wurde alles gelöst. Es war Boguslav Franzevich Brauner, Professor an der Universität Prag, der als erster vorschlug, die Lanthaniden außerhalb des Hauptteils der Tabelle zu verlegen.
„Man muss ein so Experte für „Seltene Erden“ sein wie F. Brauner, um dieses komplexe, schwierige und noch kaum abgeschlossene Thema zu verstehen, bei dem die Überprüfung nicht nur durch die Originalität und Ähnlichkeit vieler Ausgangsbeziehungen erschwert wird, aber auch durch die Schwierigkeiten, das natürlichste Material zu erhalten“, schrieb Mendelejew 1902.
„Was die Systematik der Seltenerdelemente und ihren Platz im Periodensystem angeht, können wir derzeit mit Sicherheit davon ausgehen, dass sich Scandium, Yttrium und Lanthan in den geraden Reihen der Gruppe III befinden, wie sich aus ihren Atomgewichten und ihrem Volumen ergibt.“ Oxide... Andere Seltenerdelemente bilden wahrscheinlich eine interperiodische Gruppe oder einen Knoten im System, wo sie in ihren Atomgewichten aufeinander folgen.“ Dies sind Brauners Worte aus dem Artikel „Elemente seltener Erden“, der für die vorletzte Lebensausgabe (1903) von Mendelejews „Grundlagen der Chemie“ geschrieben wurde.
Erst nachdem das Periodensystem auf einem neuen, physikalisch genaueren Kriterium basiert – der Ladung des Atomkerns – konnte der „Knoten im System“ endlich gelöst werden. Dann wurde klar, dass nur 15 Elemente zwischen Lanthan und Tantal passen und letzteres ein Analogon von Zirkonium sein sollte. Dieses Element, Hafnium, wurde 1923 von Coster und Hsvesi entdeckt.
Das letzte (nach Ordnungszahl) Lanthanoid, Lutetium, wurde früher entdeckt – im Jahr 1907.
Es liegt nahe, nach den Gründen für die gemeinsamen Eigenschaften von Lanthan und Lanthanoiden in der Struktur der elektronischen Hüllen ihrer Atome zu suchen.
Nach den Gesetzen der Quantenmechanik können Elektronen auf keiner Umlaufbahn um Kerne rotieren. Sie scheinen in Schichten – Schalen – verteilt zu sein. Die Kapazität dieser Schalen, die maximale Anzahl an Elektronen in ihnen, wird durch die Formel ne = 2A/2 bestimmt, wobei ne die Anzahl der Elektronen und N die Anzahl der Schalen ist, gerechnet vom Kern aus. Daraus folgt, dass die erste Schale nur zwei Elektronen haben kann, die zweite – acht, die dritte – achtzehn, die vierte – zweiunddreißig usw.
Bereits in der vierten Periode des Periodensystems, beginnend mit Scandium, fallen die „sequentiellen“ Elektronen nicht in die äußere vierte Schicht, sondern in die vorherige. Aus diesem Grund ist der Unterschied in den Eigenschaften von Elementen mit Ordnungszahlen von 12 bis 30 nicht so dramatisch wie bei leichteren Elementen. Ein ähnliches Bild zeigt sich in der fünften Periode. Und hier füllen neue Elektronen, beginnend mit Yttrium, nicht die fünfte, sondern die vorletzte, vierte Schale – eine weitere Reihe sogenannter Übergangsmetalle entsteht.
Überträgt man diese Analogie auf die sechste Periode, wäre es logisch anzunehmen, dass ausgehend von Lanthan (es ist ein Analogon von Scandium und Yttrium) auch hier dasselbe passieren wird. Elektronen füllen hier jedoch, ungeachtet unserer Logik, nicht die vorletzte Schale, sondern die dritte von außen, da sich darauf Leerstellen befinden. Nach der Formel ne = 2A2 kann diese Schale – die vierte vom Kern – 32 Elektronen haben. Mit seltenen Ausnahmen landen hier die „neuen“ Elektronen der nächsten Lanthaniden. Und da die chemischen Eigenschaften eines Elements in erster Linie durch die Struktur der äußeren Elektronenhüllen bestimmt werden, liegen die Eigenschaften von Lanthaniden noch näher beieinander als die Eigenschaften von Übergangsmetallen.
Wie es sich für Elemente der Gruppe III gehört, sind Lanthanoide normalerweise dreiwertig. Einige von ihnen können jedoch eine andere Wertigkeit aufweisen: Cer, Praseodym und Terbium - 4 +; Samarium, Europium und Ytterbium - 2 +.
Die anomalen Wertigkeiten von Lanthanoiden wurden vom deutschen Chemiker Wilhelm Klemm untersucht und erklärt. Mithilfe von Röntgenspektren bestimmte er die Hauptparameter ihrer Kristalle und Atomvolumina. Die Atomvolumenkurve zeigt deutlich Maxima (Europium, Ytterbium) und weniger ausgeprägte Minima (Cer, Terbium). Auch Praseodym und Samarium fallen, wenn auch nicht so stark, aus der Reihe heraus, die durch eine sanft abfallende Kurve definiert wird. Daher tendiert der erste zu kleinvolumigem Cer und Terbium, während der Autor zu großvolumigem Europium und Ytterbium tendiert. Elemente mit größerem Atomvolumen halten Elektronen fester und sind daher nur dreiwertig oder sogar zweiwertig. Bei „kleinvolumigen“ Atomen hingegen ist eines der „inneren“ Elektronen nicht fest in der Hülle eingeschlossen – daher können die Atome von Cer, Praseodym und Terbium vierwertig sein.
Klemms Arbeiten liefern auch eine physikalische Grundlage für die seit langem etablierte Einteilung der Seltenerdelemente in zwei Untergruppen – Cer und Yttrium. Die erste umfasst Lanthan und Lanthanide von Cer bis Gadolinium, die zweite umfasst Yttrium und Lanthanide von Terbium bis Lutetium. Der Unterschied zwischen den Elementen dieser beiden Gruppen besteht in der Richtung der Spins der Elektronen, die die vierte Schale füllen, die wichtigste für die Lanthaniden.
Die Spins – der Eigendrehimpuls der Elektronen – haben für erstere das gleiche Vorzeichen; in letzterem hat die Hälfte der Elektronen Spins mit einem Vorzeichen und die andere Hälfte mit einem anderen.
Aber genug von Anomalien, die nur mit Hilfe der Quantenmechanik erklärt werden können, kommen wir zurück zu den Gesetzen.
Auch bei Lanthanoiden wirken die Muster manchmal unlogisch. Ein Beispiel hierfür ist die Lanthanoidkompression.
Als Lanthanoidkompression bezeichnet man die vom norwegischen Geochemiker Goldschmidt entdeckte natürliche Verkleinerung des dreiwertigen Ions der Seltenerdelemente von Lanthan zu Lutetium. Es scheint, dass alles umgekehrt sein sollte: Im Kern eines Ceratoms gibt es ein Proton mehr als im Kern eines Lanthanatoms; Der Praseodymkern ist größer als der Cerkern und so weiter. Dementsprechend nimmt die Zahl der um den Kern rotierenden Elektronen zu. Und wenn wir uns das Atom so vorstellen, wie es normalerweise in Diagrammen gezeichnet wird – in Form einer kleinen Scheibe, umgeben von langgestreckten Bahnen unsichtbarer Elektronen, Bahnen unterschiedlicher Größe, dann sollte der Gewinn der Elektronen offensichtlich die Größe des Atoms als Ganzes erhöhen . Oder wenn wir die äußeren Elektronen verwerfen, deren Anzahl möglicherweise nicht gleich ist, sollte das gleiche Muster bei der Größe der dreiwertigen Lanthanionen und ihres Teams beobachtet werden.
Der wahre Sachverhalt wird durch das Lanthanoid-Kompressionsdiagramm veranschaulicht. Der Radius des dreiwertigen Lanthan-Ions beträgt 1,22 A und das gleiche Lutetium-Ion beträgt nur 0,99 A. Alles ist nicht logisch, sondern genau das Gegenteil. Allerdings ist es auch ohne Quantenmechanik nicht schwer, der physikalischen Bedeutung des Phänomens der Lanthanoidkompression auf den Grund zu gehen; man muss sich lediglich die Grundgesetze des Elektromagnetismus merken.
Die Ladung des Kerns und die Anzahl der ihn umgebenden Elektronen wachsen parallel. Auch die Anziehungskraft zwischen ungleichen Ladungen nimmt zu: Ein schwererer Kern zieht Elektronen stärker an und verkürzt ihre Umlaufbahnen. Und da die tiefen Bahnen der Lanthanoidatome am stärksten mit Elektronen gesättigt sind, hat die elektrische Anziehung einen noch stärkeren Effekt.
Die Nähe von Ionenradien und gemeinsamen chemischen Eigenschaften sind die Hauptgründe für das gemeinsame Vorkommen von Lanthaniden in Mineralien.

Über Seltenerdmineralien

Der wichtigste – Monazit – ist oben beschrieben. Das zweitwichtigste Seltenerdmineral, Bastnäsit, ist in vielerlei Hinsicht ähnlich. Bastnäsit ist außerdem schwer, glänzend und hat auch keine konstante Farbe (meistens hellgelb). Chemisch ähnelt es Monazit jedoch nur durch seinen hohen Gehalt an Lanthan und Lanthanoiden. Wenn Monazit ein Phosphat ist, dann ist Bastnäsit ein Seltenerdfluorcarbonat, dessen Zusammensetzung normalerweise wie folgt geschrieben wird: (La, Ce)FC0 3. Aber wie so oft spiegelt die Formel eines Minerals seine Zusammensetzung nicht vollständig wider. In diesem Fall werden nur die Hauptbestandteile angegeben: Bastnäsit enthält 36,9–40,5 % Ceroxid und fast die gleiche Menge (insgesamt) Oxide von Lanthan, Praseodym und Neodym. Aber es enthält natürlich auch andere Lanthanoide.
Neben Bastnäsit und Monazit werden, wenn auch in begrenztem Umfang, mehrere weitere Seltenerdmineralien praktisch verwendet, insbesondere Gadolinit, in dem bis zu 32 % Seltenerdoxide der Cer-Untergruppe und 22–50 % Ittuium enthalten sind. In einigen Ländern werden Seltenerdmetalle durch komplexe Verarbeitung von Loparit und Apatit gewonnen.
Insgesamt sind etwa 70 Seltenerdmineralien selbst bekannt und etwa 200 weitere Mineralien, in denen diese Elemente als Verunreinigungen enthalten sind. Das legt den Schluss nahe, dass die „seltenen“ Erden gar nicht so selten sind und dass dieser alte Trivialname für Scandium, Yttrium und Lanthan mit den Lanthanoiden nichts anderes als eine Hommage an die Vergangenheit ist. Sie sind nicht selten – es gibt mehr Cer in der Erde als Blei, und die seltensten der seltenen Erden kommen in der Erdkruste viel häufiger vor als . Es geht um die Zerstreuung dieser Elemente und die Schwierigkeit, sie voneinander zu trennen. Aber natürlich sind Lanthanoide in der Natur nicht gleichmäßig verteilt. Elemente mit geraden Ordnungszahlen kommen viel häufiger vor als ihre ungeraden Nachbarn. Dieser Umstand wirkt sich natürlich auf den Produktionsumfang und die Preise für Seltenerdmetalle aus. Die am schwierigsten zu erhaltenden Lanthanoide – Terbium, Thulium, Lutetium (beachten Sie, dass es sich dabei alles um Lanthanoide mit ungeraden Ordnungszahlen handelt) – sind teurer als Gold und Platin. Und der Preis für Cer mit einer Reinheit von mehr als 99 % beträgt nur 55 Rubel pro Kilogramm (Daten aus dem Jahr 1970). Zum Vergleich weisen wir darauf hin, dass ein Kilogramm Mischmetall 6-7 Rubel kostet und Ferrocerium (10 % Eisen, 90 % Seltenerdelemente, hauptsächlich Cer) nur fünf. Der Umfang der Nutzung seltener Erdelemente ist normalerweise proportional zu den Preisen ...

Lanthanoide in der Praxis

Im Herbst 1970 traf sich der Wissenschaftliche Rat des Instituts für Mineralogie, Geochemie und Kristallchemie seltener Elemente der Akademie der Wissenschaften der UdSSR zu einer längeren Sitzung mit einer eher ungewöhnlichen Tagesordnung. Diskutiert wurden die Möglichkeiten der Seltenen Erden „im Lichte der landwirtschaftlichen Probleme“.
Die Frage nach dem Einfluss dieser Elemente auf lebende Organismen entstand nicht zufällig. Einerseits ist bekannt, dass seltene Erden häufig als Beimischung in die Zusammensetzung der für die Agrochemie wichtigsten Mineralien – Phosphorite und Apatit – einbezogen werden. Andererseits wurden Pflanzen identifiziert, die als biochemische Indikatoren für Lanthan und seine Analoga dienen können. Beispielsweise enthält die Asche der Blätter von Southern Hickory bis zu 2,5 % Seltenerdelemente. Auch in Zuckerrüben und Lupinen wurden erhöhte Konzentrationen dieser Elemente gefunden. Der Gehalt an Seltenerdelementen im Tundraboden erreicht fast 0,5 %.
Es ist unwahrscheinlich, dass diese gemeinsamen Elemente keinen Einfluss auf die Entwicklung von Pflanzen und möglicherweise auch von Organismen auf anderen Ebenen der Evolutionsleiter hatten. Bereits Mitte der 30er Jahre untersuchte der sowjetische Wissenschaftler A. A. Drobkov den Einfluss seltener Erden auf verschiedene Pflanzen. Er experimentierte mit Erbsen, Rüben und anderen Nutzpflanzen und führte seltene Erden mit oder ohne Bor und Mangan ein. Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass seltene Erden für die normale Entwicklung von Pflanzen benötigt werden... Doch es verging ein Vierteljahrhundert, bis diese Elemente einigermaßen zugänglich wurden. Eine endgültige Antwort auf die Frage nach der biologischen Rolle von Lanthan und seinem Team muss noch gegeben werden.
Metallurgen sind in diesem Sinne den Agrochemikern deutlich voraus. Eines der bedeutendsten Ereignisse der letzten Jahrzehnte in der Eisenmetallurgie steht im Zusammenhang mit Lanthan und seinem Team.
Sphäroguss wurde üblicherweise durch Modifizierung mit Magnesium gewonnen. Die physikalische Bedeutung dieses Zusatzes wird deutlich, wenn man bedenkt, dass Gusseisen 2–4,5 % Kohlenstoff in Form von Flockengraphit enthält, was dem Gusseisen seinen größten technischen Nachteil verleiht – die Zerbrechlichkeit. Durch die Zugabe von Magnesium verändert sich Graphit in eine gleichmäßiger verteilte Kugel- oder Kugelform im Metall. Dadurch werden das Gefüge und damit die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen deutlich verbessert. Das Legieren von Gusseisen mit Magnesium erfordert jedoch zusätzliche Kosten: Die Reaktion ist sehr heftig, geschmolzenes Metall spritzt in alle Richtungen und daher mussten für diesen Prozess spezielle Kammern gebaut werden.
Seltenerdmetalle wirken auf Gusseisen in ähnlicher Weise: Sie „entfernen“ oxidische Verunreinigungen, binden und entfernen Schwefel und fördern den Übergang von Graphit in eine kugelförmige Form. Gleichzeitig benötigen sie keine speziellen Kammern – die Reaktion verläuft ruhig. Und das Ergebnis?
Pro Tonne Gusseisen werden nur 4 kg (0,4 %) Ferrocerium-Legierung mit Magnesium hinzugefügt, und die Festigkeit von Gusseisen verdoppelt sich! In vielen Fällen kann solches Gusseisen anstelle von Stahl verwendet werden, insbesondere bei der Herstellung von Kurbelwellen. Hochfestes Gusseisen ist nicht nur 20–25 % günstiger als Stahlgussteile und 3–4 Mal günstiger als Stahlschmiedeteile. Es stellte sich heraus, dass die Abriebfestigkeit von Wellenzapfen aus Gusseisen zwei- bis dreimal höher war als die von Wellenzapfen aus Stahl. Kurbelwellen aus Sphäroguss werden bereits in Diesellokomotiven und anderen schweren Maschinen eingesetzt.

Verschiedenen Stahlsorten werden auch Seltenerdelemente (in Form von Mischmetall und Ferrocerium) zugesetzt. In allen Fällen wirkt dieses Additiv als starkes Desoxidationsmittel, hervorragender Entgaser und Desulfator. In einigen Fällen werden seltene Erden legiert ... legierter Stahl. Chrom-Nickel-Stähle sind schwer zu walzen – nur 0,03 % Mischmetall erhöhen die Duktilität dieses Stahls erheblich. Dies erleichtert das Walzen, Schmieden und Schneiden von Metall.
In die Zusammensetzung von Leichtmetalllegierungen werden auch Seltenerdelemente eingebracht. Bekannt ist beispielsweise eine hitzebeständige Aluminiumlegierung mit 11 % Mischmetall. Durch Zusätze von Lanthan, Cer, Neodym und Praseodym konnte die Erweichungstemperatur von Magnesiumlegierungen um mehr als das Dreifache erhöht und gleichzeitig deren Korrosionsbeständigkeit erhöht werden. Danach begann man, Magnesiumlegierungen mit Seltenerdelementen zur Herstellung von Teilen für Überschallflugzeuge und Hüllen künstlicher Erdsatelliten zu verwenden.
Seltenerdzusätze verbessern die Eigenschaften anderer wichtiger Metalle – Kupfer, Chrom, Vanadium, Titan... Es ist nicht verwunderlich, dass Metallurgen jedes Jahr immer mehr Seltenerdmetalle verwenden.
Lanthan und seine Analoga haben auch in anderen Bereichen der modernen Technologie Anwendung gefunden. In der Chemie- und Erdölindustrie wirken sie (und ihre Verbindungen) als wirksame Katalysatoren, in der Glasindustrie als Farbstoffe und als Stoffe, die Glas bestimmte Eigenschaften verleihen. Der Einsatz von Lanthaniden in der Kerntechnik und verwandten Industrien ist vielfältig. Aber mehr dazu später in den Abschnitten, die den einzelnen Lanthanoiden gewidmet sind. Wir möchten nur darauf hinweisen, dass auch künstlich hergestelltes Promethium Anwendung gefunden hat: Die Zerfallsenergie von Promethium-147 wird in elektrischen Atombatterien genutzt. Mit einem Wort: Die Zeit der Arbeitslosigkeit bei den Seltenen Erden ist längst und unwiderruflich zu Ende.
Man sollte jedoch nicht davon ausgehen, dass alle Probleme, die mit dem „Knoten“ im Periodensystem zusammenhängen, bereits gelöst sind. Heutzutage sind die Worte von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew über „Seltene Erden“ besonders relevant: „Hier hat sich in den letzten Jahren viel Neues angesammelt“... Allerdings können nur Amateure davon ausgehen, dass alles und jeder bekannt ist, dass die Seltenen Erden Das Thema hat sich erschöpft. Experten hingegen sind zuversichtlich, dass das Wissen über Lanthan und sein Team gerade erst am Anfang steht und dass diese Elemente die wissenschaftliche Welt mehr als einmal überraschen werden. Oder vielleicht – nicht nur wissenschaftlich.
REAKTORGIFT. Natürliches Lanthan besteht aus zwei Isotopen mit den Massenzahlen 138 und 139, wobei das erste (sein Anteil beträgt nur 0,089 %) radioaktiv ist. Es zerfällt durch K-Einfang mit einer Halbwertszeit von 3,2–10 Jahren. Das Isotop Lantai-139 ist stabil. Es entsteht übrigens in Kernreaktoren beim Zerfall von Uran (6,3 % der Masse aller Fragmente). Dieses Isotop gilt als Reaktorgift, da es recht aktiv thermische Neutronen einfängt, was auch für Lanthaniden typisch ist. Von den künstlichen Isotopen von Lanthan ist Lanthan-140 mit einer Halbwertszeit von 40,22 Stunden das interessanteste. Dieses Isotop wird als radioaktiver Tracer bei der Untersuchung der Prozesse der Trennung von Lanthan und Lanthanoiden verwendet.
WELCHE DER DREI? Die auf Lanthan folgenden Elemente werden seltene Erden oder Lanthanide oder Lanthanoide genannt. Welcher dieser Namen ist am berechtigtsten? Der Begriff „Seltene Erden“ tauchte im 18. Jahrhundert auf. Jetzt wird es als Oxide von Scandium, Yttrium, Lanthan und seinen Analoga klassifiziert; Ursprünglich hatte dieser Begriff eine weiter gefasste Bedeutung. Mit „Erden“ waren im Allgemeinen alle hochschmelzenden Metalloxide gemeint. Dies gilt für Elemente mit den Ordnungszahlen 57 bis 71: Der Schmelzpunkt von Na33 liegt bei etwa 2600 °C. In ihrer reinen Form sind viele dieser „Erden“ bis heute selten. Über die Seltenheit seltener Erdelemente in der Erdkruste muss aber nicht mehr gesprochen werden...
Der Begriff „Lanthanide“ wurde eingeführt, um zu zeigen, dass die nächsten vierzehn Elemente nach Lanthan kommen. Aber mit gleichem Erfolg kann Fluor als Oxygenid (oder Oxid) bezeichnet werden – es folgt Sauerstoff, und Chlor – ein Sulfid... Aber die Chemie beschäftigt sich seit langem mit den Konzepten „Sulfid“, „Phosphid“, „Hydrid“. „“, „Chlorid“ usw. mit unterschiedlicher Bedeutung. Daher halten die meisten Wissenschaftler den Begriff „Lanthanoide“ für erfolglos und verwenden ihn immer seltener.
„Lanthanoide“ ist berechtigter. Die Endung „oid“ weist auf Ähnlichkeit hin. „Lanthanoide“ bedeutet „lanthanähnlich“. Anscheinend sollte dieser Begriff zur Bezeichnung von 14 Elementen verwendet werden – Analoga von Lanthan.

"NEUE GESCHICHTE". In der Geschichte von Lanthan und Lanthanoiden lassen sich zwei Zeiträume unterscheiden, die besonders reich an Entdeckungen und Auseinandersetzungen sind. Die erste davon geht auf das Ende des 19. Jahrhunderts zurück, als Lanthanoide so oft entdeckt und „geschlossen“ wurden, dass sie schließlich entdeckt wurden
es wurde nicht einmal interessant... Die zweite turbulente Zeit waren die 50er Jahre des 20. Jahrhunderts, als die Entwicklung der Nukleartechnologie zur Gewinnung großer Mengen seltener Erdrohstoffe beitrug und neue Forschungen auf diesem Gebiet anregte. Damals entstand die Tendenz, Seltenerdelemente nicht im Gemisch, sondern jeweils einzeln unter Ausnutzung ihrer spezifischen Eigenschaften zu gewinnen und zu nutzen. Es ist kein Zufall, dass im Laufe von 15 Jahren (von 1944 bis 1958) die Zahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu Lanthaniden um das 7,6-fache und für einige einzelne Elemente sogar noch mehr zunahm: für Holmium beispielsweise um 24 und für Thulium um 45 mal!
ALS STÄRKE MASKIEREN. Eine der Verbindungen von Lanthan, sein basisches Acetat, verhält sich wie Stärke, wenn ihm Jod zugesetzt wird. Das weiße Gel nimmt eine leuchtend blaue Farbe an. Analysten nutzen diese Eigenschaft manchmal, um Lanthan in Mischungen und Lösungen zu entdecken.
BIVALENT IST NUR FORMAL. Es wurde festgestellt, dass Lanthan in allen Verbindungen die gleiche Wertigkeit aufweist – 3+. Doch wie lässt sich dann die Existenz des grauschwarzen Dihydrids LaH2 und des gelben Sulfids LaS erklären? Es wurde festgestellt, dass LaH 2 ein relativ stabiles Zwischenprodukt der Reaktion zur Bildung von LaH3 ist und dass Lanthan in beiden Hydriden dreiwertig ist. Das Dihydridmolekül enthält eine metallische La-La-Bindung. Mit Sulfid lässt sich alles noch einfacher erklären. Diese Substanz weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, was auf das Vorhandensein von La3+-Ionen und freien Elektronen in ihr schließen lässt. La I 2 leitet übrigens auch den Strom gut, während LaH3 ein Halbleiter ist.

Das Wichtigste an Element 57 ist natürlich, dass es eine Reihe von 14 Lanthanoiden anführt – Elemente mit äußerst ähnlichen Eigenschaften. Lanthan und Lanthanoide kommen immer zusammen vor: in Mineralien, unserer Meinung nach, in Metall. Auf der Weltausstellung in Paris im Jahr 1900 wurden erstmals Proben einiger vermutlich reiner Lanthanoide gezeigt. Aber es besteht kein Zweifel, dass jede Probe, unabhängig von der Bezeichnung, Lanthan, Cer, Neodym und Praseodym sowie die seltensten Lanthanoide enthielt – Thulium, Holmium, Lutetium. Das seltenste, mit Ausnahme des „ausgestorbenen“ und in Kernreaktionen neu geschaffenen Elements Nr. 61 – Promethium. Wenn Promethium jedoch stabile Isotope hätte, wäre es auch in jeder Probe eines Seltenerdelements vorhanden.

Erst in den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ein Niveau erreicht, auf dem die Menschheit die individuellen Eigenschaften jedes (oder fast jedes) Lanthanoids nutzen konnte, obwohl Mischmetall nach wie vor „natürlich“ ist und eine Lanthanlegierung enthält und Lanthanoide... Daher wäre es logisch, nur die Hälfte dieser Geschichte direkt dem Element Nr. 57 zu widmen und die andere Hälfte dem Seltenerd-„Team“ als Ganzes*. Natürlich verdient jedes der Lanthaniden – als chemisches Individuum – eine eigenständige Geschichte; hier - über ihren „Anführer“ und was sie alle gemeinsam haben.

* Zu den Seltenerdelementen zählen neben Lanthan und Lanthaniden auch Scandium und Yttrium.

Lanthan ohne Lanthanide

So traurig es auch ist, zuzugeben, der Held unserer Geschichte ist ein ganz gewöhnlicher Mensch. Dies ist ein Metall mit gewöhnlichem Aussehen (silberweiß, bedeckt mit einem gräulichen Oxidfilm) und physikalischen Eigenschaften: Schmelzpunkt 920, Siedepunkt 3469 ° C; In Bezug auf Festigkeit, Härte, elektrische Leitfähigkeit und andere Eigenschaften liegt das Metall Lanthan stets im Mittelfeld. Lanthan ist auch in seinen chemischen Eigenschaften weit verbreitet. In trockener Luft verändert es sich nicht – der Oxidfilm schützt zuverlässig vor Oxidation in der Masse. Wenn die Luft jedoch feucht ist (und unter normalen terrestrischen Bedingungen ist sie fast immer feucht), oxidiert das Metall Lanthan allmählich zu Hydroxid. La(OH) 3 ist eine Base mittlerer Stärke, was wiederum charakteristisch für ein „durchschnittliches“ Metall ist.

Was lässt sich noch über die chemischen Eigenschaften von Lanthan sagen? In Sauerstoff brennt es beim Erhitzen auf 450 °C mit heller Flamme (und es wird ziemlich viel Wärme freigesetzt). Wird es in einer Stickstoffatmosphäre gezündet, entsteht schwarzes Nitrid. In Chlor entzündet sich Lanthan bei Raumtemperatur, reagiert jedoch nur beim Erhitzen mit Brom und Jod. Es löst sich gut in Mineralsäuren und reagiert nicht mit alkalischen Lösungen. Lanthan weist in allen Verbindungen eine Wertigkeit von 3+ auf. Mit einem Wort: Ein Metall ist wie ein Metall – sowohl in seinen physikalischen als auch in seinen chemischen Eigenschaften.

Das vielleicht einzige Unterscheidungsmerkmal von Lanthan ist die Art seiner Wechselwirkung mit Wasserstoff. Die Reaktion zwischen ihnen beginnt bei Raumtemperatur und verläuft unter Wärmeabgabe. Es entstehen Hydride unterschiedlicher Zusammensetzung, da Lanthan gleichzeitig Wasserstoff aufnimmt – und zwar umso intensiver, je höher die Temperatur ist.

Lanthaniden interagieren auch mit Wasserstoff. Eines davon, Cer, wird sogar als Gasabsorber in der elektrischen Vakuumindustrie und Metallurgie verwendet.

Hier kommen wir zu einem der wichtigen Teile unserer Geschichte, zum Thema „Lanthan und Cer“ und damit verbunden – zur Geschichte von Lanthan.

In Bezug auf die Verbreitung in der Natur, den Produktionsumfang und die Breite der Verwendung ist Lanthan seinem nächsten Analogon – dem ersten Lanthanoid – unterlegen. „Der Vorfahre“ und immer der Zweite, das ist die Stellung von Lanthan in seiner Familie. Und als man begann, die Seltenerdelemente auf der Grundlage der Gesamtheit ihrer Eigenschaften in zwei Untergruppen zu unterteilen, wurde Lanthan einer Untergruppe zugeordnet, deren Name zu Ehren von Cer vergeben wurde... Und Lanthan wurde nach Cer als Verunreinigung von Cer entdeckt. im Mineral Cerit. Das ist die Geschichte, die Geschichte über Lehrer und Schüler.

Im Jahr 1803 untersuchte der 24-jährige schwedische Chemiker Jene Jakob Berzelius zusammen mit seinem Lehrer Hisinger das Mineral, das heute als Cerit bekannt ist. In diesem Mineral wurden die 1794 von Gadolin entdeckte Yttriumerde und eine weitere seltene Erde, die Yttrium sehr ähnlich ist, entdeckt. Es wurde Cer genannt. Fast zeitgleich mit Berzelius wurde Cererde vom berühmten deutschen Chemiker Martin Klaproth entdeckt.

Berzelius beschäftigte sich viele Jahre später erneut mit dieser Substanz, bereits ein bedeutender Wissenschaftler. Im Jahr 1826 untersuchte Karl Mozander, ein Student, Assistent und einer von Berzelius‘ engen Freunden, Cererde und kam zu dem Schluss, dass sie heterogen sei und neben Cer ein weiteres und vielleicht mehr als ein neues Element enthielt. Aber um diese Annahme zu überprüfen, war eine Menge Gewissheit nötig. Mozander gelang es erst 1839, die Komplexität von Cererde nachzuweisen.

Interessanterweise fand ein unter Chemikern unbekannter Student Erdmann ein Jahr zuvor in Norwegen ein neues Mineral und nannte es zu Ehren seines Lehrers Mozander – Mozanderit. Aus diesem Mineral wurden auch zwei seltene Erden, Cer und Nova, isoliert.

Das in Cerit und Mozanderit entdeckte neue Element wurde auf Vorschlag von Berzelius Lanthan genannt. Der Name ist ein Hinweis: Er kommt vom griechischen λανθανειν – verstecken, vergessen werden. Das in Cerit enthaltene Lanthan wurde 36 Jahre lang erfolgreich vor Chemikern versteckt!

Lange Zeit glaubte man, Lanthan sei zweiwertig, ein Analogon von Calcium und anderen Erdalkalimetallen und habe ein Atomgewicht von 90...94. An der Richtigkeit dieser Zahlen gab es bis 1869 keinen Zweifel. Mendelejew erkannte, dass in Gruppe II des Periodensystems kein Platz für Seltenerdelemente war, und ordnete sie der Gruppe III zu, wobei er Lanthan ein Atomgewicht von 138...139 zuwies . Doch die Rechtmäßigkeit eines solchen Schritts musste noch bewiesen werden. Mendelejew untersuchte die Wärmekapazität von Lanthan. Der von ihm erhaltene Wert zeigte direkt an, dass dieses Element dreiwertig sein sollte ...

Lanthanmetall, natürlich alles andere als rein, wurde zuerst von Mozander durch Erhitzen von Lanthanchlorid mit Kalium gewonnen.

Heutzutage wird Lanthan mit einer Reinheit von über 99 % im industriellen Maßstab hergestellt. Sehen wir uns an, wie das geht, aber machen wir uns zunächst mit den Hauptmineralien von Lanthan und den ersten Phasen des komplexesten Prozesses zur Trennung von Seltenerdelementen vertraut.

Es wurde bereits erwähnt, dass Lanthan und Lanthanoide in Mineralien stets einander begleiten. Es gibt ausgewählte Mineralien, bei denen der Anteil des einen oder anderen Seltenerdelements größer als üblich ist. Aber es gibt keine reinen Lanthan- oder reinen Cer-Mineralien, ganz zu schweigen von anderen Lanthanoiden. Ein Beispiel für ein selektives Lanthanmineral ist Davidit, das bis zu 8,3 % La 2 O 3 und nur 1,3 % Ceroxid enthält. Lanthan wird jedoch hauptsächlich aus Monazit und Bastnäsit sowie Cer und allen anderen Elementen der Cer-Untergruppe gewonnen.

Monazit ist ein schweres, glänzendes Mineral, meist gelbbraun, manchmal aber auch in anderen Farben, da sich seine Zusammensetzung in der Konsistenz nicht unterscheidet. Am genauesten wird seine Zusammensetzung durch diese seltsame Formel beschrieben: (REE)PO 4. Das bedeutet, dass Monazit ein Phosphat seltener Erdelemente (REE) ist. Typischerweise enthält Monazit 50 bis 68 % REE-Oxide und 22 bis 31,5 % P 2 O 5. Es enthält außerdem bis zu 7 % Zirkoniumdioxid, durchschnittlich 10 % Thoriumdioxid und 0,1...0,3 % Uran. Diese Zahlen zeigen deutlich, warum die Wege der Seltenerd- und Atomindustrie so eng miteinander verflochten sind.

Ende des letzten Jahrhunderts wurden gemischte Seltenerdmetalle (Mischmetall) und eine Mischung ihrer Oxide verwendet, und zu Beginn dieses Jahrhunderts wurde in diesem Zusammenhang ein herausragendes Beispiel für internationalen Diebstahl nachgewiesen. Deutsche Schiffe, die Fracht nach Brasilien lieferten und sich auf die Rückreise vorbereiteten, füllten ihre Laderäume mit Sand von den Stränden der Atlantikküste dieses Landes und von bestimmten Orten. Die Kapitäne gaben an, dass der Sand lediglich Ballast sei, der für eine größere Stabilität des Schiffes notwendig sei. In Wirklichkeit stahlen sie im Auftrag deutscher Industrieller wertvolle mineralische Rohstoffe – den Küstensand des Bundesstaates Espírito Santo, reich an Monazit...

Monazitseifen sind entlang der Ufer von Flüssen, Seen und Meeren auf allen Kontinenten verbreitet. Zu Beginn des Jahrhunderts (Daten für 1909) stammten 92 % der weltweiten Produktion von Seltenerdrohstoffen, vor allem Monazit, aus Brasilien. Zehn Jahre später verlagerte sich der Schwerpunkt Tausende Kilometer nach Osten (oder Westen, je nachdem, wie man es zählt) – nach Indien. Nach 1950 wurden die Vereinigten Staaten aufgrund der Entwicklung der Atomindustrie zum Hegemon unter den kapitalistischen Ländern bei der Gewinnung und Verarbeitung seltener Erdrohstoffe.

Natürlich mussten unser Land und andere Länder der sozialistischen Gemeinschaft ihre Industrie für seltene Erden entwickeln und ihre Rohstoffe finden.

Verfolgen wir allgemein den Weg vom Monazitsand zum Lanthan.

Obwohl der Sand Monazitsand genannt wird, enthält er nicht viel Monazit – nur den Bruchteil eines Prozents. In den berühmten Monazit-Separatoren von Idaho (USA) enthält beispielsweise eine Tonne Sand nur 330 g Monazit. Daher wird zunächst Monazitkonzentrat gewonnen.

Die erste Konzentrationsstufe findet bereits auf dem Bagger statt. Die Dichte von Monazit beträgt 4,9...5,3 und die von gewöhnlichem Sand durchschnittlich 2,7 g/cm3. Bei einem solchen Gewichtsunterschied ist die Schwerkrafttrennung nicht besonders schwierig. Aber neben Monazit enthalten dieselben Sande noch andere Schwermineralien. Um ein Monazitkonzentrat mit einer Reinheit von 92...96 % zu erhalten, wird daher ein Komplex aus gravitativen, magnetischen und elektrostatischen Anreicherungsmethoden eingesetzt. Dadurch werden unterwegs Ilmenit, Rutil, Zirkon und andere wertvolle Konzentrate gewonnen.

Wie jedes Mineral muss Monazit „geöffnet“ werden. Am häufigsten wird Monazitkonzentrat mit konzentrierter Schwefelsäure* behandelt. Die resultierenden Sulfate der Seltenerdelemente und des Thoriums werden mit normalem Wasser ausgelaugt. Nachdem sie in Lösung gegangen sind, verbleiben Kieselsäure und der Teil des Zirkons, der in den vorherigen Stufen nicht abgetrennt wurde, im Sediment.

* Die alkalische Methode zum Öffnen von Monazit ist ebenfalls üblich.

Im nächsten Schritt der Trennung wird das kurzlebige Mesothorium (Radium-228) extrahiert und dann das Thorium selbst – manchmal zusammen mit Cer, manchmal separat. Die Trennung von Cer von Lanthan und einer Mischung von Lanthaniden ist nicht besonders schwierig: Im Gegensatz zu diesen kann es eine Wertigkeit von 4+ aufweisen und in Form des Hydroxids Ce(OH) 4 ausfallen, während seine dreiwertigen Analoga in Lösung bleiben. Beachten wir nur, dass der Vorgang der Cer-Abtrennung, wie die vorherigen, viele Male durchgeführt wird – um das teure Seltenerdkonzentrat möglichst vollständig „herauszudrücken“.

Nachdem Cer isoliert wurde, enthält die Lösung das meiste Lanthan (in Form von La(NO 3) 3-Nitrat, da in einer der Zwischenstufen Schwefelsäure durch Salpetersäure ersetzt wurde, um die weitere Trennung zu erleichtern). Aus dieser Lösung wird durch Zugabe von Ammoniak, Ammonium- und Cadmiumnitraten Lanthan gewonnen. In Gegenwart von Cd(NO 3) 2 ist die Trennung vollständiger. Mit Hilfe dieser Stoffe werden alle Lanthanoide ausgefällt, sodass im Filtrat nur noch Cadmium und Lanthan zurückbleiben. Cadmium wird mit Schwefelwasserstoff ausgefällt, der Niederschlag abgetrennt und die Lanthannitratlösung noch mehrmals durch fraktionierte Kristallisation gereinigt, um Lanthanoidverunreinigungen zu entfernen.

Das Endergebnis ist normalerweise Lanthanchlorid LaCl 3 . Durch Elektrolyse von geschmolzenem Chlorid entsteht Lanthan mit einer Reinheit von bis zu 99,5 %. Noch reineres Lanthan (99,79 % und höher) wird durch das Calcium-Thermal-Verfahren gewonnen. Dies ist die klassische traditionelle Technologie.

Wie Sie sehen, ist die Gewinnung von elementarem Lanthan eine komplexe Angelegenheit.

Die Trennung der Lanthanoide – von Praseodym bis Lutetium – erfordert noch mehr Aufwand und Geld, und natürlich auch Zeit. Daher haben Chemiker und Technologen aus vielen Ländern der Welt in den letzten Jahrzehnten versucht, neue, fortschrittlichere Methoden zur Trennung dieser Elemente zu entwickeln. Solche Methoden – Extraktion und Ionenaustausch – wurden entwickelt und in die Industrie eingeführt. Bereits in den frühen 60er Jahren wurde in Anlagen, die nach dem Ionenaustauschprinzip arbeiteten, eine 95-prozentige Ausbeute an Seltenerdprodukten mit einer Reinheit von bis zu 99,9 % erreicht.

Bis 1965 konnten die Außenhandelsorganisationen unseres Landes den Käufern alle Lanthanide in Form von Metallen mit einer Reinheit von mehr als 99 % anbieten. Neben Promethium natürlich, obwohl auch radioaktive Präparate dieses Elements – Produkte des nuklearen Zerfalls von Uran – gut zugänglich geworden sind.

Die Kataloge von Techsnabexport umfassen außerdem etwa 300 chemisch reine und hochreine Verbindungen von Lanthan und Lanthaniden. Dies ist ein Beweis für den hohen Entwicklungsstand der sowjetischen Seltenerdindustrie.

Aber kommen wir zurück zu Lanthan.

Kurz über die Verwendung von Lanthan und seinen Verbindungen

Reines Lanthan wird fast nie als Legierungsmetall verwendet; es werden billigere und leichter zugängliche Cer- oder Mischmetalle verwendet – die Legierungswirkung von Lanthan und Lanthaniden ist nahezu gleich.

Es wurde oben erwähnt, dass Lanthan manchmal durch Extraktion aus einem Gemisch extrahiert wird, wobei die unterschiedliche Löslichkeit bestimmter (hauptsächlich komplexer) Verbindungen von Seltenerdelementen in organischen Lösungsmitteln genutzt wird. Es kommt jedoch vor, dass Element Nr. 57 selbst als Extraktionsmittel verwendet wird. Geschmolzenes Lanthan wird zur Gewinnung von Plutonium aus flüssigem Uran verwendet. Hier liegt ein weiterer Berührungspunkt zwischen der Atom- und der Seltenerdindustrie.

Lanthanoxid La 2 O 3 wird viel häufiger verwendet. Dieses weiße, amorphe Pulver, unlöslich in Wasser, aber löslich in Säuren, wurde zu einem wichtigen Bestandteil optischer Gläser. Fotoobjektive der bekannten Firma Kodak enthalten 20 bis 40 % La 2 O 3. Dank Lanthanzusätzen konnte die Größe des Objektivs bei gleichem Öffnungsverhältnis reduziert und die Qualität der Farbfotografie deutlich verbessert werden. Es ist bekannt, dass während des Zweiten Weltkriegs Lanthangläser in feldoptischen Instrumenten verwendet wurden. Auch die besten heimischen Fotoobjektive, zum Beispiel „Industar-61LZ“, bestehen aus Lanthanglas, und eine unserer besten Amateurfilmkameras heißt „Lanthan“... Neuerdings wird Lanthanglas auch bei der Herstellung von Laborglaswaren verwendet . Lanthanoxid verleiht Glas nicht nur wertvolle optische Eigenschaften, sondern auch eine höhere Hitzebeständigkeit und Säurebeständigkeit.

Das ist vielleicht das Wichtigste, was man über Lanthan ohne Lanthanoide sagen kann, obwohl es an manchen Stellen unmöglich war, nicht vom „Ohne“-Prinzip abzuweichen ...

Lantan und sein Team

Der Vergleich von Lanthan und Lanthanoiden mit einer Sportmannschaft mag für manche weit hergeholt erscheinen. Allerdings ist dieser Vergleich nicht aufrührerischer als so bekannte Definitionen wie „Lanthanidenfamilie“ oder „chemische Zwillinge“. Urteilen Sie selbst: Lantan und sein Team haben eine einheitliche Uniform (silber-weiß) und wie Hockeyspieler verfügen sie alle über Schutzausrüstung (aus Oxidfolien). Alle sind von Natur aus mit annähernd gleichen Mengen ausgestattet (die Ähnlichkeiten sind extrem groß), aber wie im Sport werden „Fähigkeiten“ aus verschiedenen Gründen nicht in gleichem Maße umgesetzt: Manche „spielen“ besser, andere schlechter. Und natürlich hat jedes Mitglied dieser Gruppe seine Lieblings-„Finten“ und „Techniken“ – zum Beispiel Gadolinium-Ferromagnetismus.

Und von den chemischen Eigenschaften her sind die Lanthaniden noch immer keine Zwillinge – sonst wäre eine Trennung nicht möglich gewesen. Wie eine gute Sportmannschaft sind sie im Wesentlichen einig und im Einzelnen individuell. Was die Teilnehmerzahl angeht, gibt es bei verschiedenen Spielen unterschiedliche Spielerzahlen, 14 liegt im Normalbereich...

Zwar gab es eine Zeit, in der fast fünfzig Kandidaten für dieses „Team“ empfohlen wurden. Die Zahl der entdeckten lanthanähnlichen Elemente wuchs mit katastrophaler Geschwindigkeit. Zusammengestellt von Professor N.A. Figurovs Liste der fälschlicherweise entdeckten Elemente enthält die größte Anzahl falscher Lanthanoide. Selbst große Wissenschaftler konnten Fehler nicht vermeiden – Mozander, Lecoq de Boisbaudran, Auer von Welsbach, Crookes, Urbain.

Die nichtperiodischen Eigenschaften von Lanthan und seinem Team, die aus der strengen Reihenfolge des Periodensystems herausfielen, bereiteten Mendelejew Probleme. Aber mit der Zeit wurde alles gelöst. Es war Boguslav Franzevich Brauner, Professor an der Universität Prag, der als erster vorschlug, die Lanthaniden außerhalb des Hauptteils der Tabelle zu verlegen.

„Man muss so ein Experte für „Seltene Erden“ sein wie B.F. Brauner, um dieses komplexe, schwierige und noch kaum abgeschlossene Thema zu verstehen, bei dem die Überprüfung nicht nur durch die Originalität und Ähnlichkeit vieler Ausgangsbeziehungen, sondern auch durch die Schwierigkeiten bei der Gewinnung des natürlichen Materials selbst erschwert wird“, schrieb Mendelejew 1902.

„Was die Systematik der Seltenerdelemente und ihren Platz im Periodensystem angeht, können wir derzeit mit Sicherheit davon ausgehen, dass sich Scandium, Yttrium und Lanthan in den geraden Reihen der Gruppe III befinden, wie sich aus ihren Atomgewichten und ihrem Volumen ergibt.“ Oxide... Andere Seltenerdelemente bilden wahrscheinlich eine interperiodische Gruppe oder einen Knoten im System, wo sie in ihren Atomgewichten aufeinander folgen.“ Dies sind Brauners Worte aus dem Artikel „Elemente seltener Erden“, der für die vorletzte Lebensausgabe (1903) von Mendelejews „Grundlagen der Chemie“ geschrieben wurde.

Erst nachdem das Periodensystem auf einem neuen, physikalisch genaueren Kriterium basiert – der Ladung des Atomkerns – konnte der „Knoten im System“ endlich gelöst werden. Dann wurde klar, dass nur 15 Elemente zwischen Lanthan und Tantal passen und letzteres ein Analogon von Zirkonium sein sollte. Dieses Element, Hafnium, wurde 1923 von Coster und Hevosi entdeckt.

Das letzte (nach Ordnungszahl) Lanthanoid, Lutetium, wurde früher entdeckt – im Jahr 1907.

Es liegt nahe, nach den Gründen für die gemeinsamen Eigenschaften von Lanthan und Lanthanoiden in der Struktur der elektronischen Hüllen ihrer Atome zu suchen.

Nach den Gesetzen der Quantenmechanik können Elektronen auf keiner Umlaufbahn um Kerne rotieren. Sie scheinen auf Schichten – Schalen – verteilt zu sein. Die Kapazität dieser Schalen, die maximale Anzahl an Elektronen in ihnen, wird durch die Formel bestimmt n e = 2N 2 wo n e– Anzahl der Elektronen, a N– Schalennummer, gezählt vom Kern. Daraus folgt, dass die erste Schale nur zwei Elektronen haben kann, die zweite – acht, die dritte – achtzehn, die vierte – zweiunddreißig usw.

Bereits in der vierten Periode des Periodensystems, beginnend mit Scandium, fallen die „sequentiellen“ Elektronen nicht in die äußere vierte Schicht, sondern in die vorherige. Aus diesem Grund ist der Unterschied in den Eigenschaften von Elementen mit Ordnungszahlen von 12 bis 30 nicht so dramatisch wie bei leichteren Elementen. Ein ähnliches Bild zeigt sich in der fünften Periode. Und hier füllen neue Elektronen, beginnend mit Yttrium, nicht die fünfte, sondern die vorletzte, vierte Schale – eine weitere Reihe sogenannter Übergangsmetalle entsteht.

Reis. 3. Atomvolumenkurve von Seltenerdelementen. Es hat zwei Maxima, die von Elementen mit einer Wertigkeit von 2+ gebildet werden; Im Gegensatz dazu haben Elemente, die vierwertig sein können, minimale Atomvolumina

Überträgt man diese Analogie auf die sechste Periode, wäre es logisch anzunehmen, dass ausgehend von Lanthan (es ist ein Analogon von Scandium und Yttrium) auch hier dasselbe passieren wird. Elektronen füllen hier jedoch, ungeachtet unserer Logik, nicht die vorletzte Schale, sondern die dritte von außen, da sich darauf Leerstellen befinden. Nach der Formel n e = 2N 2 kann diese Schale – die vierte vom Kern – 32 Elektronen haben. Mit seltenen Ausnahmen landen hier die „neuen“ Elektronen der nächsten Lanthaniden. Und da die chemischen Eigenschaften eines Elements in erster Linie durch die Struktur der äußeren Elektronenhüllen bestimmt werden, liegen die Eigenschaften von Lanthaniden noch näher beieinander als die Eigenschaften von Übergangsmetallen.

Wie es sich für Elemente der Gruppe III gehört, sind Lanthanoide normalerweise dreiwertig. Einige von ihnen können jedoch eine andere Wertigkeit aufweisen: Cer, Praseodym und Terbium – 4+; Samarium, Europium und Ytterbium – 2+.

Die anomalen Wertigkeiten von Lanthanoiden wurden vom deutschen Chemiker Wilhelm Klemm untersucht und erklärt. Mithilfe von Röntgenspektren bestimmte er die Hauptparameter ihrer Kristalle und Atomvolumina. Die Atomvolumenkurve zeigt deutlich ausgeprägte Maxima (Europium, Ytterbium) und weniger ausgeprägte Minima (Cer, Terbium). Auch Praseodym und Samarium fallen, wenn auch nicht so stark, aus der Reihe heraus, die durch eine sanft abfallende Kurve definiert wird. Daher tendiert ersteres zu kleinvolumigem Cer und Terbium und das zweite zu großvolumigem Europium und Ytterbium. Elemente mit größerem Atomvolumen halten Elektronen fester und sind daher nur dreiwertig oder sogar zweiwertig. Bei „kleinvolumigen“ Atomen hingegen ist eines der „inneren“ Elektronen nicht fest in der Hülle eingeschlossen – daher können die Atome von Cer, Praseodym und Terbium vierwertig sein.

Klemms Arbeiten liefern auch eine physikalische Grundlage für die seit langem etablierte Einteilung der Seltenerdelemente in zwei Untergruppen – Cer und Yttrium. Die erste umfasst Lanthan und Lanthanide von Cer bis Gadolinium, die zweite umfasst Yttrium und Lanthanide von Terbium bis Lutetium. Der Unterschied zwischen den Elementen dieser beiden Gruppen besteht in der Richtung der Spins der Elektronen, die die vierte Schale, die Hauptschale der Lanthaniden, füllen.

Die Spins – der Eigendrehimpuls der Elektronen – haben für erstere das gleiche Vorzeichen; Im letzteren Fall hat die Hälfte der Elektronen Spins mit einem Vorzeichen und die andere Hälfte mit Spins mit einem anderen Vorzeichen.

Aber genug von Anomalien, die nur mit der Quantenmechanik erklärt werden können, kommen wir zurück zu den Gesetzen.

Auch bei Lanthanoiden wirken die Muster manchmal unlogisch. Ein Beispiel hierfür ist die Lanthanoidkompression.

Als Lanthanoidkompression bezeichnet man die vom norwegischen Geochemiker Goldschmidt entdeckte natürliche Verkleinerung des dreiwertigen Ions der Seltenerdelemente von Lanthan zu Lutetium. Es scheint, dass alles umgekehrt sein sollte: Im Kern eines Ceratoms gibt es ein Proton mehr als im Kern eines Lanthanatoms; Der Praseodymkern ist größer als der Cerkern und so weiter. Dementsprechend nimmt die Zahl der um den Kern rotierenden Elektronen zu. Und wenn man sich das Atom so vorstellt, wie es normalerweise in Diagrammen gezeichnet wird – in Form einer kleinen Scheibe, umgeben von langgestreckten Bahnen unsichtbarer Elektronen, Bahnen unterschiedlicher Größe, dann sollte der Gewinn der Elektronen offensichtlich die Größe des Atoms als Ganzes erhöhen . Oder wenn wir die äußeren Elektronen verwerfen, deren Anzahl möglicherweise nicht gleich ist, sollte das gleiche Muster bei der Größe der dreiwertigen Lanthanionen und ihres Teams beobachtet werden.

Der wahre Sachverhalt wird durch das Lanthanoid-Kompressionsdiagramm veranschaulicht. Der Radius des dreiwertigen Lanthan-Ions beträgt 1,22 Å und das gleiche Lutetium-Ion beträgt nur 0,99 Å. Es ist nicht alles logisch, sondern genau das Gegenteil. Allerdings ist es auch ohne Quantenmechanik nicht schwer, der physikalischen Bedeutung des Phänomens der Lanthanoidkompression auf den Grund zu gehen; man muss sich lediglich die Grundgesetze des Elektromagnetismus merken.

Die Ladung des Kerns und die Anzahl der ihn umgebenden Elektronen wachsen parallel. Auch die Anziehungskraft zwischen ungleichen Ladungen nimmt zu; Ein schwererer Kern zieht Elektronen stärker an und verkürzt ihre Umlaufbahnen. Und da die tiefen Bahnen der Lanthanoidatome am stärksten mit Elektronen gesättigt sind, hat die elektrische Anziehung einen noch stärkeren Effekt.

Die Nähe von Ionenradien und gemeinsamen chemischen Eigenschaften sind die Hauptgründe für das gemeinsame Vorkommen von Lanthaniden in Mineralien.

Über Seltenerdmineralien

Der wichtigste, Monazit, ist oben beschrieben. Das zweitwichtigste Seltenerdmineral, Bastnäsit, ist in vielerlei Hinsicht ähnlich. Bastnäsit ist außerdem schwer, glänzend und hat auch keine konstante Farbe (meistens hellgelb). Chemisch ähnelt es Monazit jedoch nur durch seinen hohen Gehalt an Lanthan und Lanthanoiden. Wenn Monazit ein Phosphat ist, dann ist Bastnäsit ein Seltenerdfluorcarbonat, dessen Zusammensetzung normalerweise wie folgt geschrieben wird: (La, Ce)FCO 3. Aber wie so oft spiegelt die Formel eines Minerals seine Zusammensetzung nicht vollständig wider. In diesem Fall sind nur die Hauptbestandteile angegeben: Bastnäsit enthält 36,9...40,5 % Ceroxid und fast die gleiche Menge (insgesamt) Oxide von Lanthan, Praseodym und Neodym. Aber es enthält natürlich auch andere Lanthanoide.

Neben Bastnäsit und Monazit werden, wenn auch in begrenztem Umfang, mehrere weitere Seltenerdmineralien praktisch verwendet, insbesondere Gadolinit, das bis zu 32 % Seltenerdoxide der Cer-Untergruppe und 22...50 % Yttrium enthält. In einigen Ländern werden Seltenerdmetalle durch komplexe Verarbeitung von Loparit und Apatit gewonnen.

Reis. 4. Relativer Gehalt an Lanthaniden in der Erdkruste. Muster: Gerade Zahlen kommen häufiger vor als ungerade Zahlen.

Insgesamt sind etwa 70 Seltenerdmineralien selbst bekannt und etwa 200 weitere Mineralien, in denen diese Elemente als Verunreinigungen enthalten sind. Dies deutet darauf hin, dass die „seltenen“ Erden gar nicht so selten sind und dass dieser alte gebräuchliche Name für Scandium, Yttrium und Lanthan mit Lanthanoiden nichts anderes als eine Hommage an die Vergangenheit ist. Sie sind nicht selten – in der Erde gibt es mehr Cer als Blei, und die seltensten der seltenen Erden sind in der Erdkruste viel weiter verbreitet als Quecksilber. Es geht um die Zerstreuung dieser Elemente und die Schwierigkeit, sie voneinander zu trennen. Aber natürlich sind Lanthanoide in der Natur nicht gleichmäßig verteilt. Elemente mit geraden Ordnungszahlen kommen viel häufiger vor als ihre ungeraden Nachbarn. Dieser Umstand wirkt sich natürlich auf den Produktionsumfang und die Preise für Seltenerdmetalle aus. Die am schwierigsten zu erhaltenden Lanthanoide – Terbium, Thulium, Lutetium (beachten Sie, dass es sich dabei alles um Lanthanoide mit ungeraden Ordnungszahlen handelt) – sind teurer als Gold und Platin. Und der Preis für Cer mit einer Reinheit von mehr als 99 % beträgt nur 55 Rubel pro Kilogramm (Daten aus dem Jahr 1970). Zum Vergleich weisen wir darauf hin, dass ein Kilogramm Mischmetall 6...7 Rubel kostet und Ferrocerium (10 % Eisen, 90 % Seltenerdelemente, hauptsächlich Cer) nur fünf. Der Umfang der Nutzung seltener Erdelemente ist normalerweise proportional zu den Preisen ...

Lanthanoide in der Praxis

Im Herbst 1970 traf sich der Wissenschaftliche Rat des Instituts für Mineralogie, Geochemie und Kristallchemie seltener Elemente der Akademie der Wissenschaften der UdSSR zu einer längeren Sitzung mit einer eher ungewöhnlichen Tagesordnung. Diskutiert wurden die Möglichkeiten der Seltenen Erden „im Lichte der landwirtschaftlichen Probleme“.

Die Frage nach dem Einfluss dieser Elemente auf lebende Organismen entstand nicht zufällig. Einerseits ist bekannt, dass seltene Erden häufig als Beimischung in die Zusammensetzung der für die Agrochemie wichtigsten Mineralien – Phosphorite und Apatit – einbezogen werden. Andererseits wurden Pflanzen identifiziert, die als biochemische Indikatoren für Lanthan und seine Analoga dienen können. Beispielsweise enthält die Asche der Blätter von Southern Hickory bis zu 2,5 % Seltenerdelemente. Auch in Zuckerrüben und Lupinen wurden erhöhte Konzentrationen dieser Elemente gefunden. Der Gehalt an Seltenerdelementen im Tundraboden erreicht fast 0,5 %.

Es ist unwahrscheinlich, dass diese gemeinsamen Elemente keinen Einfluss auf die Entwicklung von Pflanzen und möglicherweise auch von Organismen auf anderen Ebenen der Evolutionsleiter hatten. Bereits Mitte der 30er Jahre war der sowjetische Wissenschaftler A.A. Drobkov untersuchte den Einfluss seltener Erden auf verschiedene Pflanzen. Er experimentierte mit Erbsen, Rüben und anderen Nutzpflanzen und führte seltene Erden mit oder ohne Bor und Mangan ein. Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass seltene Erden für die normale Entwicklung von Pflanzen benötigt werden... Doch es verging ein Vierteljahrhundert, bis diese Elemente einigermaßen zugänglich wurden. Eine endgültige Antwort auf die Frage nach der biologischen Rolle von Lanthan und seinem Team muss noch gegeben werden.

Metallurgen sind in diesem Sinne den Agrochemikern deutlich voraus. Eines der bedeutendsten Ereignisse der letzten Jahrzehnte in der Eisenmetallurgie steht im Zusammenhang mit Lanthan und seinem Team.

Sphäroguss wurde üblicherweise durch Modifizierung mit Magnesium gewonnen. Die physikalische Bedeutung dieses Zusatzstoffs wird klar, wenn man bedenkt, dass Gusseisen 2...4,5 % Kohlenstoff in Form von Flockengraphit enthält, was dem Gusseisen seinen größten technischen Nachteil verleiht – die Zerbrechlichkeit. Durch die Zugabe von Magnesium verändert sich Graphit in eine gleichmäßiger verteilte Kugel- oder Kugelform im Metall. Dadurch werden das Gefüge und damit die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen deutlich verbessert. Das Legieren von Gusseisen mit Magnesium erfordert jedoch zusätzliche Kosten: Die Reaktion ist sehr heftig, geschmolzenes Metall spritzt in alle Richtungen und daher mussten für diesen Prozess spezielle Kammern gebaut werden.

Seltenerdmetalle wirken auf Gusseisen in ähnlicher Weise: Sie „entfernen“ oxidische Verunreinigungen, binden und entfernen Schwefel und fördern den Übergang von Graphit in eine kugelförmige Form. Gleichzeitig benötigen sie keine speziellen Kammern – die Reaktion verläuft ruhig. Und das Ergebnis?

Pro Tonne Gusseisen werden nur 4 kg (0,4 %) Ferrocerium-Legierung mit Magnesium hinzugefügt, und die Festigkeit von Gusseisen verdoppelt sich! In vielen Fällen kann solches Gusseisen anstelle von Stahl verwendet werden, insbesondere bei der Herstellung von Kurbelwellen. Hochfestes Gusseisen ist nicht nur 20 bis 25 % günstiger als Stahlgussteile und 3 bis 4 Mal günstiger als Stahlschmiedeteile. Es stellte sich heraus, dass die Abriebfestigkeit von Wellenzapfen aus Gusseisen 2 bis 3-mal höher war als die von Wellenzapfen aus Stahl. Kurbelwellen aus Sphäroguss werden bereits in Diesellokomotiven und anderen schweren Maschinen eingesetzt.

Verschiedenen Stahlsorten werden auch Seltenerdelemente (in Form von Mischmetall und Ferrocerium) zugesetzt. In allen Fällen wirkt dieses Additiv als starkes Desoxidationsmittel, hervorragender Entgaser und Desulfator. In einigen Fällen werden seltene Erden legiert ... legierter Stahl. Chrom-Nickel-Stähle sind schwer zu walzen – nur 0,03 % Mischmetall erhöhen die Duktilität dieses Stahls erheblich. Dies erleichtert das Walzen, Schmieden und Schneiden von Metall.

In die Zusammensetzung von Leichtmetalllegierungen werden auch Seltenerdelemente eingebracht. Bekannt ist beispielsweise eine hitzebeständige Aluminiumlegierung mit 11 % Mischmetall. Durch Zusätze von Lanthan, Cer, Neodym und Praseodym konnte die Erweichungstemperatur von Magnesiumlegierungen um mehr als das Dreifache erhöht und gleichzeitig deren Korrosionsbeständigkeit erhöht werden. Danach begann man, Magnesiumlegierungen mit Seltenerdelementen zur Herstellung von Teilen für Überschallflugzeuge und Hüllen künstlicher Erdsatelliten zu verwenden.

Seltenerdzusätze verbessern die Eigenschaften anderer wichtiger Metalle – Kupfer, Chrom, Vanadium, Titan... Es ist nicht verwunderlich, dass Metallurgen jedes Jahr immer mehr Seltenerdmetalle verwenden.

Lanthan und seine Analoga haben auch in anderen Bereichen der modernen Technologie Anwendung gefunden. In der Chemie- und Erdölindustrie wirken sie (und ihre Verbindungen) als wirksame Katalysatoren, in der Glasindustrie als Farbstoffe und als Stoffe, die Glas bestimmte Eigenschaften verleihen. Der Einsatz von Lanthaniden in der Kerntechnik und verwandten Industrien ist vielfältig. Aber mehr dazu später in den Abschnitten, die den einzelnen Lanthanoiden gewidmet sind. Wir möchten nur darauf hinweisen, dass auch künstlich hergestelltes Promethium Anwendung gefunden hat: Die Zerfallsenergie von Promethium-147 wird in elektrischen Atombatterien genutzt. Mit einem Wort: Die Zeit der Arbeitslosigkeit bei den Seltenen Erden ist längst und unwiderruflich zu Ende.

Man sollte jedoch nicht davon ausgehen, dass alle Probleme, die mit dem „Knoten“ im Periodensystem zusammenhängen, bereits gelöst sind. Heutzutage sind die Worte von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew über „Seltene Erden“ besonders relevant: „Hier hat sich in den letzten Jahren viel Neues angesammelt“... Allerdings können nur Amateure davon ausgehen, dass alles und jeder bekannt ist, dass die Seltenen Erden Das Thema hat sich erschöpft. Experten hingegen sind zuversichtlich, dass das Wissen über Lanthan und sein Team gerade erst am Anfang steht und dass diese Elemente die wissenschaftliche Welt mehr als einmal überraschen werden. Oder vielleicht – nicht nur wissenschaftlich.

Reaktorgift

Natürliches Lanthan besteht aus zwei Isotopen mit den Massenzahlen 138 und 139, wobei das erste (sein Anteil beträgt nur 0,089 %) radioaktiv ist. Es zerfällt durch K-Einfang mit einer Halbwertszeit von 3,2·10 11 Jahren. Das Isotop Lanthan-139 ist stabil. Es entsteht übrigens in Kernreaktoren beim Zerfall von Uran (6,3 % der Masse aller Fragmente). Dieses Isotop gilt als Reaktorgift, da es recht aktiv thermische Neutronen einfängt, was auch für Lanthaniden typisch ist. Von den künstlichen Isotopen von Lanthan ist Lanthan-140 mit einer Halbwertszeit von 40,22 Stunden das interessanteste. Dieses Isotop wird als radioaktiver Tracer bei der Untersuchung der Prozesse der Trennung von Lanthan und Lanthanoiden verwendet.

Welcher der drei?

Die auf Lanthan folgenden Elemente werden seltene Erden oder Lanthanide oder Lanthanoide genannt. Welcher dieser Namen ist am berechtigtsten? Der Begriff „Seltene Erden“ tauchte im 18. Jahrhundert auf. Jetzt wird es als Oxide von Scandium, Yttrium, Lanthan und seinen Analoga klassifiziert; Ursprünglich hatte dieser Begriff eine weiter gefasste Bedeutung. Mit „Erden“ waren im Allgemeinen alle hochschmelzenden Metalloxide gemeint. Dies gilt für Elemente mit den Ordnungszahlen 57 bis 71: Der Schmelzpunkt von La 2 O 3 liegt bei etwa 2600 °C. In ihrer reinen Form sind viele dieser „Länder“ bis heute selten. Über die Seltenheit seltener Erdelemente in der Erdkruste muss aber nicht mehr gesprochen werden...

Der Begriff „Lanthanide“ wurde eingeführt, um zu zeigen, dass die nächsten vierzehn Elemente nach Lanthan kommen. Aber mit gleichem Erfolg kann Fluor als Oxygenid (oder Oxid) bezeichnet werden – es folgt Sauerstoff, und Chlor – ein Sulfid... Aber die Chemie beschäftigt sich seit langem mit den Konzepten „Sulfid“, „Phosphid“, „Hydrid“. „“, „Chlorid“ usw. mit unterschiedlicher Bedeutung. Daher halten die meisten Wissenschaftler den Begriff „Lanthanoide“ für erfolglos und verwenden ihn immer seltener.

„Lanthanoide“ ist berechtigter. Die Endung „oid“ weist auf Ähnlichkeit hin. „Lanthanoide“ bedeutet „lanthanähnlich“. Anscheinend sollte dieser Begriff zur Bezeichnung von 14 Elementen verwendet werden – Analoga von Lanthan.

"Neue Geschichte"

In der Geschichte von Lanthan und Lanthanoiden lassen sich zwei Zeiträume unterscheiden, die besonders reich an Entdeckungen und Auseinandersetzungen sind. Die erste davon stammt aus dem Ende des 19. Jahrhunderts, als Lanthanoide so oft entdeckt und „geschlossen“ wurden, dass sie am Ende nicht einmal mehr interessant wurden... Die zweite turbulente Periode sind die 50er Jahre des 20. Jahrhunderts, als die Die Entwicklung der Atomtechnologie trug dazu bei, große Mengen seltener Erdrohstoffe zu gewinnen und regte neue Forschungen auf diesem Gebiet an. Damals entstand die Tendenz, Seltenerdelemente nicht im Gemisch, sondern jeweils einzeln unter Ausnutzung ihrer spezifischen Eigenschaften zu gewinnen und zu nutzen. Es ist kein Zufall, dass im Laufe von 15 Jahren (von 1944 bis 1958) die Zahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu Lanthaniden um das 7,6-fache und für einige einzelne Elemente sogar noch mehr zunahm: für Holmium beispielsweise um 24 und für Thulium um 45 mal!

Als Stärke getarnt

Eine der Lanthanverbindungen, ihr basisches Acetat, verhält sich wie Stärke, wenn ihr Jod zugesetzt wird. Das weiße Gel nimmt eine leuchtend blaue Farbe an. Analysten nutzen diese Eigenschaft manchmal, um Lanthan in Mischungen und Lösungen zu entdecken.

Zweiwertig nur formal

Es wurde festgestellt, dass Lanthan in allen Verbindungen die gleiche Wertigkeit aufweist – 3+. Doch wie lässt sich dann die Existenz des grauschwarzen Dihydrids LaH 2 und des gelben Sulfids LaS erklären? Es wurde festgestellt, dass LaH 2 ein relativ stabiles Zwischenprodukt der Bildung von LaH 3 ist und dass Lanthan in beiden Hydriden dreiwertig ist. Das Dihydridmolekül enthält eine metallische La-La-Bindung. Mit Sulfid lässt sich alles noch einfacher erklären. Diese Substanz weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, was auf das Vorhandensein von La 3+-Ionen und freien Elektronen in ihr schließen lässt. Übrigens leitet LaH 2 den Strom auch gut, während LaH 3 ein Halbleiter ist.

Lanthan als chemisches Element konnte 36 Jahre lang nicht entdeckt werden. Im Jahr 1803 untersuchte der 24-jährige schwedische Chemiker Jons Jakob Berzelius das Mineral, das heute als Cerit bekannt ist. In diesem Mineral wurden Yttriumerde und eine weitere seltene Erde entdeckt, die Yttrium sehr ähnlich ist. Es wurde Cer genannt. Im Jahr 1826 untersuchte Karl Mozander Cererde und kam zu dem Schluss, dass diese heterogen sei und neben Cer ein weiteres neues Element enthielt. Mozander gelang es erst 1839, die Komplexität der Cererde nachzuweisen. Er konnte ein neues Element isolieren, als er über eine größere Menge Cerit verfügte.

Herkunft des Namens

Das in Cerit und Mozanderit entdeckte neue Element wurde auf Vorschlag von Berzelius Lanthan genannt. Er wurde zu Ehren der Entdeckungsgeschichte verliehen und stammt aus dem Altgriechischen. λανθάνω – „verstecken“, „verstecken“.

In der Natur sein

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter: Seltene Erden.
Lanthan ist neben Cer und Neodym eines der häufigsten Seltenerdelemente. Der Lanthangehalt in der Erdkruste beträgt etwa 2,9·10−3 Massen-%, im Meerwasser etwa 2,9·10−6 mg/l. Die wichtigsten industriellen Lanthanmineralien sind Monazit, Bastnäsit, Apatit und Loparit. Diese Mineralien enthalten auch andere seltene Erden.

Quittung

Bei der Herstellung von Lanthan erfolgt die Trennung des Ausgangsmaterials in Fraktionen. Lanthan wird zusammen mit Cer, Praseodym und Neodym konzentriert. Zunächst wird Cer aus der Mischung abgetrennt, anschließend werden die restlichen Elemente durch Extraktion abgetrennt.

Physikalische Eigenschaften

Lanthan ist ein silberweiß glänzendes Metall, das in reinem Zustand formbar und formbar ist. Schwach paramagnetisch. Die Kristallstruktur ist dicht gepackt, wie die dichteste Sechseckpackung.

Es existiert in drei kristallinen Modifikationen: α-La mit hexagonalem Gitter (a=0,3772 nm, c=1,2144 nm, z=4, Raumgruppe P63/tts), β-La mit kubischem kupferartigem Gitter (a=0 ,5296 nm, z=4, Raumgruppe Fm3m), γ-La mit einem kubisch raumzentrierten Gitter vom Typ α-Fe (a=0,426 nm, z=2, Raumgruppe Im3m, stabil bis 920 °C) Übergangstemperaturen α↔β 277 °C und β↔γ 861 °C. Polymorphe DH°-Übergänge: α:β – 0,36 kJ/mol, β:γ – 3,12 kJ/mol. Beim Übergang von einer Modifikation zur anderen ändert sich die Dichte von Lanthan: α-La hat eine Dichte von 6,162–6,18 g/cm3, β-La – 6,19 g/cm3, γ-La – 5,97 g/cm3.

Legierungen mit Zink, Magnesium, Kalzium, Thallium, Zinn, Blei, Nickel, Kobalt, Mangan, Quecksilber, Silber, Aluminium, Kupfer und Cadmium. Lanthan bildet mit Eisen eine pyrophore Legierung.

unbekannter Autor

Lanthan (Lanthan, La) chemisches Element Nummer 57 im Periodensystem.

Diese „Familie“ nimmt unter den chemischen Elementen einen besonderen Platz ein, verbunden durch außergewöhnliche Ähnlichkeit der Eigenschaften. Ihr veralteter Name ist Seltene Erden (REE). Das Interesse an ihnen nahm nach der Inbetriebnahme der ersten Kernreaktoren, bei deren Betrieb diese Elemente als Nebenprodukte entstehen, erheblich zu.

Dieses Element blieb neugierigen Chemikern lange Zeit verborgen, weshalb es den Namen Lanthan („lantano“ auf Griechisch „ich verstecke“, „ich verstecke“) erhielt. Es wurde 1839 vom schwedischen Chemiker Mozander entdeckt. Mehr als hundert Jahre lang war Lanthan ein schwer erhältliches Element, nicht nur für die Industrie, sondern auch für das chemische Labor. In seiner reinen Form wurde Lanthan (und seine Verbindungen) erst gewonnen, nachdem sich die sogenannte chromatographische Analyse, die 1903 vom russischen Wissenschaftler M. S. Tsvet entwickelt wurde, in der Praxis von Labors und Industrieunternehmen fest etabliert hatte.

Der Kern dieser Methode ist im allgemeinsten Sinne wie folgt. Die Testlösung wird durch ein Röhrchen geleitet, das mit einer ungefärbten pulverförmigen oder feinkörnigen Substanz gefüllt ist, die die Fähigkeit besitzt, Partikel anderer Substanzen auf ihrer Oberfläche zurückzuhalten (zu adsorbieren).

Die im Gemisch enthaltenen Stoffe befinden sich je nach Adsorptionsgrad an der Oberfläche des Absorbers (Adsorbens) auf unterschiedlichen Höhenniveaus im Rohr (Säule). Wenn eine Lösung aus einer Mischung farbiger Substanzen besteht (MS Tsvet arbeitete seinerzeit mit solchen Lösungen), werden diese aufgrund ihrer unterschiedlichen Adsorptionsfähigkeit in verschiedenen Teilen des Adsorbens zurückgehalten und färben es in der für die jeweilige Substanz geeigneten Farbe .

Dadurch werden die Bestandteile der Mischung getrennt. Die Masse des Adsorptionsmittels weist über die gesamte Länge im Röhrchen entsprechend der Farbe des zurückgehaltenen Stoffes unterschiedliche Farben oder unterschiedliche Schattierungen derselben Farbe auf (abhängig von den Farben der Bestandteile der Mischung). Die resultierende Säule aus farbigem Adsorptionsmittel wird Chromatogramm genannt (von griechisch „chrome“ – Farbe, Farbe und „grapho“ – schreiben). Um die Bestandteile der Mischung zu isolieren, wird die Adsorbenssäule vorsichtig aus dem Röhrchen entfernt und in Farbzonen unterteilt. Die Zusammensetzung jeder Farbzone wird durch herkömmliche Methoden der chemischen Analyse bestimmt. Es ist ganz klar, dass die Analyse keine Schwierigkeiten bereitet, wenn in jeder Zone nur ein Stoff vorhanden ist. In den meisten Fällen unterscheiden sich die Zonen des farbigen Adsorbens jedoch nicht so stark voneinander, dass sie mechanisch leicht getrennt werden können. Normalerweise werden die Zonen kombiniert und gehen allmählich ineinander über. In diesen Fällen wird das Röhrchen, das das Adsorptionsmittel mit den darauf zurückgehaltenen Substanzen enthält, mit einem speziell ausgewählten Lösungsmittel gewaschen, das sich unterschiedlich auf die adsorbierten Bestandteile der Mischung bezieht. Diese Methode zur Extraktion einer adsorbierten Substanz aus einem Adsorbens wird Elution (vom lateinischen „elucio“ – Waschen) genannt. Durch die Elution ist es möglich, nicht nur den Unterschied in der Adsorbierbarkeit der Bestandteile der Mischung, sondern auch in ihrer Löslichkeit zu nutzen.

Lanthan und seine Verbindungen weisen sehr starke Ähnlichkeiten mit einer Reihe anderer Elemente auf, die Lanthan sehr ähnlich sind.

Die Zahl der „Verwandten“ von Lanthan ist bekannt. Es gibt 14 davon. Von Lanthan, das am besten untersucht wurde, werden sie alle zu einer Gruppe zusammengefasst, zu einer Zelle des Periodensystems unter dem Namen Lanthanidenfamilie.

Die große Ähnlichkeit der chemischen Eigenschaften der Lanthaniden hängt mit der besonderen Struktur der Elektronenhüllen der Atome dieser Elemente zusammen, angefangen von Lanthan bis einschließlich Lutetium. Diese besondere Struktur führt dazu, dass mit zunehmender Ordnungszahl eines Elements der Radius der Atome nicht zunimmt (Lanthanidenkompression). Dieses Phänomen erklärt eine so große chemische Ähnlichkeit aller Lanthaniden.

Nachdem reine Lanthansalze isoliert waren, war die Gewinnung von Lanthan selbst nicht mehr schwierig. Beispielsweise wurde durch Elektrolyse von Lanthanchlorid das Metall Lanthan gewonnen, das in seinem chemischen Verhalten dem Metall Calcium ähnelt. Lanthan hat eine ähnliche Härte wie Zinn (Dichte 6,2), sein Schmelzpunkt liegt nur bei 915–925 °C, sein Siedepunkt ist jedoch überraschend hoch (4515 °C). Wie viele aktive Metalle zersetzt es Wasser, reagiert gut mit Säuren und bei starker Erhitzung mit Chlor, Schwefel und anderen Metalloiden, d. h. es weist die Eigenschaften eines typischen Metalls auf.

Lanthan ist ein „selbstschützendes“ Metall: In trockener Luft wird es mit einem dünnen Oxidfilm überzogen, der es vor weiterer Oxidation schützt. Ein solcher „Schutz“ tritt jedoch nur bei trockener Luft auf; Feuchtigkeit verbindet sich mit diesem Film und bildet eine starke Basis.

Wir haben wiederholt ein so wichtiges Metall wie Aluminium erwähnt und insbesondere auf seine Fähigkeit hingewiesen, unter Freisetzung großer Wärmemengen zu verbrennen. Auf dieser Reaktion basieren viele verschiedene Prozesse. Lanthan hat eine noch größere Reaktionswärme mit Sauerstoff. Sobald man lernte, Lanthan in großen Mengen herzustellen, begann es in der Metallurgie mit Aluminium zu konkurrieren. Um Sauerstoff aus flüssigem Stahl zu entfernen, wird ihm häufig Lanthan anstelle von Aluminium zugesetzt. Für eine Tonne Stahl wird nur ein Kilogramm dieses „Desoxidationsmittels“ benötigt, wie in der Technik Stoffe genannt werden, die Stahl von Sauerstoff befreien. Millionen Tonnen Stahl wurden bereits auf diese Weise verarbeitet und es wird behauptet, dass dies eine hervorragende Methode zur Verbesserung seiner Qualität sei.

Lanthan wurde in einer Mischung mit Cer, einem weiteren Mitglied der Lanthanoidenfamilie, im Verhältnis etwa 1:1 gewonnen. Durch die Verschmelzung einer Mischung dieser Metalle mit Eisen erhielten sie ... „Feuerstein“, der häufig in Taschenfeuerzeugen verwendet wurde. Natürlich hat Eisen-Cer-Lanthan-„Feuerstein“ nichts mit dem Naturstein Feuerstein – einer Siliziumverbindung – gemein. Dieser Name wurde der Legierung wegen ihrer Fähigkeit gegeben, „Funken“ zu erzeugen, wenn ein gezahntes Stahlrad daran gerieben wird. Diese Fähigkeit wurde nicht nur in harmlosen Feuerzeugen, sondern auch in Artilleriegeschossen eingesetzt. Nachdem wir das Projektil mit einer Düse aus diesem „Mischmetall“ ausgestattet hatten, konnten wir das Projektil im Flug beobachten. Beim Fliegen in der Luft entstehen Funken aus „gemischtem Metall“. In diesem Fall übernimmt die Luft selbst die Rolle des leichteren Rades und reibt am Metall.

Lanthanverbindungen werden bei der Herstellung von Glas für die besten Kameraobjektive und spezielle Schutzbrillen verwendet. Mit Magnesium legiert, wird Lanthan zur Herstellung von Flugzeugtriebwerksteilen verwendet.

Es ist merkwürdig, dass die bekannten „Ablagerungen“ von Lanthan die bekannte Blaubeerpflanze sind, deren Asche bis zu 0,17 % Lanthanoxid enthält. In der Asche niedrig wachsender karelischer Birken ist viel Lanthan enthalten.

Im Jahr 1826 untersuchte Karl Mozander, ein Student, Assistent und einer von Berzelius‘ engen Freunden, Cererde und kam zu dem Schluss, dass sie heterogen sei und neben Cer ein weiteres und vielleicht mehr als ein neues Element enthielt. Mozander gelang es erst 1839, dies zu beweisen. Das neue Element, das auf Vorschlag von Berzelius in Cerit entdeckt wurde, wurde Lanthan (aus dem Griechischen) genannt lanqanein- verstecken, vergessen). Das in Cerit enthaltene Lanthan wurde 36 Jahre lang erfolgreich vor Chemikern versteckt!
Und dann machte Lanthan seinem Namen weiterhin alle Ehre. Lange Zeit glaubte man, es sei ein Analogon von Kalzium und anderen Erdalkalimetallen, seine Wertigkeit sei zwei und sein Atomgewicht sei 90...94. Erst 1869 erkannte Mendelejew, dass in Gruppe II des Periodensystems kein Platz für Seltenerdelemente war, und ordnete sie der Gruppe III zu, wobei er Lanthan ein Atomgewicht von 138...139 zuwies. Mendelejews Untersuchung der Wärmekapazität von Lanthan bewies, dass Lanthan dreiwertig sein muss.

Quittung:

Lanthanmetall, natürlich alles andere als rein, wurde zuerst von Mozander durch Erhitzen von Lanthanchlorid mit Kalium gewonnen.
Derzeit wird Lanthan wie alle anderen Metalle der Cer-Untergruppe hauptsächlich aus Monazit und Bastnäsit ((La, Ce)FCO 3) gewonnen. Monazitkonzentrat (LnPO 4 + 7 % Zirkoniumdioxid, 10 % Thoriumdioxid und 0,1...0,3 % Uran) wird mit konzentrierter Schwefelsäure behandelt, die resultierenden Sulfate der Seltenerdelemente und Thorium werden mit normalem Wasser ausgelaugt. Durch sukzessive Abtrennung von Thorium, Cer und anderen Seltenerdelementen wird üblicherweise Lanthanchlorid LaCl 3 gewonnen. Durch Elektrolyse von geschmolzenem Chlorid entsteht Lanthan mit einer Reinheit von bis zu 99,5 %. Noch reineres Lanthan (99,79 % und höher) wird durch das Calcium-Thermal-Verfahren gewonnen.
Es ist viel einfacher und billiger, Mischmetall – gemischtes Seltenerdmetall – zu erhalten.

Physikalische Eigenschaften:

Silberweißes Metall. Lanthan hat eine ähnliche Härte wie Zinn (Dichte 6,2), sein Schmelzpunkt liegt nur bei 915–925 °C, sein Siedepunkt ist jedoch überraschend hoch (4515 °C).

Chemische Eigenschaften:

Lanthan wird in trockener Luft mit einem dünnen Oxidfilm bedeckt, der es vor weiterer Oxidation schützt. Ein solcher „Schutz“ tritt jedoch nur bei trockener Luft auf.
In seinem chemischen Verhalten ähnelt Lanthan Kalzium. Wie viele aktive Metalle zersetzt es Wasser, reagiert gut mit Säuren und bei starker Erhitzung mit Chlor, Schwefel und anderen Metalloiden, d. h. es weist die Eigenschaften eines typischen Metalls auf.
In Verbindungen weist es eine Oxidationsstufe von +3 auf.

Die wichtigsten Verbindungen:

Lanthanoxid, La 2 O 3 , ein weißes amorphes Pulver, unlöslich in Wasser, aber löslich in Säuren. Durch die Wechselwirkung mit CO 2 wird es zu Carbonat.
Lanthanhydroxid La(OH) 3, ein gelatineartiger weißer Niederschlag, entsteht durch die Wechselwirkung von Lanthan mit Wasser, Lanthansalzen mit Alkalilösungen. Durch die Wechselwirkung mit CO 2 wird es zu Carbonat.
Lanthansalze farblose Kristalle Substanzen. Lösliche Salze – Nitrat, Halogenide, Sulfat; unlöslich - Fluorid, Phosphat, Carbonat. Nitrat und Carbonat zersetzen sich beim Erhitzen zu Lanthanoxid. Basisches Lanthanacetat verhält sich wie Stärke, wenn ihm Jod zugesetzt wird. Das weiße Gel nimmt eine leuchtend blaue Farbe an. Diese Eigenschaft wird manchmal genutzt, um Lanthan in Mischungen und Lösungen zu entdecken.

Anwendung:

Reines Lanthan wird fast nie als Legierungsmetall verwendet, sondern es werden billigere und leichter zugängliche Mischmetalle verwendet. Dieser Zusatz zu Gusseisen und Stahl wirkt als starkes Desoxidationsmittel, hervorragender Entgaser und Desulfator. Zusätze von Seltenerdelementen zu Leichtmetalllegierungen (Magnesium, Aluminium) erhöhen deren Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. REE werden auch zur Verbesserung der Eigenschaften von Legierungen aus Kupfer, Chrom, Vanadium, Titan usw. verwendet.
Geschmolzenes Lanthan wird zur Gewinnung von Plutonium aus flüssigem Uran verwendet.
Eisen-Cer-Lanthan-„Feuerstein“ wird in Taschenfeuerzeugen und Leuchtspur-Artilleriegeschossen verwendet.
Lanthanoxid La 2 O 3 ist ein wichtiger Bestandteil optischer Gläser (Kodak-Fotoobjektive enthalten 20 bis 40 % La 2 O 3, die besten heimischen Fotoobjektive bestehen ebenfalls aus Lanthanglas). Lanthanglas wird auch bei der Herstellung von verwendet Laborglaswaren (Hitzebeständigkeit und Säurebeständigkeit). Siehe auch:
Beliebte Bibliothek chemischer Elemente Nauka Publishing House, 1977.