Ланта́н ( химический символ — La , от греч. λανθάνειν — скрытный, прячущийся) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 57 .

Возглавляет семейство лантаноидов .

Простое вещество лантан — блестящий редкоземельный металл серебристо-белого цвета .

История

Лантан как химический элемент не удавалось открыть на протяжении 36 лет. В 1803 г. 24-летний шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус исследовал минерал, известный теперь под названием церит . В этом минерале была обнаружена иттриевая земля и ещё одна редкая земля, очень похожая на иттриевую. Её назвали цериевой. В 1826 г. Карл Мосандер исследовал цериевую землю и заключил, что она неоднородна, что в ней, помимо церия , содержится ещё один новый элемент. Доказать сложность цериевой земли Мосандеру удалось лишь в 1839 г. Он сумел выделить новый элемент, когда в его распоряжении оказалось большее количество церита.

Происхождение названия

Новый элемент, обнаруженный в церите и мозандерите, по предложению Берцелиуса назвали лантаном. Оно было дано в честь истории его открытия и происходит от др.-греч. λανθάνω — «скрываюсь», «таюсь».

Нахождение в природе

Лантан вместе с церием и неодимом относится к наиболее распространенным редкоземельным элементам. Содержание лантана в земной коре порядка 2,9·10 ⁻³ % по массе, в морской воде — около 2,9·10 ⁻⁶ мг/л . Основные промышленные минералы лантана — монацит , бастнезит , апатит и лопарит . В состав этих минералов также входят другие редкоземельные элементы .

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома лантана: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 5s ² 4d ¹⁰ 5p ⁶ 6s ² 4f ⁰ 5d ¹

Лантан — мягкий пластичный блестящий серебристо-белый металл, в чистом состоянии — ковкий и тягучий. Слабо парамагнитен . Кристаллическая структура плотноупакованная типа плотнейшей гексагональной упаковки .

Существует в трёх кристаллических модификациях: α-La с гексагональной решёткой (а=0,3772 нм , с=1,2144 нм, z=4, пространственная группа Р6 ₃ /ттс) , β-La с кубической решёткой типа меди (а=0,5296 нм, z=4, пространственная группа Fm3m), γ-La с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe (а=0,426 нм, z=2, пространственная группа Im3m, устойчив до 920 °C) температуры переходов α↔β 277 °C и β↔γ 861 °C . DH° полиморфных переходов: α:β — 0,36 кДж/моль, β:γ — 3,12 кДж/ моль . При переходе из одной модификации в другую меняется плотность лантана: α-La имеет плотность 6,162-6,18 г/см ³ , β-La — 6,19 г/см ³ , γ-La — 5,97 г/см ³ .

С некоторыми металлами, например, с цинком , магнием , кальцием , таллием , оловом , свинцом , никелем , кобальтом , марганцем , ртутью , серебром , алюминием , медью , кадмием и др., металлический лантан образует сплавы . С железом лантан образует пирофорный сплав .

Химические свойства

По своим химическим свойствам лантан больше всего похож на 14 следующих за ним элементов, поэтому их называют лантаноидами . Металлический лантан обладает высокой химической активностью .

• Во влажном воздухе быстро превращается в основный карбонат лантана:

${\displaystyle {\mathsf {4La+3O_{2}\ {\xrightarrow {}}\ 2La_{2}O_{3}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {La_{2}O_{3}+2CO_{2}+H_{2}O\ {\xrightarrow {}}\ 2LaCO_{3}(OH)}}}$

• При 450 °С сгорает в кислороде с образованием оксида лантана(III) :

${\displaystyle {\mathsf {4La+3O_{2}\ {\xrightarrow {450^{o}C}}\ 2La_{2}O_{3}}}}$

• Медленно реагирует с холодной водой и быстро — с горячей, образуя гидроксид лантана(III) :

${\displaystyle {\mathsf {2La+6H_{2}O\ {\xrightarrow {90^{o}C}}\ 2La(OH)_{3}+3H_{2}\uparrow }}}$

• При нагревании лантан вступает в реакции со фтором , хлором , бромом и иодом , давая соответственно фторид , хлорид , бромид и иодид :

${\displaystyle {\mathsf {2La+3F_{2}\ {\xrightarrow {100^{o}C}}\ 2LaF_{3}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2La+3Cl_{2}\ {\xrightarrow {100^{o}C}}\ 2LaCl_{3}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2La+3Br_{2}\ {\xrightarrow {t^{o}C}}\ 2LaBr_{3}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2La+3I_{2}\ {\xrightarrow {t^{o}C}}\ 2LaI_{3}}}}$

• Легко взаимодействует с минеральными кислотами с образованием ионов La ³⁺ и водорода. Вполне возможно, что в водном растворе ион La ³⁺ в значительной степени существует как комплексный ион [La(OH ₂ ) ₉ ] ³⁺ :

${\displaystyle {\mathsf {2La+3H_{2}SO_{4}\ {\xrightarrow {H_{2}O}}\ 2La^{3+}+3SO_{4}^{2-}+3H_{2}\uparrow }}}$

Основные соединения

• Ацетилацетонат лантана — органическое соединение , хелат, формула La(С ₅ H ₇ O ₂ ) ₃ . Представляет собой бесцветное твёрдое вещество, хорошо растворимое в воде и органических растворителях . Получается реакцией солей лантана со спиртовым раствором ацетилацетона .
• Бензоилацетонат лантана — хелатное соединение лантана, формула La(C ₁₀ H ₉ O ₂ ) ₃ . Образует жёлтые призматические кристаллы. Получается взаимодействием солей лантана со спиртовым раствором .
• Бромид лантана(III) — бинарное соединение, формула LaBr ₃ . Образует белые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Получают действием бромоводорода на оксид или сульфид лантана .
• Гидрид лантана(III) — бинарное соединение, формула LaH ₃ . Представляет собой тёмно-синее кристаллическое вещество; реагирует с водой с образованием гидроксида лантана. Получается действием водорода на лантан при 210—290 °С.
• Гидроксид лантана(III) — белое нерастворимое в воде вещество с формулой La(OH) ₃ . Образуется при действии горячей воды на металлический лантан или на оксид. При температурах выше 300 °С — разлагается.
• Иодид лантана(III) — бинарное соединение, формула LaI ₃ . Образует кристаллы жёлто-зелёного цвета, хорошо растворимые в воде и органических растворителях. Получают нагреванием лантана и иода в инертной атмосфере.
• Карбид лантана(III) — бинарное соединение лантана с углеродом, формула LaС ₂ . Образует жёлтые кристаллы. Реагирует с водой с образованием гидроксида и с выделением этана и ацетилена .
• Карбонат лантана(III) — бесцветное кристаллическое вещество с формулой La ₂ (CO ₃ ) ₂ , образует кристаллогидрат состава La ₂ (CO ₃ ) ₂ ·8H ₂ O. Получается пропусканием углекислого газа через суспензию гидроксида лантана.
• Купферонат лантана — органическое вещество, хелат, формула [La{C ₆ H ₅ N(NO)O} ₃ ]. Образует жёлтые кристаллы. Получается реакцией хлорида лантана с раствором купферона в кислой среде.
• Нитрат лантана(III) — бесцветное кристаллическое вещество с формулой La(NO ₃ ) ₃ ; хорошо растворяется в воде и органических растворителях. Получается растворением лантана, его оксида или гидроксида в азотной кислоте .
• Оксалат лантана(III) — бесцветное вещество, формула La ₂ (C ₂ O ₄ ) ₃ . Не растворяется в воде. Получается действием на растворимые соли лантана избытком щавелевой кислоты .
• Оксид лантана(III) — белые кристаллы, формула La ₂ O ₃ . Не растворяется в воде, но медленно реагирует с ней. Получается сгоранием лантана на воздухе или разложением его солей при высоких температурах. Растворяется в кислотах с образованием солей La(III). На воздухе поглощает углекислый газ , постепенно превращаясь в основной карбонат лантана.
• Оксисульфид лантана — желтовато-белые гексагональные кристаллы с формулой La ₂ O ₂ S.
• Оксифторид лантана(III) — бесцветные кристаллы кубической сингонии, формула LaOF. Получают взаимодействием фторида лантана с водяными парами при 800 °С или спеканием оксида лантана с фторидом лантана в вакууме .
• Силицид лантана(III) — бинарное неорганическое соединение, формула LaSi ₂ . Образует серые кристаллы.
• Сульфат лантана(III) — бесцветные кристаллы, растворимые в воде, формула La ₂ (SO ₄ ) ₃ . Получается растворением металлического лантана, его оксида или гидроксида в серной кислоте . Разлагается при нагревании.
• Сульфиды лантана — бинарные неорганические соединения лантана и серы. Сульфид лантана(III) имеет формулу La ₂ S ₃ ; образует жёлто-красные кристаллы, нерастворимые в воде. Получается действием паров серы на лантан при 600—800 °С. Моносульфид лантана LaS — образует золотистые кристаллы кубической сингонии . Дисульфид лантана LaS ₂ — коричневые кристаллы.
• Фосфат лантана(III) — бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде, формула LaPO ₄ . Получается обменной реакцией между растворимой солью лантана и фосфатом щелочного металла .
• Фосфид лантана(III) — бинарное неорганическое соединение, чёрные кристаллы с формулой LaP. Получается реакцией лантана и фосфора при 400—500 °С.
• Фторид лантана(III) — бесцветное вещество с формулой LaF ₃ . Не растворяется в воде. Получают взаимодействием лантана с плавиковой кислотой либо прямым сгоранием лантана во фторе .
• Хлорид лантана(III) — бесцветное вещество с формулой LaCl ₃ , хорошо растворимое в воде. Получается реакцией лантана с хлором или взаимодействием его с соляной кислотой .

Минералы

• Бастнезит — минерал класса фторкарбонатов, формула (Ce, La, Y)CO ₃ F. Образует прозрачные кристаллы жёлтого, оранжевого, красного и бурого цветов. Твёрдость по Моосу — 4—4,5; удельный вес — 4,93—5,18. Может содержать от 34,7 до 45,8 % оксида лантана(III) .
• Гадолинит — чёрный (чёрно-бурый) минерал с жирным стекловатым блеском, формула (Ce, La, Nd, Y) ₂ FeBe ₂ Si ₂ O ₁₀ . Твёрдость по шкале Мооса — 6,5-7 . Удельный вес — 4-4,3 . Состав непостоянен.
• Монацит — минерал класса фосфатов , формула (Ce, La, Nd, Th)[PO ₄ ]. Может иметь жёлтую, красновато-бурую, гиацинтово-красную, оливиново-зеленую окраску; цвет черты — белый (зеленовато-белый). Твёрдость по Моосу — 5—5,5; удельный вес — 4,9—5,2 . Из-за высокого содержания урана и тория — радиоактивен .
• Ортит — бурый или чёрный минерал, класса силикатов . Химическая формула — (Ca, Ce, La, Y) ₂ (Al, Fe) ₃ (SiO ₄ ) ₃ (OH) . Твёрдость по Моосу — 5,5-6 . Удельный вес составляет 3,3—3,8 .

Получение

Получение лантана связано с разделением исходного сырья на фракции. Лантан концентрируется вместе с церием, празеодимом и неодимом . Сначала из смеси отделяют церий, затем оставшиеся элементы разделяют экстракцией.

Применение

• Впервые в истории лантан применяли в газокалильных сетках . Австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах использовал смесь, состоящую из 60 % оксида магния , 20 % оксида иттрия и 20 % оксида лантана , которая получила название Actinophor и была запатентована в 1885 году . Новый осветительный прибор («ауэровский колпачок») давал светло-зелёный свет .

• Оксид и борид лантана используются в электронно-вакуумных лампах как материал т. н. «горячего катода», то есть катода с высокой интенсивностью потока электронов . Кристаллы LaB ₆ применяются в источниках катодных лучей для электронных микроскопов .
• Лантан применяется как компонент сплавов никеля, магния, кобальта и др.
• Соединение состава La(Ni _3.55 Mn _0.4 Al _0.3 Co _0.4 Fe _0.35 ) используется для анодного материала никель-металл-гидридных аккумуляторов . Оно представляет собой интерметаллид AB ₅ -типа .
• Чистый лантан практически не используется по причине своей высокой стоимости; вместо него применяется мишметалл : сплав с содержанием лантана 20—45 % . Мишметалл является компонентом жаропрочных и коррозионностойких сплавов .
• Для производства типичного гибридного автомобиля Toyota Prius требуется 10—15 кг лантана, где он входит в состав аккумулятора .
• Карбонат лантана используется как лекарство, имеющее собственное название Fosrenol , применяющееся при для поглощения избытка фосфатов .
• Лантан имеет свойство поглощать водород . Один объём этого вещества способен поглотить до 400 объёмов водорода в процессе обратимой адсорбции. Это свойство применяется для создания емких аккумуляторов водорода (металлогидридное хранение водорода) и в системах сохранения энергии, так как при растворении водорода в лантане выделяется теплота .
• Соли лантана и других редкоземельных элементов применяются в угольных дуговых лампах для увеличения яркости дуги . Угольные дуговые лампы были популярны в кинопроекторах . На производство последних приходится около 25 % соединений лантана, которые изначально предполагались для дуговых ламп .
• Жидким лантаном извлекают плутоний из расплавленного урана .
• Небольшая добавка лантана к стали увеличивает её пластичность и деформируемость . Добавка лантана к молибдену уменьшает его твёрдость и чувствительность к перепадам температур .
• Фторид лантана — важный компонент люминофоров. В смеси с фторидом европия он используется в кристаллической мембране ионоселективных электродов . Он также входит в состав стекла ZBLAN . Оно обладает улучшенным коэффициентом пропускания в инфракрасном диапазоне и поэтому применяется в волоконной оптике .
• Оксид лантана(III) — компонент специальных стёкол, высокотемпературной керамики, применяется также для производства других соединений лантана .
• Хлорид и бромид лантана применяются как сцинтилляторы с высоким световым выходом , лучшим энергетическим разрешением и временем высвечивания .
• Оксисульфид и алюминат лантана используются в люминофорах .
• Ионы лантана, как и пероксидаза хрена , используется в молекулярной биологии для усиления электрического сигнала до уровня, необходимого для детекции .
• Бентонитовая глина (т. н. Phoslock ), в которой ионы натрия и кальция заменяются на ионы лантана, используется для очистки сточных вод от фосфатов .
• Небольшое количество соединений лантана связывает фосфаты в воде, в результате чего останавливается рост водорослей , которым необходимы соединения фосфора. Это свойство может применяться для очистки воды в бассейнах .
• Некоторые соединения лантана (и других редкоземельных элементов ), например, хлориды и оксиды являются компонентами различных катализаторов, применяемых в частности, для крекинга нефти .
• Добавка оксида лантана (La ₂ O ₃ ) к вольфраму используется при , как замена радиоактивному торию .
• Лантан- бариевый метод радиометрического датирования иногда используется для оценки возраста горных пород и месторождений полезных ископаемых .

Биологическая роль

В 1930-х годах советский учёный исследовал влияние редкоземельных металлов на культурные растения. Он проводил опыты с горохом , репой и другими растениями, вводя в грунт редкоземельные элементы (РЗЭ) вместе с бором , марганцем или без них. Результаты опытов показывали, что редкоземельные элементы, в том числе лантан, улучшают рост растений . Однако использование микроудобрений на основе лантана и других РЗЭ приводит к противоположным результатам для разных видов и даже сортов одного вида культурных растений . В Китае, являющемся ведущим мировым производителем РЗЭ, такие микроудобрения массово применяются в сельском хозяйстве .

Ионы лантана способны увеличивать амплитуду ГАМК -активированных сигналов на пирамидальных нейронах гена , отмеченных в гиппокампе головного мозга . Получение этих данных позволило сравнить чувствительность рецепторов ГАМК _A пирамидальных нейронов с аналогичными рецепторами других клеток по восприимчивости к ГАМК и ионам лантана .

Изотопы

В природе лантан встречается в виде смеси двух изотопов : стабильного ¹³⁹ La и радиоактивного ¹³⁸ La ( период полураспада 1,02⋅10 ¹¹ лет). Доля более распространённого изотопа ¹³⁹ La в природной смеси составляет 99,911 % . Искусственно получены 39 неустойчивых изотопов с массовыми числами 117—155 и 12 ядерных изомеров лантана . Наиболее долгоживущим из них является лантан-137 с периодом полураспада около 60 тыс. лет. Остальные изотопы имеют периоды полураспада от нескольких миллисекунд до нескольких часов.

Меры предосторожности

Лантан относится к умеренно-токсичным веществам. Металлическая пыль лантана, а также мелкие частицы его соединений могут раздражать верхние дыхательные пути при попадании их внутрь, а также вызвать пневмокониоз .

См. также

• Мишметалл — сплав лантана с другими редкоземельными элементами.

Примечания

Литература

• Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л. : Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.

Ссылки

• (англ.) . WebElements. Дата обращения: 25 июля 2013.