Получение, свойства и применение лантана. Строение атома лантана Лантан Информацию О

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

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

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

Электронное строение атома лантана

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

Рис.1. Схематическое строение атома лантана.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

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

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

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

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

Подуровень

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Введение

1. Получение

2. Свойства

3. Применение

4. Биологическая роль

Заключение

Введение

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 церита. В этом минерале была обнаружена иттриевая земля и ещё одна редкая земля, очень похожая на иттриевую. Её назвали цериевой. В 1826 г. Карл Мозандер исследовал цериевую землю и заключил, что она неоднородна, что в ней, помимо церия, содержится ещё один новый элемент. Доказать сложность цериевой земли Мозандеру удалось лишь в 1839 г. Он сумел выделить новый элемент, когда в его распоряжении оказалось большее количество церита.

1. Получение

Металлический лантан, разумеется, далеко не чистый, впервые был получен Мозандером при нагревании хлористого лантана с калием. В наше время в промышленных масштабах получают лантан чистотой более 99 %; преимущественно из монацита и бастнезита, как, впрочем, и церий, и все остальные элементы цериевой подгруппы.

Моцанит - тяжелый блестящий минерал, обычно желто-бурый, но иногда и других цветов, поскольку постоянством состава он не отличается. Точнее всего его состав описывает такая странная формула: (РЗЭ)РО4: это значит, что монацит - фосфат редкоземельных элементов (РЗЭ). Обычно в моналите 50-68% окислов РЗЭ и 22 - 31,5 % P2O5. А еще в нем до 7 % двуокиси циркония, 10% (в среднем) двуокиси тория и 0,1-0,3 % урана. Эти цифры со всей очевидностью показывают, почему в наше время тесно переплелись пути редкоземельной и атомной промышленности. Монацитовые россыпи распространены по берегам рек, озер и морей на всех континентах. В начале века (данные за 1909) 92 % мировой добычи редкоземельного сырья и прежде всего монацита приходилось на долю Бразилии. После 1950 г. в связи с развитием атомной промышленности гегемоном среди капиталистических стран в добычи и переработке редкоземельного сырья стали США.

Чтобы получить монацитовый концентрат чистотой 92 - 96 %, применяют комплекс гравитационных, магнитных и электростатических методов обогащения. В результате попутно получают ильменитовый, рутиловый, цирконовый и другие ценные концентраты.

Как и всякий минерал, монацит надо "вскрыть". Чаще всего монацитовый концентрат обрабатывают для этого концентрированной серной кислотой (широкое распространение приобрел также щелочной способ вскрытия монацита). Образующиеся сульфаты редкоземельных элементов и тория выщелачивают холодной водой. После того как они перейдут в раствор, в осадке остаются кремнезем и не отделившаяся на предыдущих стадиях часть циркона.

На следующей стадии отделяют короткоживущий мезоторий (радий - 228), а затем и сам торий - иногда вместе с церием, иногда по отдельности. После того как выделен церий, в растворе остается больше всего лантана, который получают обычно в виде хлорида LaCl3. Электролиз расплавленого хлорида дает лантан чистотой до 99.5 %. Еще более чистый лантан - 99.79 % и выше получают кальциетермическим способом. Такова классическая, традиционная технология. Как видим, получение элементарного лантана - дело сложное.

Разделение лантаноидов - от празеодима до лютеция - требует еще больших затрат сил и средств, и времени, разумеется. Поэтому в последнее десятилетие химики и технологи многих стран мира стремились создать новые, более совершенные методы разделения этих элементов. Такие методы - экстракционные и ионообменные - были созданы и внедрены в промышленность. Уже в начале шестидесятых годов на установках, работающих по принципу ионного обмена, достигли 95 % - ного выхода редкоземельных продуктов чистотой до 99.9 %.

2. Свойства

Физические свойства лантана

ЛАНТАН (от греч. lanthano - скрываюсь; лат. Lanthanum) La, хим. элемент III гр. периодич. системы, атомный номер 57, атомная масса 138,9055; относится к редкоземельным элементам. Природный лантан состоит из двух изотопов 139La (99,911 %) и радиоактивного 138La (0,089%).

Атомный номер
Внешний вид	мягкий, ковкий, вязкий металл серебристо-белого цвета
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	138.9055 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома
Энергия ионизации (первый электрон)	541.1 (5.61) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация
Термодинамические свойства
Плотность
Удельная теплоёмкость	0.197 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	13.4 Вт/(м·K)
Температура плавления
Теплота плавления	8.5 кДж/моль
Температура кипения
Теплота испарения	402 кДж/моль
Молярный объём	22.5 см3/моль
Химические свойства
Ковалентный радиус
Радиус иона	101.(+3e) 6 пм
Электроотрицательность
Электродный потенциал
Степени окисления	7, 6, 4, 3, 2, 0, -1
Кристаллическая решётка
Структура решётки	гексагональная
Период решётки
Отношение c/a
Температура Дебая

Химические свойства

По химическим свойствам лантан обыкновенен, но чрезвычайно тугоплавок. В сухом воздухе он не изменяется - окисная пленка надежно защищает от окисления в массе. Но если воздух влажен (а в обычных земных условиях он влажен почти всегда), металлический лантан постепенно окисляется до гидроокиси. В кислороде при нагревании до 450°C он сгорает ярким, пламенем (при этом выделяется довольно много тепла). Если же прокаливать его в атмосфере азота, образуется черный нитрид. В хлоре лантан загорается при комнатной температуре, а с бромом и иодом реагирует лишь при нагревании. Хорошо растворяется в минеральных кислотах, с растворами щелочей не реагирует. Во всех соединениях лантан проявляет валентность 3+.

Реакция водородом и лантаном начинается уже при комнатной температуре и идет с выделением тепла. Образуются гидриды переменного состава, поскольку одновременно лантан поглощает водород - тем интенсивнее, чем выше температура.

3. Применение

Производство стекла

Оксид лантана (от 5 до 40 %) применяется для варки оптического стекла (лантановое стекло), для изготовления линз и призм используемых в кино и фотоаппаратуре, а также для астрономических целей.

Производство керамических электронагревателей

Хромит лантана, легированный кальцием, стронцием, магнием, используется для производства высокотемпературных печных нагревателей (температура плавления Ї 2453 °C, раб.темп. -- около 1780 градусов в атмосфере кислорода). С ростом температуры электрическое сопротивление хромита лантана резко уменьшается. Коэффициент термического расширения хромита лантана очень низкий и это предопределяет долговечность электронагревателей.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Оксид лантана применяется для синтеза высокотемпературных сверхпроводников на основе оксидов лантана, иттрия, бария, стронция, меди и др.

Металлотермия

Изредка лантан применяют в металлотермии для восстановления редких элементов.

Специальные покрытия стекла

На основе соединений лантана производятся покрытия для оконного стекла позволяющие понижать температуру в помещении на 5-7 градусов.

Термоэлектрические материалы

Монотеллурид лантана имеет очень высокую термо-э.д.с (834 мкВ/К) и применяется в термоэлектрогенераторах с высоким кпд.

Производство металлогидридных накопителей водорода

Лантан-никелевый гидрид широко употребляется как емкий аккумулятор водорода (металлогидридное хранение водорода) для автомобилей.

Ядерная энергетика

Совершенно исключительное значение металлический лантан высокой чистоты имеет в атомной промышленности, и конкретно в технологии переработки ядерного топлива с целью извлечения плутония. В расплавленный металлический уран, имеющий в качестве примеси металлический плутоний, вмешивают расплавленный лантан. Расплавленный лантан полностью извлекает изотопы плутония из основной массы урана в сплав и всплывает над ураном, не смешиваясь с ним. Полученный сплав сливают и перерабатывают методами химической технологии. Можно утверждать, что лантан держит на своих "плечах" производство ядерного оружия.

Электроника

В последние годы в значительной степени возрос интерес к молибдату лантана, обладающему высокой проводимостью.

Электронная микроскопия

Применение катодов из LaB 6 (Гексаборид лантана) в электронных микроскопах позволило повысить разрешающую способность за счёт увеличения плотности тока в 6 раз и одновременно увеличить ресурс катода в 5 раз (до 500 часов) по сравнению с вольфрамовыми катодами.

Химические источники тока

Весьма значительный интерес промышленности и электроники вызывают производство и исследования в области аккумуляторов с твёрдым электролитом. В этой области очень большое значение приобрёл фторид лантана в качестве электролита и с металлическим лантаном в качестве анода, катодом обычно является фторид висмута, свинца или меди. Привлекательная сторона таких источников тока -- это очень высокая удельная энергоёмкость по объёму, длительный срок сохранности энергии, прочность, долговечность; в этой связи многие ведущие специалисты видят в них альтернативу любым другим видам аккумуляторов.

4. Биологическая роль

хлористый лантан металлический химический

В середине 30-х годов советский ученый А. А. Дробков исследовал влияние редкоземельных металлов на разные растения. Он экспериментировал с горохом, репой и другими культурами, вводил редкоземельные металлы вместе с бором, марганцем или без них. Результаты опытов говорили, что редкоземельные металлы нужны для нормального развития растений. Но прошла четверть века, прежде чем эти элементы стали относительно доступны. Окончательный ответ на вопрос о биологической роли лантана предстоит ещё дать.

В медицине карбонат лантана используется при гиперфосфатемии как препарат, препятствующий всасыванию фосфатов из пищи.

Заключение

В своем реферате я рассмотрела физические и химические свойства лантана, а также где применяется лантан, в каким промышленностях и в медицине.

Список используемой литературы

1. Арефьева "Экологическая химия", 2006г.

2. Гельфман "Химия", 2004г.

3. Некрасов "Общая химия", 2007г.

4. Князев "Неорганическая химия", 2004г.

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BD

Подобные документы

Семейство лантана и лантаноидов, особенности их физических и химических свойств. История открытия, способы получения, применение лантана и его соединений. Строение электронных оболочек атомов лантана и лантаноидов. Аномальные валентности лантаноидов.

реферат , добавлен 18.01.2010


Природа ионной проводимости в твердых телах. Виды твердых оксидных электролитов, их применение в разных устройствах. Структура и свойства оксида висмута, его совместное химическое осаждение с оксидом лантана. Анализ синтезированного твердого электролита.

курсовая работа , добавлен 06.12.2013


Металлический барий и его распространенность в природе. Получение металлического бария. Электролиз хлорида бария. Термическое разложение гидрида. Химические и физические свойства. Применение. Соединения (общие свойства). Неорганические соединения.

Акриламид: физические и химические свойства, растворимость. Получение и определение, токсичность акриламида. Особенности применения акриламида и производных. Применение и получение полимеров акриламида. Характеристика химических свойств полиакриламида.

курсовая работа , добавлен 19.06.2010


Физические и химические свойства 2-метилбутадиен-1,3. Анализ видов опасного воздействия, токсичности, класса опасности. Применение в промышленности. Методы получения, химизм и технология процессов. Получение изопрена на основе изобутилена и формальдегида.

курсовая работа , добавлен 09.03.2015


Элемент главной подгруппы второй группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. История и происхождение названия. Нахождение кальция в природе. Физические и химические свойства. Применение металлического кальция.

реферат , добавлен 01.12.2012


Физические свойства пероксида водорода - бесцветной прозрачной жидкости со слабым своеобразным запахом. Получение вещества в лабораторных и промышленных условиях. Восстановительные и окислительные свойства пероксида водорода, его бактерицидные свойства.

презентация , добавлен 23.09.2014


История открытия стронция. Нахождение в природе. Получение стронция алюминотермическим методом и его хранение. Физические свойства. Механические свойства. Атомные характеристики. Химические свойства. Технологические свойства. Области применения.

реферат , добавлен 30.09.2008


Физические и физико-химические свойства ферритов. Структура нормальной и обращенной шпинели. Обзор метода спекания и горячего прессования. Магнитные кристаллы с гексагональной структурой. Применение ферритов в радиоэлектронике и вычислительной технике.

курсовая работа , добавлен 12.12.2016


Хлорид кальция: физико-химические свойства. применение и сырье. Получение плавленого хлорида кальция из дистиллерной жидкости содового производства. Получение хлорида кальция и гидроксилохлорида из маточного щелока. Безводный кальций из соляной кислоты.

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 церита. В этом минерале была обнаружена иттриевая земля и ещё одна редкая земля, очень похожая на иттриевую. Её назвали цериевой. В 1826 г. Карл Мозандер исследовал цериевую землю и заключил, что она неоднородна, что в ней, помимо церия, содержится ещё один новый элемент. Доказать сложность цериевой земли Мозандеру 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

Подробнее по этой теме см.: Редкоземельные элементы.
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 2,9·10−6мг/л. Основные промышленные минералы лантана — монацит, бастнезит, апатит и лопарит. В состав этих минералов также входят другие редкие земли.

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.

Физические свойства

Лантан — 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 Р63/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/см3, β-La — 6,19 г/см3, γ-La — 5,97 г/см3.

Сплавляется с цинком, магнием, кальцием, таллием, оловом, свинцом, никелем, кобальтом, марганцем, ртутью, серебром, алюминием, медью и кадмием. С железом лантан образует пирофорный сплав.

Автор неизвестен

Лантан (Lanthanum , La) химический элемент под номером 57 в таблице Менделеева.

Особое место среди химических элементов занимает это "семейство", связанное между собой исключительным сходством свойств. Их устаревшее название - редкоземельные элементы (РЗЭ). Интерес к ним значительно увеличился после того, как были пущены первые атомные реакторы, при работе которых в качестве побочных продуктов образуются эти элементы.

От пытливых химиков этот элемент очень долго скрывался, за что и получил название лантан ("лантано" по-гречески "скрываюсь", "таюсь"). Он был открыт шведским химиком Мозандером в 1839 г. Более сотни лет лантан представлял собой труднодоступный элемент не только для промышленности, но и для химической лаборатории. В чистом виде лантан (и его соединения) был получен лишь после того, как в практику лабораторий и промышленных предприятий прочно вошел так называемый хроматографический анализ, разработанный русским ученым М. С. Цветом в 1903 г.

Сущность этого метода в самых общих чертах состоит в следующем. Через трубку, наполненную неокрашенным порошкообразным или мелкозернистым веществом, обладающим способностью удерживать (адсорбировать) на своей поверхности частицы других веществ, пропускается испытуемый раствор.

Вещества, входящие в смесь, в зависимости от степени их адсорбции на поверхности поглотителя (адсорбента) будут располагаться на разных уровнях его высоты в трубке (колонке). Если раствор состоит из смеси окрашенных веществ (с такими растворами работал в свое время М. С. Цвет), то они, благодаря различной их адсорбируемости, удерживаются в различных частях адсорбента, окрашивая его в соответствующий для данного вещества цвет.

Таким образом, разделяются составные части смеси. Масса адсорбента по всей его длине в трубке в соответствии с окраской удержанного вещества будет иметь различные цвета или различные оттенки одного и того же цвета (в зависимости от окрасок составных частей смеси). Полученная колонка окрашенного адсорбента называется хроматограммой (от греческого "хрома" - краска, цвет и "графо" - пишу). Для выделения составных частей смеси, колонку адсорбента осторожно извлекают из трубки и разделяют по зонам окраски. Состав каждой окрашенной зоны определяется обычными методами химического анализа. Вполне понятно, что анализ не представляет трудностей, когда в каждой зоне присутствует только одно вещество. Однако в большинстве случаев зоны окрашенного адсорбента не настолько резко отличаются друг от друга, чтобы их можно было легко разделить механически. Обычно зоны совмещаются и постепенно переходят одна в другую. В этих случаях трубку, содержащую адсорбент с удержанными на нем веществами, промывают специально подобранным растворителем, который по-разному относится к адсорбированным составным частям смеси. Такой прием извлечения адсорбированного вещества из адсорбента называется элюцией (от латинского "элюцио" - промывание). Элюция позволяет использовать не только различие в адсорбируемости составных частей смеси, но и в их растворимости.

Лантан и его соединения обнаруживают очень большое сходство с целым рядом других весьма похожих на лантан элементов.

Число "родственников" лантана известно. Их - 14. От лантана, как наиболее хорошо изученного, все они объединяются в одну группу, в одну клеточку системы Менделеева под именем семейства лантаноидов.

Большое сходство химических свойств у лантаноидов связано с особым строением электронных оболочек у атомов этих элементов начиная с лантана до лютеция включительно. Это особое строение приводит к тому, что по мере возрастания порядкового номера элемента увеличения радиуса атомов не происходит (лантаноидное сжатие). Это явление и объясняет такое большое химическое сходство всех лантаноидов.

После того как были выделены чистые соли лантана, получение самого лантана уже не представляло особого труда. Например, путем электролиза хлорида лантана получили металлический лантан, который по своему химическому поведению напоминает металл кальций. Лантан по твердости подобен олову (плотность 6,2), температура его плавления составляет всего 915-925°С, но зато удивительно высока температура кипения (4515°С). Как и многие активные металлы, он разлагает воду, хорошо реагирует с кислотами, а при нагревании энергично - с хлором, серой и другими металлоидами, т. е. проявляет свойства типичного металла.

Лантан - металл "самозащищающийся": в сухом воздухе он покрывается тонкой пленкой окисла, которая защищает его от дальнейшего окисления. Но такая "защита" происходит только в сухом воздухе, влага с этой пленкой соединяется и образует сильное основание.

Неоднократно мы упоминали о таком важном металле, как алюминий, и указывали, в частности, на его способность гореть с выделением большого количества тепла. На этой реакции основано много различных процессов. У лантана теплота реакции соединения с кислородом еще больше. Как только научились получать лантан в больших количествах, он стал соперничать с алюминием в металлургии. Для удаления кислорода из жидкой стали в нее часто вводят не алюминий, а лантан. На тонну стали нужен всего один килограмм этого "раскислителя", как в технике называют вещества, освобождающие сталь от кислорода. Таким способом обработаны уже миллионы тонн стали и утверждают, что это отличный метод повышения ее качества.

Лантан получали в смеси с церием - другим членом семейства лантаноидов, приблизительно в соотношении 1:1. Сплавив смесь этих металлов с железом, получили... "кремень", который широко применялся в карманных зажигалках. Конечно, железо-цериево-лантанный "кремень" не имеет ничего общего с природным камнем кремнем - соединением кремния. Такое название было дано сплаву за способность "искрометания" при трении по нему зазубренного стального колесика. Эта способность была использована не только в безобидных зажигалках, но и в артиллерийских снарядах. Снабдив снаряд насадкой из этого "смешанного металла", получили возможность наблюдать снаряд в полете. "Смешанный металл" при полете в воздухе искрит. При этом роль колесика зажигалки играет сам воздух, трущийся о металл.

Соединения лантана используются при изготовлении стекла для лучших объективов фотоаппаратов и специальных защитных очков. В сплаве с магнием лантан используется для изготовления деталей авиационных двигателей.

Любопытно, что своеобразными "залежами" лантана является всем знакомое растение черника, зола которой содержит до 0,17% окиси лантана. Много лантана в золе низкорослых карельских берез.