Лантан

Шаблон:ПеренаправлениеШаблон:Значения Шаблон:Карточка химического элемента Шаблон:Элемент периодической системы 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<ref>Шаблон:Из КНЭ
Шаблон:Cite web</ref>.

Входит в семейство лантаноидов (получившее по нему название) и, таким образом, является редкоземельным элементом.

Простое вещество лантан — мягкий блестящий металл серебристо-белого цвета. Шаблон:-

История

Лантан как химический элемент не удавалось открыть на протяжении 36 лет. В 1803 году 24-летний шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус исследовал минерал, известный теперь под названием церит. В этом минерале была обнаружена иттриевая «земля» (земля — устаревший термин для тугоплавких оксидов) 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 Шаблон:Lang-grc — «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 2,9·10⁻⁶мг/л<ref name="ХЭ"/><ref>J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965</ref>. Основные промышленные минералы лантана — монацит, бастнезит, апатит и лопарит. В состав этих минералов также входят другие редкоземельные элементы<ref name="ХЭ"/>.

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома лантана: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁰5d¹

Лантан — мягкий пластичный блестящий серебристо-белый металл, в чистом состоянии — ковкий и тягучий. Слабо парамагнитен. Кристаллическая структура плотноупакованная типа плотнейшей гексагональной упаковки<ref name =Рипан>Шаблон:Книга</ref>.

Существует в трёх кристаллических модификациях: α-La с гексагональной решёткой (а=0,3772 нм, с=1,2144 нм, z=4, пространственная группа Р6₃/ттс)<ref name="ХЭ"/>, 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<ref name="ХЭ"/>. DH° полиморфных переходов: α:β — 0,36 кДж/моль, β:γ — 3,12 кДж/моль<ref name="ХЭ"/>. При переходе из одной модификации в другую меняется плотность лантана: α-La имеет плотность 6,162-6,18 г/см³<ref name =Рипан/>, β-La — 6,19 г/см³, γ-La — 5,97 г/см³<ref name="ХЭ"/>.

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<ref name =Рипан/>.

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<ref name="ХЭ"/>.

• Во влажном воздухе быстро превращается в осно́вный карбонат лантана:

<math>\mathsf{4La + 3O_2 \ \xrightarrow{}\ 2La_2O_3 }</math>

<math>\mathsf{La_2O_3 + 2CO_2 + H_2O \ \xrightarrow{}\ 2LaCO_3(OH) }</math>

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

<math>\mathsf{4La + 3O_2 \ \xrightarrow{450^oC}\ 2La_2O_3 }</math>

• Медленно реагирует с холодной водой и быстро — с горячей, образуя гидроксид лантана(III)<ref name=WebElements>Шаблон:Cite web</ref>:

<math>\mathsf{2La + 6H_2O \ \xrightarrow{90^oC}\ 2La(OH)_3 + 3H_2 \uparrow }</math>

• При нагревании лантан вступает в реакции со фтором, хлором, бромом и иодом, давая соответственно фторид, хлорид, бромид и иодид<ref name=WebElements/>:

<math>\mathsf{2La + 3F_2 \ \xrightarrow{100^oC}\ 2LaF_3 }</math>

<math>\mathsf{2La + 3Cl_2 \ \xrightarrow{100^oC}\ 2LaCl_3 }</math>

<math>\mathsf{2La + 3Br_2 \ \xrightarrow{t^oC}\ 2LaBr_3 }</math>

<math>\mathsf{2La + 3I_2 \ \xrightarrow{t^oC}\ 2LaI_3 }</math>

• Легко взаимодействует с минеральными кислотами с образованием ионов La³⁺ и водорода. Вполне возможно, что в водном растворе ион La³⁺ в значительной степени существует как комплексный ион [La(OH₂)₉]³⁺<ref name = WebElements/>:

<math>\mathsf{2La + 3H_2SO_4 \ \xrightarrow{H_2O}\ 2La^{3+} + 3SO_4^{2-} + 3H_2 \uparrow }</math>

Основные соединения

• Ацетилацетонат лантана — органическое соединение, хелат, формула La(С₅H₇O₂)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(C₁₀H₉O₂)₃. Образует жёлтые призматические кристаллы. Получается взаимодействием солей лантана со спиртовым раствором бензоилацетона.
• Бромид лантана(III) — бинарное соединение, формула LaBr₃. Образует белые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Получают действием бромоводорода на оксид или сульфид лантана.
• Гидрид лантана(III) — бинарное соединение, формула LaH₃. 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 LaI₃. 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 LaС₂. Образует жёлтые кристаллы. Реагирует с водой с образованием гидроксида и с выделением этана и ацетилена.
• Карбонат лантана(III) — бесцветное кристаллическое вещество с формулой La₂(CO₃)₂, образует кристаллогидрат состава La₂(CO₃)₂·8H₂O. Получается пропусканием углекислого газа через суспензию гидроксида лантана.
• Купферонат лантана — органическое вещество, хелат, формула [La{C₆H₅N(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(NOШаблон:Sub)Шаблон:Sub; хорошо растворяется в воде и органических растворителях. Получается растворением лантана, его оксида или гидроксида в азотной кислоте.
• Оксалат лантана(III) — бесцветное вещество, формула LaШаблон:Sub(CШаблон:SubOШаблон:Sub)Шаблон:Sub. Не растворяется в воде. Получается действием на растворимые соли лантана избытком щавелевой кислоты.
• Оксид лантана(III) — белые кристаллы, формула LaШаблон:SubOШаблон:Sub. 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 La₂O₂S.
• 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 LaSiШаблон:Sub. Образует серые кристаллы.
• Сульфат лантана(III) — бесцветные кристаллы, растворимые в воде, формула LaШаблон:Sub(SOШаблон:Sub)Шаблон:Sub. 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 LaШаблон:SubSШаблон:Sub; 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 LaSШаблон:Sub — коричневые кристаллы.
• Фосфат лантана(III) — бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде, формула LaPOШаблон:Sub. 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 LaFШаблон:Sub. Не растворяется в воде. Получают взаимодействием лантана с плавиковой кислотой либо прямым сгоранием лантана во фторе.
• Хлорид лантана(III) — бесцветное вещество с формулой LaClШаблон:Sub, хорошо растворимое в воде. Получается реакцией лантана с хлором или взаимодействием его с соляной кислотой.

Минералы

• Бастнезит — минерал класса фторкарбонатов, формула (Ce, La, Y)CO₃F. Образует прозрачные кристаллы жёлтого, оранжевого, красного и бурого цветов. Твёрдость по Моосу — 4—4,5; плотность — Шаблон:Nobr Может содержать от 34,7 до 45,8 % оксида лантана(III)<ref>Шаблон:ВТ-ЭСБЕ</ref>.
• Гадолинит — чёрный (чёрно-бурый) минерал с жирным стекловатым блеском, формула (Ce, La, Nd, Y)₂FeBe₂Si₂O₁₀. Твёрдость по шкале Мооса — 6,5-7<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Плотность — Шаблон:Nobr<ref>Шаблон:ВТ-ЭСБЕ</ref>. Состав непостоянен.
• Монацит — минерал класса фосфатов, формула (Ce, La, Nd, Th)[PO₄]. Может иметь жёлтую, красновато-бурую, гиацинтово-красную, оливиново-зеленую окраску; цвет черты — белый (зеленовато-белый). Твёрдость по Моосу — 5—5,5; плотность — Шаблон:Nobr<ref>Шаблон:ВТ-ЭСБЕ</ref>. 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(SiO₄)₃(OH)<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Твёрдость по Моосу — 5,5-6<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Плотность Шаблон:Nobr<ref>Шаблон:ВТ-ЭСБЕ</ref>.

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

Калильная сетка

• 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<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:ВТ-ЭСБЕ</ref>.

«Горячий катод», состоящий из борида лантана LaB₆

Диаграмма, показывающая поглощение света стеклом ZBLAN

• Оксид и борид лантана используются в электронно-вакуумных лампах как материал т. н. «горячего катода», то есть катода с высокой интенсивностью потока электронов. Кристаллы LaB₆ применяются в источниках катодных лучей для электронных микроскопов<ref>Шаблон:Статья</ref>.
• Лантан применяется как компонент сплавов никеля, магния, кобальта и др.<ref name="бхэ"/>
• Соединение состава La(Ni_3.55Mn_0.4Al_0.3Co_0.4Fe_0.35) используется для анодного материала никель-металл-гидридных аккумуляторов. Оно представляет собой интерметаллид AB₅-типа<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.
• Чистый лантан практически не используется по причине своей высокой стоимости; вместо него применяется мишметалл: сплав с содержанием лантана 20—45 %<ref name="misch metal">Шаблон:Cite web</ref><ref name=CRC/>. Мишметалл является компонентом жаропрочных и коррозионностойких сплавов<ref name="бхэ"/>.
• Для производства типичного гибридного автомобиля Toyota Prius требуется 10—15 кг лантана, где он входит в состав аккумулятора<ref>Шаблон:Cite news</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.
• Карбонат лантана используется как лекарство, имеющее собственное название Fosrenol<ref name=fosrenol>Шаблон:Cite web</ref>, применяющееся при гиперфосфатемии для поглощения избытка фосфатов<ref name=fosrenol/>.
• 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<ref name=CRC>Шаблон:Книга</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.
• Соли лантана и других редкоземельных элементов применяются в угольных дуговых лампах для увеличения яркости дуги<ref>[[Категория:Слова {{ #switch: БСЭ|ar =арабского|de =немецкого|el =греческого|en =английского|es =испанского|it =итальянского|ja =японского|fa =персидского|fr =французского|la =латинского|nl =нидерландского|pl =польского|ru=русского|uk=украинского|cs=чешского|lt=литовского|grc=греческого|zh=китайского|неопределённого}} происхождения{{#if:|{{ #switch: |да=/ru|нет=|/{{{2}}}}}|/ru}}]]</ref>. Угольные дуговые лампы были популярны в кинопроекторах. На производство последних приходится около 25 % соединений лантана, которые изначально предполагались для дуговых ламп<ref name=CRC/><ref>Шаблон:Книга</ref>.
• Жидким лантаном извлекают плутоний из расплавленного урана<ref name="пбхэ"/>.
• Небольшая добавка лантана к стали увеличивает её пластичность и деформируемость. Добавка лантана к молибдену уменьшает его твёрдость и чувствительность к перепадам температур<ref name=CRC/>.
• Фторид лантана — важный компонент люминофоров. В смеси с фторидом европия он используется в кристаллической мембране ионоселективных электродов<ref name=patnaik>Шаблон:Книга</ref>. Он также входит в состав стекла ZBLAN. Оно обладает улучшенным коэффициентом пропускания в инфракрасном диапазоне и поэтому применяется в волоконной оптике<ref name=rutg>Шаблон:Cite web</ref>.
• Оксид лантана(III) — компонент специальных стёкол, высокотемпературной керамики, применяется также для производства других соединений лантана<ref name=CRC/><ref>Шаблон:Статья</ref>Шаблон:Efn.
• Хлорид и бромид лантана применяются как сцинтилляторы с высоким световым выходом, лучшим энергетическим разрешением и временем высвечивания<ref>E. V. D. van Loef, P. Dorenbos, C. W. E. van Eijk, K. W. Kraemer and H. U. Guedel Appl. Phys. Lett. 79 2001 1573</ref><ref>Knoll, Glenn F., Radiation Detection and Measurement 3rd ed. (Wiley, New York, 2000).</ref>.
• Оксисульфид и алюминат лантана используются в люминофорах<ref name="бхэ"/><ref name="рипан">Шаблон:Книга</ref>.
• Ионы лантана, как и пероксидаза хрена, используется в молекулярной биологии для усиления электрического сигнала до уровня, необходимого для детекции<ref>Шаблон:Статья</ref>.
• Бентонитовая глина (т. н. Phoslock), в которой ионы натрия и кальция заменяются на ионы лантана, используется для очистки сточных вод от фосфатов<ref>Шаблон:Статья</ref>.
• 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<ref>Phosphate in Swimming Pool Water — The Root of Algae Problems</ref>.
• Некоторые соединения лантана (и других редкоземельных элементов), например, хлориды и оксиды являются компонентами различных катализаторов, применяемых в частности, для крекинга нефти<ref>Шаблон:Книга</ref>.
• Добавка оксида лантана (La₂O₃) к вольфраму используется при дуговой сварке вольфрамовым электродом, как замена радиоактивному торию<ref>Шаблон:Книга</ref><ref>Шаблон:Книга</ref>.
• Лантан-бариевый метод радиометрического датирования иногда используется для оценки возраста горных пород и месторождений полезных ископаемых<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Биологическая роль

В 1930-х годах советский учёный А. А. Дробков 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<ref name="пбхэ">Шаблон:Cite web</ref><ref>Дробков А. А. Влияние редкоземельных элементов на рост растений. «Доклады АН СССР», 1935, 17(5), 261—263.</ref><ref>Дробков А. А. Микроэлементы и естественные радиоактивные элементы в жизни растений и животных / Отв. ред. Н. Г. Жежель. — М. : Изд-во АН СССР, 1958. — 208 с.</ref>. Однако использование микроудобрений на основе лантана и других РЗЭ приводит к противоположным результатам для разных видов и даже сортов одного вида культурных растений<ref name=komarov>Комаров С. М. Редкая соль земли. Химия и жизнь, № 5, 2013, с. 20—22.</ref>. В Китае, являющемся ведущим мировым производителем РЗЭ, такие микроудобрения массово применяются в сельском хозяйстве<ref name=komarov/><ref>Zhengyi Hu et al. Physiological and Biochemical Effects of Rare Earth Elements on Plants and Their Agricultural Significance: A Review. Journal оf Plant Nutrition, 2004, 27(1), p. 183—220.</ref>.

Ионы лантана способны увеличивать амплитуду ГАМК-активированных сигналов на пирамидальных нейронах гена Шаблон:Не переведено, отмеченных в гиппокампе головного мозга<ref name="Pyramidal Neurons"/>. Получение этих данных позволило сравнить чувствительность рецепторов ГАМК_A пирамидальных нейронов с аналогичными рецепторами других клеток по восприимчивости к ГАМК и ионам лантана<ref name="Pyramidal Neurons">Шаблон:Статья</ref>.

Изотопы

Шаблон:Main В природе лантан встречается в виде смеси двух изотопов: стабильного ¹³⁹La и радиоактивного ¹³⁸La (период полураспада 1,02Шаблон:E лет). Доля более распространённого изотопа ¹³⁹La в природной смеси составляет 99,911 %<ref name="бхэ">[www.xumuk.ru/encyklopedia/2271.html Статья в Большой Химической Энциклопедии]</ref>. Искусственно получены 39 неустойчивых изотопов с массовыми числами 117—155 и 12 ядерных изомеров лантана<ref name="AME2003">Данные приведены по Шаблон:Справочник:AME2003</ref><ref name="Nubase2003">Данные приведены по Шаблон:Справочник:Nubase2003</ref>. 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<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.

См. также

• Мишметалл — сплав лантана с другими редкоземельными элементами.

Примечания

Комментарии Шаблон:Комментарии Источники Шаблон:Примечания

Литература

• Шаблон:Книга

Ссылки

• Шаблон:Cite web

	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1
2
3
4
5
6
7