Лантаноиды (стр. 1 из 7)

Курсовая работа

Выполнил студент второго курса Института Естествознания и Экономики 208-й группы Филатов С.

Оренбургский Государственный Педагогический Университет

Оренбург 2003

Введение

В периодической системе Д. И. Менделеева есть 15 необычных металлов, очень непохожих на все остальные. Это лантаноиды. Это и есть тема моей курсовой. Лантаноиды недостаточно хорошо изучены, хотя они нашли широчайшее применение в промышленности. Лантаноиды – уникальное семейство металлов в периодической системе Д. И. Менделеева. Уникальность заключается в том, что все металлы должны были бы стоять в одной клетке, так похожи они по своим свойствам. Многие умы решали эту сложную задачу, и в итоге было предложено вынести эти 15 элементов за пределы таблицы. И по открывающему этот ряд элементу и была названа эта плеяда металлов – лантаноиды. Схожесть металлов можно проследить и по минералам, в которые они входят. Дело в том, что почти все лантаноиды были выделены из одного минерала: эрбиевой земли.

Цель данной курсовой – раскрыть важность этих 15 металлов в науке, технике, промышленности, а также их применение в различных областях нашей жизни, показать уникальность этого семейства металлов.

Общая характеристика лантаноидов

К семейству лантаноидов относят 15 элементов периодической системы Д. И. Менделеева: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. По характеру заполнения 4f – орбиталей лантаноиды делятся на подсемейство церия и подсемейство тербия. Первые 7 элементов (от церия до гадолиния включительно) относятся к подсемейству церия, а остальные 7 (от тербия до лютеция) относятся к подсемейству тербия.

Конфигурация валентных электронов атомов лантаноидов может быть выражена общей формулой 4f2-145d0-16s2 (рис 1). У них достраивается третий снаружи энергетический уровень (4f – подуровень) при одинаковом количестве электронов наружного энергетического уровня (6s2) и у большинства лантаноидов предвнешнего (5s25p6) энергетического уровня. По правилу Хунда у элементов подгруппы церия 4f орбитали заполняются по одному электрону, а те же орбитали у элементов подгруппы тербия – по второму электрону.

У церия на 4f-уровне находятся два электрона – один за счет увеличения порядкового номера по сравнению с лантаном на единицу, а другой переходит с 5d-уровня на 4f. До гадолиния происходит последовательное увеличение числа электронов на 4f-уровне, а уровень 5d остается незанятым. У гадолиния дополнительный электрон занимает 5d-уровень, давая электронную конфигурацию 4f75d16s2, а у следующего за гадолинием тербия происходит, аналогично церию, переход 5f-электрона на 4f-уровень (4f96s2). Далее до иттербия наблюдается монотонное увеличение числа электронов до 4f14, а у завершающего ряд лютеция вновь появляется 5f-электрон (4f145d16s2) (табл. 1).

Периодический характер заполнения 4f-орбиталей сначала по одному, а потом по два электрона предопределяет внутреннюю периодичность свойств лантаноидов. Периодически изменяются металлические радиусы, степени окисления, температуры плавления и кипения, величины магнитных моментов, окраска и другие свойства.

Энергия отрыва одного электрона с 4f-орбитали невелика. При незначительном возбуждении один из 4f-электронов (редко два) переходит в 5d-состояние. Остальные же 4f-электроны, экранированные от внешнего воздействия 5s25p6-электронами, на химические свойства большинства лантаноидов существенного влияния не оказывают. Таким образом, свойства лантаноидов в основном определяют 5d16s2-электроны. Поэтому лантаноиды проявляют большое сходство с d-элементами III группы – скандием и его аналогами.

Однако некоторые из них проявляют наряду с характерной степенью окисления +3 и так называемые аномальные степени окисления – +2, +4.

Табл. 1. Общая характеристика лантаноидов

порядковыйномер	названиеэлемента	символэлемента	электронная конфигурация	радиусатома, нм	радиус иона, нм	энергияионизацииЭ→Э+, эв
57	Лантан	La	5d16s2	0,187	0,117	5,58
58	Церий	Ce	4f15d16s2	0,183	0,115	5,50
59	Празеодим	Pr	4f3 6s2	0,182	0,113	5,42
60	Неодим	Nd	4f4 6s2	0,182	0,111	5,49
61	Прометий	Pm	4f5 6s2	0,180	0,111	5,55
62	Самарий	Sm	4f6 6s2	0,181	0,110	5,63
63	Европий	Eu	4f7 6s2	0,202	0,109	5,66
64	Гадолиний	Gd	4f75d16s2	0,179	0,115	6,16
65	Тербий	Tb	4f9 6s2	0,177	0,106	5,85
66	Диспрозий	Dy	4f10 6s2	0,177	0,105	5,93
67	Гольмий	Ho	4f11 6s2	0,176	0,104	6,02
68	Эрбий	Er	4f12 6s2	0,175	0,103	6,10
69	Тулий	Tm	4f13 6s2	0,174	0,102	6,18
70	Иттербий	Yb	4f14 6s2	0,193	0,101	6,25
71	Лютеций	Lu	4f145d16s2	0,174	0,100	5,43

Причём, одни степени окисления характерны при одних условиях, другие – при других. Так, например, в щелочной среде устойчив ион Cе4+, а в кислой среде – Се3+. Эти состояния окисления связывают с образованием наиболее устойчивых электронных конфигураций 4f0, 4f7, 4f14. Так, Ce и Tb приобретают конфигурации 4f0 и 4f7, переходя в состояние окисления +4, тогда как Eu и Yb имеют соответственно конфигурации – 4f7 и 4f14 в состоянии окисления +2. Однако существование Pr (IV), Sm (II), Dy (IV) и Tm (II) свидетельствует об относительности критерия особой устойчивости электронных конфигураций 4f0, 4f7 и 4f14.

У иттербия помещённые на 4f-орбитали 14 электронов настолько плотно экранируют наружный слой, что с него довольно легко уходят 2 электрона, обнажая стабильную структуру нижележащих слоёв. У эрбия завершается заполнение 4f-орбитали, которая плотным экраном защищает ядро. Под действием возросшего заряда эта орбиталь сильнее притягивается к ядру, и радиус атома становится всё меньше.

Табл. 2. Внутренняя периодичность лантаноидов

Лантаноид	Цвет гидратированного иона	Степеньокисления	ΔG,КДж/моль
La	Бесцветный	+3	-1653,9
Ce	Бесцветный	+3, +4	-1642,2
Pr	Жёлто - зелёный	+3, (+4)	-1634,2
Nd	Красно – фиолетовый	+3	-1637,2
Pm	Розовый	+3	-1611,2
Sm	Жёлтый	+3, (+2)	-1629,2
Eu	Почти бесцветный	+3, +2	-1537,6
Gd	Бесцветный	+3	-1637,2
Tb	Бесцветный	+3, +4	-1631,3
Dy	Жёлто – зелёный	+3, (+4)	-1642,6
Ho	Коричнево - жёлтый	+3	-1637,2
Er	Розовый	+3	-1621,3
Tm	Бледно - зелёный	+3, (+2)	-1617,9
Yb	Бесцветный	+3, +2	-1581,1

Так у гольмия он равен 17,5•10-10, а у эрбия - 17,4•10-10. В электронной оболочке атома тербия на 4f-орбиталях появляются первые пары электронов – сразу две. Чтобы получить устойчивую конфигурацию иона гадолиния, тербию надо отдать не три, а целых четыре электрона. Поэтому тербий помимо характеристической степени окисления имеет и степень окисления +4. На свойствах атома самария сказывается близость заполнения 4f-орбитали наполовину, когда каждая ячейка этой орбитали имеет один неспаренный электрон. Ион Sm2+ образуется при отрыве от атома двух внешних электронов с 6s-орбитали

При исключительной близости свойства лантаноидов всё же отличаются. Некоторые свойства в ряду Ce – Lu изменяются монотонно, другие – периодически. Первое изменение свойств объясняется лантаноидным сжатием – постепенным уменьшением в ряду вышеуказанных металлов атомных и ионных радиусов (рис 2).

R,нм

0,21

0,20

0,19

0,18

0,17

0,16

0,00 Z 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Рис 2. Зависимость атомных радиусов лантаноидов от их порядкового номера

Периодический характер заполнения 4f-орбиталей сначала по одному, а затем по два электрона предопределяет внутреннюю периодичность в изменении свойств лантаноидов и их соединений. Атом европия имеет самый большой радиус и объём. Большой атом элемента определяет лёгкость вещества.