Металлдар және бейметаллдар химиясы пәні бойынша тақырыбы: Лантаноидтар

                                                                                       Ф.5-33

                                        Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министірлігі

                                                 Павлодар мемлекеттік педагогикалық институты

Химия кафедрасы

 

 

 

 

 

 

 

 

                                       

 

 

 

РЕФЕРАТ

Металлдар және бейметаллдар химиясы     пәні бойынша

                тақырыбы:     Лантаноидтар 

               

                (бағасы)

 

 

 

 

                                                                                            Жетекшісі:

                                                                                           

                                                                                            Жунусова  Куралай Зекеновна

                                                                                             (аты-жөні)

                                                                               

                                                                                             (қолы)                         (күні)

                                                                                             Тобы: ХМ - 21

                                                                                             Студент:  Мырзагалиева Айнель

 

                                                

 

 

 

                                                                       2013

Жоспар:

 

I.  Кіріспе

II. Негізгі бөлім:

1. Лантаноидтардың периодтық жүйедегі  орны және электрондық құрылысы

2. Лантаноидтардың табиғата таралуы  және алынуы.

3. Лантаноидтардың физико  – химиялық қасиеттері.

III. Қорытынды

IV. Пайдаланылған әдебиет

КІРІСПЕ

Лантаноидтар, лантанидтер (лантан және грек. lіdos — бейне, түр), элементтердің периодтық жүйесінің ІІІ тобында орналасқан. Атомдық номері 58 — 71 аралығындағы 14 химиялық элементтің [Ce (атомдық номері 58), Pr (59), Nd (60), Pm (61), Sm (62), Eu (63), Gd (64), Tb (65), Dy (66), Ho (67), Er (68), Tm (69), Yb (70), Lu (71)] тобы (шоғыры). Сирек жер элементтері тобына кіреді.

Лантаноидтар екі топқа  бөлінеді: церийлі (Ce-ден Eu-ге дейін) және итрийлі (Gd-ден Lu-ге дейін). Ce-ден Gd-ге дейінгілері  жеңіл лантаноидтар, ал Tb-ден Lu-ге дейінгілері ауыр лантаноидтар деп аталады.  Лантаноидтардың жер қыртысындағы мөлшері (массасы бойынша) 1,6/10–2%. Лантаноидтардың физикалық және химиялық қасиеттері ұқсас болғандықтан оларды бір-бірінен бөліп алу өте қиын. Бұл электрондық бұлттар құрылысының ұқсастығымен түсіндіріледі. “Итрийлі жерді” 1794 жылы Фин химигі Ю. Гадолин (1760 — 1852) минералдар құрамынан тауып, гадолинит деп атады. 1803 жылы М. Клапрот (1743 — 1817) және Й.Я. Берцелиус (1779 — 1848) жаңа “церийлі жерді” анықтады. Лантаноидтар күмістей ақ түсті (кейбіреулері аздап сарғыш, мысалы, Pr және Nd) металл, созылғыш әрі иілгіш.

Лантаноидтар химиялық активті, олар берік оксидтер, галогенидтер, сульфидтер түзеді; сутек, көміртек, азот және фосформен әрекеттеседі. Суды ыдыратады, тұз, күкірт және азот қышқылдарында ериді. Лантаноидтар нашар еритін тұздардың қорғағыш қабықшасымен жабылғандықтан тұрақты болып келеді. Органикалық қосылыстармен кешенді қосылыстар түзеді. Барлық Лантаноитарды олардың тұзды балқымаларындағы қосылыстарын электролиздеу арқылы алуға болады. Механикалық коррозияға тұрақтылығын, ыстыққа төзімділігін арттыру үшін Лантаноидтарды болат, шойын, т.б. құймаларға қоспа ретінде, шынылардың арнайы түрлерін алу үшін, атом техникасында, т.б. қолданады. Лантаноидтар қосылыстарын лактар дайындау, радиоэлектроникада катодтар жасау үшін, тері, мақта-мата өнеркәсібінде, т.б. мақсаттарда пайдаланылады.

1. Лантаноидтардың электрондық құрылысы

Лантаноидтар мынадай  жалпы электрондық формуламен 4f²-145s²5p6⁵d0-16s² кескіндеуге болады.

Сырттан бірінші 6 қабат бәрінде бірдей (6s²), екінші 5 қабат басым көпшілігінде бірдей, сонда электрон толтырылатын 4f қабатқа электрон қону ретіне қарасақ, бұл лантаноидтар екіге бөлінетін сияқты. Алғаш жеті элементте (Се-Сd) 4f – орбитальда бәр электроннан қонады, бұларды церий топшасы дейді, келесі жеті элементте (Tb – Lu) 4f — орбитальға тағы бір электроннан қонады, бұларды тербий топшасы деп атайды.

Сонда 4f⁷ және 4f¹⁴ тұрақты конфигурация болып табылады. Осы тұрақты конфтгурацияның үстіне келетін электрон (Cd мен Lu) қатпарына орналасады (La да сол сияқты).

Химиялық реакция кезінде  лантаноидтардың атомдарын қоздырғанда,  4f күйдегі біреуі (кейде ғана екеуі) 5d күйге көшеді. Қалған  4f – электрондары, олардың сыртын қоршаған 5s² 5p⁶ электрондар қалқалап сыртқы қоздырушы әрекеттен сақтап қалады. Сонымен лантаноидтардың химиялық қасиеттері 5d¹ 6s² орбитальдарындағы 3 электронмен анықталады. Бұлардың көпшілік жағдайда 3 валентті және III топтағы элементтерге (Sc, Y, La) ұқсас болуы да осыдан шағады.

Сонымен лантаноидтардың айырмашылығы сырттан санағанда 3 қатпарларында болғандықтан, ал ол қабат олардың химиялық қасиеттеріне көп әсер ете алмайтын болғандықтан, лантаноидтар бір – бірімен өте ұқсас болады.

Лантаноидтардың осы  өзара ұқсастығының салдарынан, әрі  бұлардың скандий, итрий және лантанға эқсастығын пайдаланып осылардың барлығын сирек жер элементтері деп атайды. (1)

 

Лантаноидтардың электрондық конфигурациясы

Таңбасы	Электрондық конфигурациясы
La	[Ba] 4f0 5s2 5p6 6s2
Ce	[La] 4f1 5s2 5p6 6s2
Pr	[La] 4f2 5s2 5p6 6s2
Nd	[La] 4f3 5s2 5p6 6s2
Pm	[La] 4f4 5s2 5p6 6s2
Sm	[La] 4f5 5s2 5p6 6s2
Eu	[La] 4f6 5s2 5p6 6s2
Gd	[La] 4f7 5s2 5p6 6s2
Tb	[La] 4f8 5s2 5p6 6s2
Dy	[La] 4f9 5s2 5p6 6s2
Ho	[La] 4f10 5s2 5p6 6s2
Er	[La] 4f11 5s2 5p6 6s2
Tm	[La] 4f12 5s2 5p6 6s2
Yb	[La] 4f13 5s2 5p6 6s2
Lu	[La] 4f14 5s2 5p6 6s2

 

Лантаноидтар ұқсас  болғанымен кейбір қасиеттерінде айырмашылығы да бар. Церийге бастап лютецийге  дейін қарағанда бұлардың кейбір қасиеттері бір элементтен екіншісіне көшкенде біртіңдеп өзгереді, бірақ бір қасиеттері периодты түрде өзгереді.

Лантаноидтардың қасиеттерінің  біртіңдеп өзгеруі – лантаноидтық жиырылу (қысылу) деп аталатын өзгеріс  арқылы түсіндіріледі.

Лантаноидтарды Ce  ден Lu- ге дейін рет нөмері (58-71), соған орай ядроның заряды да, электрон саны да өседі, бірақ жаңадан қосылатын элктрондар сырттағы алыс қабаттарға емес, ішкі 4f – орбитальға орналасады, демек бұлар ядроға жақынырақ орналасатындықтан, ядроның оларды өзіне тартуы күштірек болады, сондықтан 4f орбиталь жиырылынқы болып шығады. Оның саладарынан церий ионының радиусы 0,102 нм болса, ақырғы лантаноид лютеций ионының радиусы 0,080 нм. Осыны лантаноидтық жиырылу деп атайды.

Лантаноидтық жиырылудан туатын лантаноидтардың қасиеттеріндегі  айырмашылық онша үлкен болмағанымен, осы металдарды бірінен – бірін ажыратып алуға біраз уақыт керек.

Лантаноидтардық қасиеті  периодты түрде өзгеретіні, олардың 4f орбитальға электрон толтырылуының периодтылығымен анықталады.

 

Лантаноидтардың тотығу дәрежелері:

						La           4f0         3
Се        4f1      3,4	Pr         4f2     3,4 ,5	Nd        4f3         3	Pm       4f4          3	Sm       4f5      3,4,2	Eu        4f6       3,2	Gd        4f7       3,4
Tb       4f8      3,4	Dy        4f9       3,4	Ho      4f10       3	Er        4f11        3	Tu       4f12       3,2	Yb      4f13       3,2	Lu       4f14        3

 

2. Лантаноидтардың табиғата таралуы және алынуы

Лантаноидтар табиғатта  өте сирек кездеседі. Олардың  жер бетіндегі жалпы мөлшері  салмағы бойынша 0,004 пайыз. Барлығының тұрақты изотоптары бар. Көптеген изотоптарын уранды ыдырату арқылы атомдық реакторда алады.

Лантаноидтар бір –  біріне өте ұқсас болғандықтан оларды бөлу өте қиын. Лантаноидтар бар  кенді алдымен азот немесе күкірт қышқылымен өңдеп, сонан соң оны ионалмастырғыш хроматография, фракциялық кристалдау әдістерін қолданып жеке тұздарын бөледі. Таза металдарын олардың хлоридтері мен сілтілік металл хлоридінің балқымасын электролиздеп алады. Барлық лантаноидтар күмістей аппақ, қиын балқитын, ауыр металдар. (2)

Лантаноидтарды алу  үшін монацид деген минерал қолданылады, ол негізінде осылардың фосфаты. (МеРО4), одан басқа бастанзит (МеFCO3) минералдарының да құрамынан алынады. Лантаноидтар өзара өте ұқсас болғандықтан, оларды бір – бірінен бөліп алу өте қиын. Лантаноидтар таза күйінде барлығы бірдей алынып та болған жоқ, алынғандары – Ce, Pr, Nd, Sm, Eu. Моноциттан әдетте «аралас металл» алынады, ол негзінде лантан мен церий және басқа лантаноидтар қоспасы. «Аралас металл» ауада өздігінен өздігінен тұтанып кете алады.

Лантаноидтар 1955 жылға  дейін көп қолданылмаған. Қазіргі  заман техникасында, әсіресе металлургиясында, қара және түсті металдарға араластыруға (лигирлеуге) тұтану жыл санап күшейәп  келе жатыр.  Лантаноидтар араласса металдардың құрылымы, механикалық және құйылу қасиеттері жақсарады, олардың пластикалығы, созылғыштығы, отқа және коррозияға тұрақтылығы артады.

Лантаноидтар оттек, сутек  және басқа газдарды да сіңіргіш, сондықтан  тотықсыздандырғыш ретінде, вакуум аспаптарындағы газдар қалдығын, болаттардағы сутекті сіңіруге пайдаланылады.

Лантаноидтардың өзара  түзген құймалары – өте маңызды, оларды аралас металл (межметалл) деп  атайды. Мұның өздігінен тұтану қасиетін автомашина, самолеттердің стартерлерін жасау үшін пайдаланылады. Олар тотыққанда көп жылу бөліп шығаратындықтан балқуы қиын металдарды (Ni, Co, Mn, Cr және т.б.) алуды олардың тотықтарын тотықсыздандыруда қолданылады. (1)

Химиялық реакция кезінде  лантаноидтар өте күшті тотықсыздандырғыш  болып табылады. Бұл қасиеті церий  элементінен лютецийге қарай кемиді.

Лантаноидтар ауада  қыздырғанда оксидтер Э2О3 түзеді:

4Э+3О2=2Э2О3

Лантаноидтер оксидтері  Э2О3 негіздік қасиет көрсетеді. (2)

3. Лантаноидтардың  қасиеттері

Лантаноидтар  дербес күйде күмістей ақ металдар, прозеодим мен неодим ғана сарғылт түсті. Лантаноидтарыдың барлығы ауыр металдар. Лантаноидтардың көпшілігі парамагнитті, гадолий, диспрозий және гольмий феромагнитті.

Лантан (лат. Lanthanum) - атомдық номері 57, ат. м. 138,9055, сирек кездесетін элементтерге жатады. Лантанның табиғи екі изотопы бар: 139La (99,911%) және радиоактивті 138La (0,089%; Т1/2 1×1011 жыл).  Жылтыр, ақ түсті металл, тығыздығы 6,162 г/см3, балқу t 920^оС, қайнау t 3470^оС. Лантан ылғал ауада тотығады, бөлме температурасында су және тұз, азот, күкірт қышқылдарымен, 200^оС-тан жоғары температурада галогендермен әрекеттеседі. Лантан никелі бар геттер қорытпаларының негізі ретінде алюминийлі және т.б. қорытпаларға легирлеуші қоспа ретінде пайдаланылады. Сондай-ақ, ол болаттың коррозияға беріктігін және ыстыққа төзімділік қасиетін арттыруға қолданатын мишмиталл құрамдасы. Негізгі минералдары: моноцит (Ce, La...)PO₄, бастнезит (Ce, La...)FCO₃. Лантанның қосылыстары LaCrO₃ — жоғары температуралы электрөткізгіш керамикалық бұйымдар құрамына, La2О₃ — оптикалық шынылардың құрамына кіреді, ал LaF₃, La2О₃ — лазерлік қасиеті бар заттар ретінде қолданылады. (3)

Церий (лат. Cerіum),  Сұр металл; тығызд. 6,768 г/см3; балқу t – 798°С. Негізгі минералдары – монацит пен бастнезит. (4)

Празеодим (латын тілінде Praseodymіum). Жерде сирек кездесетін металл, жер қыртысындағы салмақ мөлшері 9,5×10-4%. Тұрақты бір изотопы 141Pr бар, қалған изотоптары жасанды жолмен алынған. Минералдары: монацит, бастнезит, лопарит. Кесек празеодим ақшыл, күміс түсті, таза күйінде иілгіш, оңай өңделеді, тығыздығы 6,78 г/см3, балқу температурасы 931⁰С, қайнау температурасы 351⁰С. 40⁰С-та оттекте жанады (Pr2O3), қыздырғанда азотпен нитрид (PrN) түзеді. Бөлме температурасында сутекті сіңіріп әр түрлі гидридтер (Pr(H)x) түзіп, HCl, HNO3, H2SO4-пен қыздырғанда галогендермен әрекеттеседі. Таза празеодим хлоридін (PrCl3) электролиздеу арқылы алады. Празеодим және оның қосылыстары парамагнитті. Оларды шыны, фарфор бояуда, болаттың арнайы сорттарын алуда, т.б. қолданады. (5)

Неодим (лат. Neodymіum). Жер қыртысындағы массалық үлесі 3,7,10–3%. Монацит (Ce, La…)[PO4] және лопарит (Na, Ca, Ce)2, (Tі, Nb)2O6 минералдарының кристалдық торларына изоморфты қоспа ретінде кіреді. Күмістей ақ металл, 885^оС-тан төмен темп-рада гексагоналды тығыз жинақталады , ал 885^оС-тан жоғарыда кубтық  кристалдық торларын түзеді. Тығызд. 7,007 г/см3, балқу t 1024^оC, қайнау t 3030^оС. Тотығу дәрежелері +2, +3, тұрақтысы +3. Ауада тотығады, бөлме темп-расында HCl, HNO₃, H₂SO₄-пен, қыздырғанда галогендермен әрекеттеседі.(6)

Неодимді оның үшфторидін немесе үшхлоридін кальциетерм. жолмен тотықсыздандыру, үшхлоридінің балқымасын электролиздеу  арқылы алады. Неодим ұшақ пен зымыран  жасауға пайдаланылады және лазерлік материалдарға арналған құймалардың (мыс., Mg, Al немесе Tі) құраушысы болып табылады.

Самарий (лат. Samarіum). Табиғатта тұрақты 6 изотопы бар. Монацит, бастнезит, лопарит, самарскит, гадолинит, ортит минералдарының кристалдық торына изоморфты қоспа ретінде кіреді. Күміс тәрізді жұмсақ металл; тығызд. 7,54 г/см³, балқу t 1072°С, қайнау t 1800°С. 917°С-тан төмен темп-рада кристалдық торы ромбоэдрлық (Sm), ал темп-ра одан жоғарыласа кубтық (Sm). Хим. активті, тотығу дәрежелері +2, +3. Ауада тұрақты, бөлме температурасында сумен, галогендермен, HCl, HNO₃, H₂SO₄-пен әрекеттеседі. Самариді SmF₃ тұзынан тотықсыздандырып алады. Магнит мен кобальт құймаларының негізгі құраушысы Самарий люминесценттік шамдардағы стартерлардың электродтары ретінде қолданылады. (7)

Еуропий - ақшыл сұр түсті металл. Балқу t 826°С, қайнау t 1440°С. Атмосфералық н. 63, атмосфеалық м. 151,96. Еуропийдің екі тұрақты изотопы бар: 151Eu және 153Eu. Жер қыртысындағы Еуропийдің мөлшері 1,2·10-4%. Монацит, лопарит, эвсненит, фергусонит минералдарының құрамына кіреді. Ауада тез тотығады, бөлме темп-расында сумен, минералды қышқылдармен әрекеттеседі. Баяу қыздырса галогендермен реакцияға түседі. Еуропийді Eu₂О₃-ті вакуумда лантанмен тотықсыздандыру арқылы және EuСl₃ балқымасын электролиздеп алады. Еуропий ядролық техникада нейтрондарды сіңіргіш, түрлі түсті теледидар люминофорының активаторы ретінде қолданылады. Еуропийді вакуумда не инертті атмосферада сақтайды.(8)