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Lantânio

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Lantânio
La 57
-

La

CA
báriolantâniocério
Aparência
branco prateado
Propriedades gerais
Nome, símbolo, número lantânio, La, 57
Pronúncia / l æ n θ ən əm /
Categoria Metallic lantanídeos
por vezes considerado um metal de transição
Grupo, período, bloco n / D, 6, f
Peso atômico padrão 138,90547
Configuração eletrônica [ Xe ] 6s 5d 1 2
2, 8, 18, 18, 9, 2
Conchas de electrões de lantânio (2, 8, 18, 18, 9, 2)
História
Descoberta Carl Gustaf Mosander (1838)
Propriedades físicas
Fase sólido
Densidade (perto RT) 6,162 g · cm -3
Líquido densidade no pf 5,94 g cm -3 ·
Ponto de fusão 1,193 K , 920 ° C, 1688 ° F
Ponto de ebulição 3737 K, 3464 ° C, 6267 ° F
Calor de fusão 6.20 kJ mol -1 ·
Calor de vaporização 402,1 kJ mol -1 ·
Capacidade calorífica molar 27,11 J · · mol -1 K -1
Pressão de vapor (extrapolada)
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
em T (K) 2005 2208 2458 2772 3178 3726
Propriedades atômicas
Estados de oxidação 3, 2 (fortemente óxido de base)
Eletronegatividade 1,10 (escala de Pauling)
Energias de ionização 1º: 538,1 kJ · mol -1
2: 1067 kJ · mol -1
3: 1850,3 kJ · mol -1
Raio atômico 187 pm
O raio de covalência 207 ± 20:00
Miscelânea
A estrutura de cristal hexagonal
Lanthanum has a hexagonal crystal structure
Ordenamento magnético paramagnético
Resistividade elétrica ( RT) (α, poli) 615 Nco · m
Condutividade térmica 13,4 W · m -1 · K -1
Expansão térmica ( RT) (α, poli) 12.1 uM / (mK)
Velocidade do som (haste fina) (20 ° C) 2.475 m · s -1
O módulo de Young (Forma α) 36,6 GPa
Módulo de cisalhamento (Forma α) 14,3 GPa
Massa de módulo (Forma α) 27,9 GPa
Rácio de Poisson (Forma α) 0.280
Dureza de Mohs 2,5
Dureza de Vickers 491 MPa
Dureza Brinell 363 MPa
Número de registo CAS 7439-91-0
A maioria dos isótopos estáveis
Ver artigo principal: Isótopos de lantânio
iso N / D meia-vida DM DE ( MeV) DP
137 La syn 6 × 10 4 y ε 0.600 137 Ba
138 La 0,090% 1,05 × 10 11 y ε 1.737 138 Ba
β - 1.044 138 Ce
139 La 99,910% La 139 é estável com 82 nêutrons

Lantânio é um elemento químico com o símbolo La e número atômico 57. O lantânio é um elemento metálico branco prateado que pertence ao grupo 3 da tabela periódica e é o primeiro elemento da lantanídeo série. Pode ser encontrada em alguns minerais das terras raras, normalmente em combinação com cério e outros elementos de terras raras. O lantânio é um, dúctil, e metal macio maleável, que oxida rapidamente quando exposto ao ar. É produzido a partir dos minerais monazita e bastnäsite usando um processo de extracção de múltiplos estágios complexo. Compostos de lantânio têm inúmeras aplicações como catalisadores, aditivos em vidro, iluminação de carbono para iluminação de estúdio e de projecção, elementos de ignição em isqueiros e lanternas, catodos de elétrons, cintiladores, e outros. Carbonato de lantânio (La 2 (CO 3) 3) foi aprovado como um medicamento contra insuficiência renal.

Propriedades

Propriedades físicas

Lantânio é um maleável metal macio, branco prateado que tem estrutura cristalina hexagonal à temperatura ambiente. A 310 ° C, a uma alteração de lantânio cara-estrutura cúbica centrada, e a 865 ° C numa corpo-estrutura cúbica centrada. O lantânio é facilmente oxidado (uma amostra de tamanho centímetro-oxida completamente dentro de um ano) e, portanto, é usado sob a forma elementar apenas para fins de investigação. Por exemplo, átomos de lantânio individuais foram isolados por os implantar moléculas de fulereno. Se nanotubos de carbono são preenchidos com essas fulerenos-encapsulada de lantânio e recozido, nanochains metálicas de lantânio são produzidos dentro de nanotubos de carbono.

Propriedades químicas

Lantânio apresenta dois estados de oxidação, três e dois, sendo a primeira muito mais estável. Por exemplo, LaH 3 é mais estável que LaH 2. Queimaduras lantânio facilmente a 150 ° C para formar de lantânio (III) óxido:

4 La + 3 O 2 → 2 La 2 O 3

No entanto, quando exposto ao ar húmido, à temperatura ambiente, óxido de lantânio forma um óxido hidratado com um grande aumento de volume.

O lantânio é bastante eletropositivo e reage lentamente com água fria e muito rapidamente com água quente para formar hidróxido de lantânio:

La 2 (s) + 6 H2O (l) → La 2 (OH) 3 (aq) + 3H 2 (g)

Lantânio de metal reage com todos os halogéneos. A reacção é vigorosa se realizou acima de 200 ° C:

La 2 (s) + 3 F 2 (g) → 2 LaF 3 (s)
La 2 (s) + 3 Cl2 (g) → 2 LaCl3 (s)
La 2 (s) + 3 Br 2 (g) → 2 LaBr 3 (s)
La 2 (s) + 3 I 2 (g) → 2 Lai 3 (s)

Lantânio se dissolve facilmente em diluída de ácido sulfúrico para formar soluções contendo os iões de La (III), que existem como [La (OH 2) 9] 3+ complexos:

La 2 (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 La 3+ (aq) + SO 3 2-
4 (aq) + 3H 2 (g)

Lantânio combina com azoto, carbono, enxofre, fósforo, boro, selénio, silício e arsénio a temperaturas elevadas, formando compostos binários. A configuração electrónica do ião incolor La 3+ é [Xe] 4f 0.

Isótopos

De ocorrência natural de lantânio é composto de um estábulo (139 La) e um radioativo (138 La) isótopo , com o isótopo estável, 139 La, sendo o mais abundante (99,91% abundância natural). 38 radioisótopos tem sido caracterizado como sendo o mais estável La 138 com uma meia-vida de 1,05 x 10 11 anos, e La 137 com uma meia-vida de 60.000 anos. A maioria dos restantes isótopos radioactivos têm semi-vidas que são menos de 24 horas, e a maioria delas têm uma meia-vida inferiores a 1 minuto. Este elemento também tem três meta estados.

Os isótopos de lantânio variar em peso atômico de 117 u (117 La) a 155 L (155 La).

História

A palavra lantânio vem do grego λανθανω [] = lanthanō mentir escondido. O lantânio foi descoberto em 1839 por Sueco químico Carl Gustav Mosander, quando ele decompostos parcialmente uma amostra de nitrato de cério, aquecendo e tratando o sal resultante com diluída de ácido nítrico . A partir da solução resultante, isolou uma nova terra rara chamou lantana. O lantânio foi isolado na forma relativamente pura em 1923.

O lantânio é o mais fortemente básico de todos os lantanídeos trivalentes, e esta propriedade é o que permitiu Mosander para isolar e purificar os sais deste elemento. Separação basicidade como operado comercialmente envolveu a precipitação fraccionada das bases mais fracas (como didímio) a partir de solução de nitrato por adição de óxido de magnésio ou diluir o gás amoníaco. Lantânio purificada permaneceu em solução. (Os métodos basicidade foram apenas adequado para a purificação de lantânio; didímio não pode ser eficientemente separada adicionalmente deste modo.) A técnica alternativa de cristalização fraccionada foi inventado por Dmitri Mendeleev , sob a forma do tetra-hidrato de nitrato duplo de amónio, que se usou para separar o lantânio menos solúvel do didímio mais solúvel na década de 1870. Este sistema foi usado comercialmente em purificação de lantânio até o desenvolvimento de métodos de extração de solvente práticas que começaram no final de 1950. (Um processo detalhado usando o duplo nitratos de amónio para fornecer 99,99% de lantânio puro, concentrados de neodímio e praseodímio concentrados é apresentado em Callow 1967, numa altura em que o processo foi apenas tornar-se obsoleto.) Conforme operado para a purificação de lantânio, os nitratos de amónio duplos foram recristalizados a partir de água. Quando, mais tarde adaptado por Carl Auer von Welsbach para a separação de didímio, ácido nítrico foi utilizado como um solvente para diminuir a solubilidade do sistema. O lantânio é relativamente fácil de purificar, uma vez que tem apenas um lantanídeo adjacente, o cério, o que por si só é muito facilmente removido, devido ao seu potencial tetravalency.

A purificação da cristalização fraccionada de lantânio como o nitrato de amónio duplo foi suficientemente rápido e eficiente, que lantânio purificado desta maneira não foi caros. O Chemical Division of American Potash e Chemical Corporation Lindsay, por um tempo o maior produtor de terras raras do mundo, em uma lista de preços datado de 01 de outubro de 1958 com preços 99,9% de nitrato de lantânio de amónio (teor de óxido de 29%) a 3,15 dólares por libra , ou US $ 1,93 por libra em quantidades de 50 libras. O óxido correspondente (ligeiramente mais puro a 99,99%) foi ao preço de 11,70 dólares ou 7,15 dólares por libra para os dois quantidade varia. O preço para seu grau mais pura de óxido (99,997%) foi 21,60 dólares e 13,20 dólares, respectivamente.

Ocorrência

Monazita

Embora lantânio pertence ao grupo chamado elemento metais de terras raras, não é raro em tudo. Lantânio está disponível em quantidades relativamente grandes (32 ppm na crosta da Terra). "terras raras" têm o seu nome, porque eles eram muito raro, em comparação com as terras "comuns", como a cal ou de magnésio, e historicamente eram conhecidos apenas alguns depósitos. Lantânio é levado em consideração como um metal de terra rara porque o processo para o meu é difícil, demorado e caro.

Monazita (Ce, La, Th, Nd, Y) PO 4, e bastnäsite (Ce, La, Y) 3 CO F, são os principais minérios de lantânio em que ocorre, em percentagens de até 25 a 38 por cento do conteúdo total de lantanídeo. Em geral, não é mais do que o lantânio em bastnäsite em monazite. Até 1949, bastnäsite era um mineral raro e obscuro, nem mesmo remotamente contemplado como uma potencial fonte comercial para lantanídeos. Naquele ano, o grande depósito no Mountain Pass mina de terras raras na Califórnia foi descoberto. Esta descoberta alertado geólogos para a existência de uma nova classe de depósito de terras raras, tendo a terra-rara carbonatite, outros exemplos de que logo veio à tona, especialmente na ?frica e China.

Produção

Monazit acid.gif abertura

Lantânio é mais comumente obtido a partir de monazita e bastnäsite. As misturas minerais são triturados e moídos. Monazite, por causa das suas propriedades magnéticas, podem ser separados por separação electromagnética repetido. Após a separação, ele é tratado com ácido sulfúrico concentrado quente de ácido sulfúrico para produzir sulfatos solúveis em água de terras raras. Os filtrados ácidos são parcialmente neutralizados com hidróxido de sódio até pH 3-4. Tório precipita da solução como hidróxido e é removido. Depois disso, a solução é tratada com oxalato de amónio para converter terras raras para o seu insolúvel oxalatos. Os oxalatos são convertidos em óxidos por recozimento. Os óxidos são dissolvidos em ácido nítrico que exclui um dos principais componentes, de cério , cujas óxido é insolúvel em HNO 3. Lantânio é separado como um sal duplo com nitrato de amónio por cristalização. Este sal é relativamente menos solúveis do que os sais duplos de outras terras raras e, por conseguinte, permanece no resíduo.

A rotina de separação mais eficiente de um sal de lantânio a partir da solução de sal de terras raras é, no entanto, de permuta iónica. Neste processo, os iões de terras raras está adsorvido em resina de permuta iónica adequada por permuta com hidrogénio, de amónio ou iões cúpricos presentes na resina. Os iões de terras raras são, em seguida, lavou-se selectivamente por um agente complexante adequado, tal como citrato de amónio ou nitrilotriacetato. Lantânio também pode ser separado a partir de uma solução de nitratos de terras raras pela extracção liquido-liquido com um líquido orgânico adequado, tal como tributil phosphalate. Actualmente, o extractante mais amplamente utilizado para a purificação de lantânio e outros lantanídeos é o éster de 2-etil-hexilo do ácido 2-ethylhexylphosphonic; este tem melhores características de manuseamento do que o fosfato de bis-2-etil-hexilo utilizada anteriormente.

Metal lantânio é obtido a partir do seu óxido, aquecendo-o com ou cloreto de amónio e fluoreto de ácido fluorídrico a 300-400 ° C para produzir o cloreto ou fluoreto:

La 2 O 3 + 6 NH4Cl → 2 LaCl3 6 + NH 3 + 3 H2O

Isto é seguido por redução com metais alcalinos ou alcalino-terrosos em vácuo ou atmosfera de árgon:

LaCl3 3 + Li → La + 3 LiCl

Além disso, o lantânio puro pode ser produzido por electrólise de mistura fundida de lacl anidro 3 e NaCl ou KCl a temperaturas elevadas.

Aplicações

A Coleman manto branco lanterna queima de gás em pleno brilho.

A primeira aplicação histórica de lantânio estava na lanterna do gás mantos. Carl Auer von Welsbach utilizada uma mistura de 60% óxido de magnésio, 20% óxido de lantânio e 20% óxido de ítrio, que ele chamou de Actinophor, e patenteado em 1885. Os mantos originais deu uma luz de cor verde e não foram muito bem sucedidos, e sua primeira empresa, que estabeleceu uma fábrica em Atzgersdorf em 1887, não em 1889.

Utilizações modernos de lantânio incluem:

Laboratório 6 de cátodo quente
Comparação de transmissão de infravermelhos de vidro ZBLAN e sílica
  • Um material utilizado para o material anódico de baterias de níquel-hidreto metálico é La (Ni 3,6 Mn 0,4 Al 0,3 Co 0.7. Devido ao alto custo para extrair os outros lantanídeos um metal misto com mais de 50% de lantânio é usado em vez de lantânio puro. O composto é um componente intermetálico do tipo AB 5.

Como a maioria dos carros híbridos usam baterias de níquel-hidreto metálico, quantidades maciças de lantânio são necessários para a produção de automóveis híbridos. Uma bateria de automóvel típica para um híbrido Toyota Prius requer de 10 a 15 kg (22-33 lb) de lantânio. Como engenheiros empurrar a tecnologia para aumentar a quilometragem de combustível, duas vezes essa quantidade de lantânio poderia ser exigida por veículo.

  • Ligas de hidrogénio esponja pode conter de lantânio. Estas ligas são capazes de armazenar até 400 vezes o seu próprio volume de gás de hidrogénio num processo de adsorção reversível. A energia térmica é liberada a cada vez que fazê-lo; Por conseguinte, estas ligas têm possibilidades em sistemas de conservação de energia.
  • Mischmetal, uma liga pirofórico usado em pedras de isqueiro, contém 25% a 45% de lantânio.
  • Óxido de lantânio eo boreto são utilizados em electrónica como tubos de vácuo materiais de cátodo quente com forte emissividade de electrões . Cristais de Laboratório 6 são usados em alto brilho, vida útil prolongada, fontes de emissão de elétrons para termiónicos microscópios eletrônicos e Salão propulsores efeito.
  • Fluoreto de lantânio (LAF 3) é um componente essencial de um vidro de fluoreto pesada nomeado ZBLAN. Este vidro tem transmitância superior na gama dos infravermelhos e, por conseguinte, é utilizado para sistemas de comunicação de fibra-óptica.
  • Cério dopado brometo de lantânio e cloreto de lantânio são inorgânico recente cintiladores, que têm uma combinação de elevado rendimento de luz, a melhor resolução de energia e de resposta rápida. Seu alto rendimento converte em resolução de energia superior; Além disso, a saída de luz é muito estável e muito elevada sobre uma vasta gama de temperaturas, tornando-o particularmente atractivo para aplicações de alta temperatura. Estes cintiladores já são amplamente utilizados comercialmente em detectores de nêutrons ou raios gama.
  • Lâmpadas de arco de carbono utilizar uma mistura de metais de terras raras para melhorar a qualidade da luz. Esta aplicação, especialmente pela imagem em movimento da indústria para a iluminação de estúdio e de projecção, consumiu cerca de 25% dos compostos de terras raras produzidas até a fase de lâmpadas de arco de carbono.
  • Óxido de lantânio (III) (de La 2 O 3) melhora a resistência aos produtos alcalinos de vidro , e é utilizado na fabricação de vidros ópticos especiais, tais como de vidro de absorção de infravermelhos, bem como câmera e telescópio lentes, devido à elevada índice de refração e baixa dispersão de óculos de terras-raras. Óxido de lantânio é também utilizado como aditivo de crescimento dos grãos durante a fase líquida de sinterização nitreto de silício e diboreto de zircónio.
  • Pequenas quantidades de lantânio adicionada ao aço melhora o seu maleabilidade, resistência ao impacto e ductilidade. Considerando que a adição de lantânio a molibdénio diminui a sua dureza e a sensibilidade a variações de temperatura.
  • Pequenas quantidades de lantânio estão presentes em muitos produtos de piscina para remover os fosfatos que se alimentam de algas.
  • Lantânio aditivo óxido de tungsténio é utilizado em gás de soldadura de arco de tungsténio eléctrodos, como um substituto para o radioativo tório .
  • Vários compostos de lantânio e de outros metais de terras-raras (óxidos, cloretos, etc.) são componentes de vários catalisadores, tais como craqueamento de petróleo catalisadores .
  • Lantânio-bário datação radiométrica é usada para estimar a idade das rochas e minérios, embora a técnica tem popularidade limitado.
  • Carbonato de lantânio foi aprovado como um medicamento (Fosrenol, Shire Pharmaceuticals) para absorver o excesso de fosfato, em casos de final de insuficiência renal.
  • Fluoreto de lantânio é usado em revestimentos lâmpada fosforescente. Misturado com fluoreto de európio, que também é aplicado na membrana de cristal eletrodos íon-seletivo de flúor.
  • Como peroxidase de rábano, lantânio é utilizado como um marcador denso em electrões Biologia molecular.
  • Lantânio modificado bentonite (ou Phoslock) é usada para remover fosfatos de água em tratamentos lago

Papel biológico

Lantânio não tem papel biológico conhecido. O elemento é muito fracamente absorvida após a administração oral e, quando injectado sua eliminação é muito lenta. Carbonato de lantânio foi aprovado como um medicamento chamado Fosrenol para absorver o excesso fosfato nos casos de estágio final de falência renal.

Enquanto lantânio tem efeitos farmacológicos sobre vários receptores e canais iônicos, a sua especificidade para o Receptor de GABA é único entre os catiões divalentes. Lantânio actua no mesmo local modulador na Receptor GABA como zinco um negativo conhecido modulador alostérico. O catião lantânio La 3+ é um modulador alostérico positivo nos receptores GABA nativas e recombinantes, aumentando o tempo de canal aberto e diminuindo dessensibilização numa configuração subunidade modo dependente.

Precauções

Lantânio tem um baixo nível de toxicidade a moderada e deve ser manuseado com cuidado. Em animais, a injecção de soluções de lantânio produz hiperglicemia, pressão arterial baixa, degeneração da e baço alterações hepáticas. A aplicação à luz arco de carbono levou à exposição de pessoas para óxidos de terra-rara e fluoretos, às vezes levou a pneumoconiose.

Livros

  • A Química Industrial da Lanthanons, ítrio, tório e urânio, por RJ Callow, Pergamon Press 1967
  • Metalurgia Extrativa de Terras Raras, por CK Gupta e N. Krishnamurthy, CRC Press 2005
  • Nouveau Traité de Chimie Minerale, Vol. VII. Escândio, ítrio, Elementos des Terres Rares, actínio, P. Pascal, Editor, Masson & Cie 1959
  • Química dos Lanthanons, por RC Vickery, Butterworths 1953
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