ランタニド元素とは?
ランタニド（希土類元素） は、ランタンの後に 58 から 71 までの範囲の原子番号を持つ元素を含む現代の周期表を構成しました。希土類金属は、地球の地殻のわずかな割合 (3% %) しか占めていないため、そのように名付けられました。ランタニドオルトリン酸塩として、モナザイト砂に含まれています。 1925 年、ノルウェーの鉱物学者ビクター ゴールドシュミットが「ランタニド」という名前を作り出しました。ランタニド族の 15 種類の金属元素 (ランタンからルテチウムまで) のうち 1 つを除くすべてが f ブロック元素です。これらの元素の価電子は 4f 軌道にあります。一方、ランタンは [Xe]5d16s2 電子配置を持つ d ブロック元素です。
ランタニドは非常に密度の高い元素で、密度は 1 立方センチメートルあたり 6.1 ～ 9.8 グラムです。これらの元素は、他の金属と同様に、非常に高い融点と沸点 (摂氏 800 ～ 1600 度) (摂氏約 1200 ～ 3500 度) を持っています。 Ln3+ 陽イオンは、すべてのランタニドで形成されることが知られています。
ランタニド アプリケーション
ランタニドは非常に密度の高い金属であり、融点は d ブロック元素の融点よりもさらに高くなります。それらは合金を作るために他の金属と混合されます。これらは内部遷移金属で、f ブロック元素としても知られています。内部遷移元素/イオンでは、電子は s、d、および f 軌道にあります。
ランタニド系列の特性
遷移金属の周期表にランタニドとアクチニドの系列を追加すると、表が長くなりすぎます。 4f シリーズ (ランタノド シリーズ) と 5f シリーズとして知られるこれら 2 つのシリーズは、周期表 (アクタノイド シリーズ) の一番下にあります。内部移行要素は、4f と 5f シリーズを組み合わせたものです。
化学的および物理的特性に関して、シリーズのすべての元素はランタンに非常に似ています.以下は、最も重要な品質と特性の一部です:
<オール>ランタニドの収縮
核電荷の増加と内部 (n-2) f 軌道に入る電子により、ランタニド三価イオンのイオン半径の原子サイズは、La から Lu に連続的に低下します。ランタニドの収縮は、原子番号が増加するにつれてサイズが漸進的に減少することです。
ランタニド収縮の結果
ランタニド収縮の効果は、次の点で表されます:
- 原子の大きさ(原子の大きさ
- ランタニド分離の難しさ
- 水酸化物の基本的な強さに影響はありません。
- 複雑なフォーメーション
- dブロックの元素のイオン化エネルギー
ランタニドの電子配置
原子番号 61 のプロメチウム (Pm) は、[Xe] 4f1-14 5d 0-16s2 の末端電子配置を持つ 14 のランタニドの中で唯一の合成放射性元素です。 4f と 5d の電子のエネルギーはほぼ同じであるため、5d 軌道は空いたままであり、電子は 4f 軌道に入ります。
例外は、ガドリニウム (Z =64) で、半分満たされた d 軌道の存在により電子が 5d 軌道に入り、ルテチウム (Z =71) では、半分満たされた d 軌道。
ランタニドの酸化状態
ランタニド系列のすべての元素の酸化状態は +3 です。一部の金属 (サマリウム、ユウロピウム、イッテルビウム) は、以前は +2 の酸化状態を持つと考えられていました。これらの金属とその誘導体に関するさらなる研究により、溶液中では、ランタニド クラスのすべての金属が +2 の酸化状態を持っていることが明らかになりました。
ランタニド クラスのいくつかの金属は、まれに +4 の酸化状態を持っています。空、半分充填、または充填された f サブシェルの優れた安定性は、金属間の酸化状態の不均一な分布の原因です。
ランタニドの酸化状態は、セリウムの +4 酸化状態が希ガス構成を取得するために優先されるように、f-サブシェルの安定性の影響を受けますが、+3 酸化状態に戻り、したがって次のように機能します。反応は遅いが、水を酸化することさえできる強力な酸化剤
ユウロピウム (原子番号 63) の電子構造は [Xe] 4f7 6s2 です。 6s エネルギー準位から 2 つの電子を失い、非常に安定した、半分満たされた 4f7 配置を実現し、Eu2+ イオンを容易に形成できるようにします。その後、Eu2+ は一般的なランタニドの酸化状態 (+3) に酸化され、強力な還元剤として機能する Eu3+ を生成します。
Yb2+ 型では、イッテルビウム (原子番号 70) は満たされた f 軌道を持っているため、強力な還元剤にもなります。 f サブシェルの存在は、これらの金属の酸化状態と特性に大きな影響を与えます。発見と進歩により、ランタニドに関する知識体系が増え続けています。
d ブロック要素とは異なり、4f 軌道と 5d 軌道の間のエネルギー ギャップはかなり大きく、酸化状態の数が制限されます。
ランタニドの酸化状態が変化するのはなぜですか?
ランタニドには、さまざまな酸化状態があります。また、+2、+3、および +4 の酸化状態も示します。一方、ランタノイドは+3の最も安定した酸化状態を持っています。その結果、他の状態にある元素は、+3 状態に到達するために電子を失うか獲得しようとします。その結果、これらのイオンは強力な還元剤または酸化剤になります。
水溶液の酸化状態
Sm2+、Eu2+、および Yb2+ は、水溶液中で電子を失い、酸化されるため、優れた還元剤になります。一方、Ce4+、Pr4+、および Tb4+ は電子を受け取り、優れた酸化剤です。酸化物のみが、元素のより高い酸化状態 (+4) を可能にします。 Pr、Nd、Tb、Dy はその例です。
ランタニドの化学反応性
すべてのランタニドの反応性は似ていますが、遷移元素の反応性よりも高くなっています。 300-400 C で水素と相互作用して固体水素化物を生成する CeO2 を除いて、それらは酸素で容易に変色します
水は水素化物を分解します。ハロゲン化物は、金属または酸化物をハロゲンまたはハロゲン化アンモニウムとともに加熱することによって生成されます。フッ化物は不溶ですが、塩化物は液状です。硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩は水に溶けますが、炭酸塩、リン酸塩、クロム酸塩、シュウ酸塩は溶けません。
ランタニドのイオン化エネルギー
イオン化エネルギーは、原子/イオンから価電子を除去するために必要なエネルギー量であり、電子の引力に比例します。その結果、イオン化エネルギーは、核電荷と電子半径 (IE) が減少するにつれて増加します。さらに、半分満たされた軌道と満たされた軌道のイオン化エネルギーは高くなります。
ランタニドの物理的性質
<オール>- 反発すると反磁性
- 引き付けられると、常磁性になります。
軌道に不対電子があるため、f0 と f14 以外のランタニド原子/イオンは常磁性です。その結果、反磁性元素 Lu3+、Yb2+、および Ce4+ が存在します。
「軌道磁気モーメント」と「スピン磁気モーメント」は、どちらも不対電子の影響を受けます。総磁気モーメントは、電子の軌道角モーメントとスピン磁気モーメントを使用して計算されます。
[4S(S+1)+L(L+1)] M =[4S(S+1)+L(L+1)] BM はボーア磁子の略で、その単位はボーア磁子 (BM) です
有色イオンの生成
d ブロック元素と同様に、ランタニド イオンは空軌道だけでなく f 軌道にも電子を持つことができます。光の周波数が吸収されると、透過した光は吸収された周波数の補色を持ちます。内部遷移元素イオンは可視周波数を吸収し、それを f-f 電子遷移に利用して、可視色を生成します。
ランタニド アプリケーション
- 冶金用途:一部のランタニド元素合金は、冶金プロセスで還元剤として使用されます。例 (Ce- 30 ～ 35%)
- Ce(III) および Ce(IV) の酸化物はガラス磨き粉に使用され、Nd および Pr の酸化物はガラスの着色や標準的な光フィルターの製造に広く使用されています。
- 触媒用途:ランタニド化合物は、さまざまな用途で触媒として使用されています。一例として、リン酸セリウムは石油分解の触媒として利用されています。
結論:-
周期表でランタンに続く原子番号58から71までの14の元素は、ランタニド系列として知られています。各グループを定義する機能が類似しているため、これらの 14 はアクチノイド (原子番号 90 から 103) とともに周期表から除外されています。
