Лантаноиды

Министерство образования Республики Беларусь

УО «Брестский государственный  университет имени А.С.Пушкина»

 

 

 

                                                                                         Биологический факультет

 

                                                                                         Кафедра химии

 

 

 

 

 

Курсовая работа

Лантаноиды

                     

 

 

 

 

 

        

                                Выполнила:

                                                студентка 3-го курса

                                                             биологического факультета

                                                                         специальности «Химия. Биология»

                                                                 Малащук Лариса Леонидовна

 

 

 

 

                                                                        Научный руководитель:

                                                                        кандидат технических наук, доцент

                                                                        Ступень Нонна Степановна 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Брест, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………..03

Глава 1 Общая характеристика лантаноидов……………………………….03

§ 1.1  Общая характеристика лантаноидов исходя из положения

элементов в  периодической системе Менделеева и строения

их атомов………………………………………………………………...03

§ 1.2 История открытия лантаноидов………………………………...............08

§ 1.3 Нахождение лантаноидов в природе……………………………..........10

§ 1.4 Физические свойства  лантаноидов……………………………………13                     

§ 1.5 Химические свойства лантаноидов…………………………….............15

Глава 2 Характеристика основных соединений лантаноидов.…………….17

§ 2.1 Бинарные соединения……………………………………………...........17

§ 2.2 Многоэлементные соединения……………………………………........20

Глава 3 Получение лантаноидов и  их применение .……………………......22

§ 3.1 Основные способы получения  лантаноидов…………………..............22

§ 3.2 Применение………………………………………………………............23

Заключение…………………………………………………………………….29

Литература…………………………………………………………………......30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В периодической  системе Д.И.Менделеева есть 14 необычных металлов, очень непохожих на все остальные. Это лантаноиды. Это и есть тема моей курсовой. Лантаноиды (Lanthanides) – это группа редкоземельных металлов 6 ряда (ряд Золота) периодической системы химических элементов. От прочих химических элементов (кроме актиноидов), лантаноиды отличаются тем, что накопление электронов у них идёт не на внешней орбитали атома, как у любого другого химического элемента, а на более глубоких внутренних орбиталях, что и делает их свойства поистине неповторимыми.

 Лантаноиды – уникальное семейство металлов в периодической системе Д.И.Менделеева. Уникальность заключается в том, что все металлы должны были бы стоять в одном периоде с лантаном, так как похожи по своим свойствам. Многие умы решали эту сложную задачу, и в итоге было предложено объединить эти 14 элементов в одно семейство и вынести их вниз 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.

Объект  исследования: лантаноиды.

Предмет исследования: общая характеристика, история открытия, физические и химические свойства лантаноидов, а также их получение и применение.

Цель  исследования: рассмотреть общую характеристику лантаноидов исходя из положения в периодической системе, нахождение в природе, изучить физические и химические свойства, получение этих элементов, показать разнообразие основных соединений лантаноидов и их применение в науке, технике, промышленности и в различных областях нашей жизни.

 

 

ГЛАВА 1 ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  ЛАНТАНОИДОВ

 

§ 1.1 Общая характеристика лантаноидов  исходя из положения элементов в  периодической системе Менделеева и строения их  атомов

 

К семейству лантаноидов относят 14 элементов периодической системы Д.И.Менделеева: 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 4f^2-145d^0-16s² (рисунок 1).

La57     ↑ ↓               ↑                               6s                   5d                                                   4f Ce58    ↑ ↓              ↑                               ↑                    Pr59     ↑ ↓                                               ↑          ↑     ↑     Nd60    ↑ ↓                                               ↑         ↑     ↑     ↑ Pm61    ↑ ↓                                               ↑        ↑        ↑     ↑    ↑ Sm62    ↑ ↓                                               ↑        ↑         ↑     ↑    ↑     ↑ Eu63      ↑ ↓                                                ↑        ↑         ↑     ↑    ↑     ↑       ↑ Gd64    ↑ ↓              ↑                               ↑         ↑       ↑     ↑      ↑     ↑      ↑ Tb65    ↑ ↓                                              ↑↓        ↑↓    ↑       ↑      ↑     ↑      ↑ Dy66    ↑ ↓                                               ↑↓       ↑↓   ↑↓    ↑   ↑     ↑    ↑   Ho67    ↑ ↓                                               ↑↓       ↑↓   ↑↓   ↑↓     ↑     ↑ ↑ Er68     ↑ ↓                                               ↑↓       ↑↓   ↑↓   ↑↓    ↑↓    ↑ ↑                   Tm69    ↑ ↓                                             ↑↓         ↑↓   ↑↓   ↑↓   ↑↓   ↑↓     ↑                      Yb70    ↑ ↓                                              ↑↓         ↑↓   ↑↓   ↑↓   ↑↓   ↑↓    ↑↓            Lu71     ↑ ↓               ↑                             ↑↓         ↑↓   ↑↓   ↑↓   ↑↓   ↑↓    ↑↓

Рисунок 1 – Конфигурация валентных электронов лантаноидов

 

 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) (таблица 1).

 

Таблица 1 – Общая характеристика лантаноидов 

Порядковый номер	Название элемента	Символ элемента	Электронная  конфигурация	Радиус атома, нм	Радиус  иона, нм	Энер гия ионизации Э→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

 

 

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 (таблица 2).

 

Таблица 2 – Внутренняя периодичность  лантаноидов

Лантаноид	Цвет гидратированного иона	Степень окисления	ДG, 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