اللانثانيدات (عناصر الأتربة النادرة)

امتلاء المستوى الفرعي 4f

على امتداد اللانثانيدات تُضاف الإلكترونات إلى المستوى الفرعي 4f، الذي يقع عميقًا داخل الذرة، تحت إلكترونات 5s و5p. للعديد من اللانثانيدات التوزيع [Xe] 4fⁿ 6s²، مثل النيوديميوم ([Xe] 4f⁴ 6s²). أما اللانثانوم ([Xe] 5d¹ 6s²) فليس فيه إلكترونات 4f بعد، واللوتيتيوم ([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²) مستواه الفرعي 4f ممتلئ.

إدخال العناصر الخمسة عشر جميعها في الجدول الرئيسي سيجعل عرضه 32 عمودًا، لذلك تُطبع منفصلة. وما زال الكيميائيون يتناقشون في أيّ من اللانثانوم أو اللوتيتيوم ينتمي إلى المجموعة 3 تحت الإيتريوم؛ ويعرض هذا الموقع كليهما في صف اللانثانيدات.

الخصائص والتفاعلات

اللانثانيدات فلزات لينة فضية اللون يخبو بريقها في الهواء. تتفاعل ببطء مع الماء البارد وبسرعة أكبر مع الماء الساخن محررة الهيدروجين: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. ولأن إلكترونات 4f المدفونة تشارك قليلًا في الترابط، فإن جميع اللانثانيدات تقريبًا تكوّن أيونات 3+ وتتشابه كيمياؤها كثيرًا، مع أن السيريوم يمكن أن يكون +4 والأوروبيوم والإيتربيوم يمكن أن يكونا +2.

تمنح إلكترونات 4f غير المزدوجة كثيرًا من أيونات اللانثانيدات مغناطيسية قوية وألوانًا ضوئية نقية حادة. والبروميثيوم هو اللانثانيد الوحيد الذي لا نظائر مستقرة له، ويكاد يغيب عن الطبيعة.

انكماش اللانثانيدات

من اللانثانوم إلى اللوتيتيوم تتقلص الأيونات 3+ بانتظام، لأن كل بروتون مضاف يشد الإلكترونات بقوة أكبر بينما تحجب إلكترونات 4f بعضها بعضًا حجبًا ضعيفًا. ويستغل الكيميائيون هذه الفروق الصغيرة في الحجم لفصل اللانثانيدات. كما يفسر هذا الانكماش لماذا يكاد الهافنيوم وسائر الفلزات الانتقالية في الدورة 6 يساوي في الحجم الفلزات التي فوقه.

نادرة لكنها مفيدة

رغم الاسم، فإن معظم الأتربة النادرة ليست نادرة بشكل خاص: فالسيريوم شائع في القشرة الأرضية بقدر النحاس تقريبًا. وهي توجد مختلطة معًا في معادن مثل المونازيت والباستنازيت ويصعب فصلها.

مغانط النيوديميوم والحديد والبورون هي أقوى المغانط الدائمة المتاحة، وتوجد في محركات السيارات الكهربائية وتوربينات الرياح وسماعات الرأس والأقراص الصلبة. ويوفر الأوروبيوم والتربيوم الضوء الأحمر والأخضر في الشاشات والمصابيح، ويضخم الإربيوم الإشارات في كابلات الألياف الضوئية، والغادولينيوم مادة تباين في فحوص التصوير بالرنين المغناطيسي، وأكسيد السيريوم يصقل الزجاج. أما اللانثانوم فيدخل في عدسات الكاميرات وبطاريات هيدريد النيكل والفلز.