ランタノイド:15種類のレアアース元素

ランタノイドは、ランタン(57)からルテチウム(71)までの15種類の金属元素です。第6周期に属しますが、周期表の本体の下に別の行として示されており、アクチノイドとあわせて内遷移金属またはfブロック元素と呼ばれます。スカンジウムとイットリウムを加えた17元素が希土類元素です。

4f副殻が満たされていく

ランタノイドでは、原子の内部深く、5sと5pの電子の内側にある4f副殻に電子が加わっていきます。多くのランタノイドは、ネオジム([Xe] 4f⁴ 6s²)のように [Xe] 4fⁿ 6s² の電子配置をもちます。ランタン([Xe] 5d¹ 6s²)にはまだ4f電子がなく、ルテチウム([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²)では4f副殻が満杯になっています。

15元素すべてを本体に入れると表の幅が32列になってしまうため、別に書かれています。ランタンとルテチウムのどちらをイットリウムの下の第3族に置くべきかは、化学者の間で今も議論があります。このサイトでは、両方をランタノイドの行に示しています。

性質と反応

ランタノイドは、空気中で変色する柔らかい銀白色の金属です。冷水とはゆっくり、熱水とはより速く反応して水素を発生します:2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂。内側に埋もれた4f電子は結合にほとんど関与しないため、ほぼすべてのランタノイドが3+のイオンになり、化学的性質もよく似ています。ただしセリウムは+4、ユウロピウムとイッテルビウムは+2にもなります。

対になっていない4f電子により、多くのランタノイドイオンは強い磁性と、鮮やかで純粋な色の光をもちます。プロメチウムは安定同位体をもたない唯一のランタノイドで、自然界にはほとんど存在しません。

ランタノイド収縮

ランタンからルテチウムにかけて、3+イオンは着実に小さくなります。陽子が1個増えるごとに電子をより強く引きつける一方で、4f電子どうしは互いをうまく遮蔽できないためです。化学者はこの小さな大きさの違いを利用してランタノイドを分離します。この収縮は、ハフニウムをはじめとする第6周期の遷移金属が、その上の周期の金属とほぼ同じ大きさである理由も説明します。

希少だが役に立つ

名前に反して、希土類の多くは特に希少というわけではありません。セリウムは地殻中に銅と同じくらい存在します。モナズ石やバストネサイトなどの鉱物の中で混ざり合って産出し、分離は困難です。

ネオジム・鉄・ホウ素磁石は、現在手に入る最強の永久磁石で、電気自動車のモーター、風力タービン、ヘッドホン、ハードディスクなどに使われています。ユウロピウムとテルビウムは画面やランプの赤色と緑色の光を生み出し、エルビウムは光ファイバーケーブルで信号を増幅し、ガドリニウムはMRI検査の造影剤になり、酸化セリウムはガラスの研磨に使われます。ランタンはカメラのレンズやニッケル水素電池に用いられます。


57	ランタン	La	138.91	[Xe] 5d1 6s2	+3	固体
58	セリウム	Ce	140.12	[Xe] 4f1 5d1 6s2	+3, +4	固体
59	プラセオジム	Pr	140.91	[Xe] 4f3 6s2	+3	固体
60	ネオジム	Nd	144.24	[Xe] 4f4 6s2	+3	固体
61	プロメチウム	Pm	145	[Xe] 4f5 6s2	+3	固体
62	サマリウム	Sm	150.36	[Xe] 4f6 6s2	+2, +3	固体
63	ユウロピウム	Eu	151.96	[Xe] 4f7 6s2	+2, +3	固体
64	ガドリニウム	Gd	157.25	[Xe] 4f7 5d1 6s2	+3	固体
65	テルビウム	Tb	158.93	[Xe] 4f9 6s2	+3	固体
66	ジスプロシウム	Dy	162.5	[Xe] 4f10 6s2	+3	固体
67	ホルミウム	Ho	164.93	[Xe] 4f11 6s2	+3	固体
68	エルビウム	Er	167.26	[Xe] 4f12 6s2	+3	固体
69	ツリウム	Tm	168.93	[Xe] 4f13 6s2	+3	固体
70	イッテルビウム	Yb	173.05	[Xe] 4f14 6s2	+2, +3	固体
71	ルテチウム	Lu	174.97	[Xe] 4f14 5d1 6s2	+3	固体

ランタノイド(希土類元素)

周期表での位置

この族の元素

4f副殻が満たされていく

性質と反応

ランタノイド収縮

希少だが役に立つ

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