Лантаноиды (редкоземельные элементы)

Заполнение 4f-подуровня

У лантаноидов электроны добавляются на 4f-подуровень, который лежит глубоко внутри атома, под 5s- и 5p-электронами. Многие лантаноиды имеют конфигурацию [Xe] 4fⁿ 6s², например неодим ([Xe] 4f⁴ 6s²). У лантана ([Xe] 5d¹ 6s²) 4f-электронов ещё нет, а у лютеция ([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²) 4f-подуровень заполнен полностью.

Если разместить все 15 элементов в основной таблице, она стала бы шириной 32 столбца, поэтому их печатают отдельно. Химики до сих пор спорят, что должно стоять в группе 3 под иттрием — лантан или лютеций; на этом сайте оба показаны в строке лантаноидов.

Свойства и реакции

Лантаноиды — мягкие серебристые металлы, тускнеющие на воздухе. Они медленно реагируют с холодной водой и быстрее с горячей, выделяя водород: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. Поскольку спрятанные внутри 4f-электроны почти не участвуют в образовании связей, почти все лантаноиды образуют ионы 3+ и имеют очень похожую химию, хотя церий может проявлять и степень окисления +4, а европий и иттербий — +2.

Неспаренные 4f-электроны придают многим ионам лантаноидов сильные магнитные свойства и чистые, узкие линии цвета излучаемого света. Прометий — единственный лантаноид, не имеющий стабильных изотопов, и в природе его почти нет.

Лантаноидное сжатие

От лантана до лютеция ионы 3+ неуклонно уменьшаются, потому что каждый добавленный протон сильнее притягивает электроны, а 4f-электроны плохо экранируют друг друга. Химики используют эти небольшие различия в размерах для разделения лантаноидов. Сжатие также объясняет, почему гафний и другие переходные металлы 6-го периода почти такого же размера, как металлы над ними.

Редкие, но полезные

Несмотря на название, большинство редкоземельных элементов не так уж редки: церия в земной коре примерно столько же, сколько меди. Они встречаются вместе в таких минералах, как монацит и бастнезит, и их трудно разделить.

Неодим-железо-борные магниты — самые сильные из доступных постоянных магнитов; их применяют в двигателях электромобилей, ветрогенераторах, наушниках и жёстких дисках. Европий и тербий дают красный и зелёный свет в экранах и лампах, эрбий усиливает сигналы в волоконно-оптических кабелях, гадолиний служит контрастным веществом при МРТ, а оксид церия полирует стекло. Лантан входит в состав линз фотоаппаратов и никель-металлогидридных аккумуляторов.