แลนทาไนด์ (ธาตุหายาก)

การเติมอิเล็กตรอนในหมวดย่อย 4f

ตลอดแถวของแลนทาไนด์ อิเล็กตรอนจะถูกเติมลงในหมวดย่อย 4f ซึ่งอยู่ลึกเข้าไปภายในอะตอม ใต้อิเล็กตรอน 5s และ 5p แลนทาไนด์จำนวนมากมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบ [Xe] 4fⁿ 6s² เช่น นีโอดิเมียม ([Xe] 4f⁴ 6s²) ส่วนลันทานัม ([Xe] 5d¹ 6s²) ยังไม่มีอิเล็กตรอน 4f และลูทีเชียม ([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²) มีหมวดย่อย 4f เต็ม

หากจัดทั้ง 15 ธาตุไว้ในตารางหลัก ตารางจะกว้างถึง 32 คอลัมน์ จึงพิมพ์แยกไว้ต่างหาก นักเคมียังคงถกเถียงกันว่าลันทานัมหรือลูทีเชียมควรอยู่ในหมู่ 3 ใต้อิตเทรียม เว็บไซต์นี้จึงแสดงทั้งสองธาตุไว้ในแถวแลนทาไนด์

สมบัติและปฏิกิริยา

แลนทาไนด์เป็นโลหะอ่อนสีเงินที่หมองเมื่อสัมผัสอากาศ ทำปฏิกิริยากับน้ำเย็นอย่างช้า ๆ และกับน้ำร้อนได้เร็วกว่า โดยปลดปล่อยไฮโดรเจน: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂ เนื่องจากอิเล็กตรอน 4f ที่ฝังลึกมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะน้อย แลนทาไนด์เกือบทั้งหมดจึงเกิดไอออน 3+ และมีเคมีที่คล้ายกันมาก แม้ว่าซีเรียมจะเป็น +4 ได้ และยูโรเพียมกับอิตเทอร์เบียมเป็น +2 ได้

อิเล็กตรอน 4f ที่ไม่มีคู่ทำให้ไอออนของแลนทาไนด์หลายชนิดมีสมบัติแม่เหล็กแรงและเปล่งแสงสีบริสุทธิ์คมชัด โพรมีเทียมเป็นแลนทาไนด์เพียงชนิดเดียวที่ไม่มีไอโซโทปเสถียร และแทบไม่พบในธรรมชาติ

การหดตัวของแลนทาไนด์

จากลันทานัมถึงลูทีเชียม ไอออน 3+ มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ เพราะโปรตอนที่เพิ่มขึ้นแต่ละตัวดึงอิเล็กตรอนแรงขึ้น ขณะที่อิเล็กตรอน 4f บดบังกันเองได้ไม่ดี นักเคมีใช้ประโยชน์จากความต่างของขนาดเพียงเล็กน้อยนี้ในการแยกแลนทาไนด์ออกจากกัน การหดตัวนี้ยังอธิบายว่าเหตุใดฮาฟเนียมและโลหะทรานซิชันอื่น ๆ ในคาบที่ 6 จึงมีขนาดเกือบเท่ากับโลหะที่อยู่เหนือขึ้นไป

หายากแต่มีประโยชน์

แม้จะมีชื่อว่าหายาก แต่ธาตุหายากส่วนใหญ่ไม่ได้หายากเป็นพิเศษ ซีเรียมมีอยู่ในเปลือกโลกมากพอ ๆ กับทองแดง ธาตุเหล่านี้พบปะปนกันในแร่ เช่น โมนาไซต์และแบสต์เนไซต์ และแยกออกจากกันได้ยาก

แม่เหล็กนีโอดิเมียม-เหล็ก-โบรอนเป็นแม่เหล็กถาวรที่แรงที่สุดในปัจจุบัน พบในมอเตอร์รถยนต์ไฟฟ้า กังหันลม หูฟัง และฮาร์ดดิสก์ ยูโรเพียมและเทอร์เบียมให้แสงสีแดงและสีเขียวในหน้าจอและหลอดไฟ เออร์เบียมขยายสัญญาณในสายใยแก้วนำแสง แกโดลิเนียมเป็นสารทึบรังสีสำหรับการสแกน MRI และซีเรียมออกไซด์ใช้ขัดแก้ว ส่วนลันทานัมใช้ในเลนส์กล้องถ่ายภาพและแบตเตอรี่นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์