Лантаноїди (рідкісноземельні елементи)

Заповнення 4f-підрівня

У лантаноїдів електрони додаються на 4f-підрівень, який лежить глибоко всередині атома, під 5s- і 5p-електронами. Багато лантаноїдів мають конфігурацію [Xe] 4fⁿ 6s², наприклад неодим ([Xe] 4f⁴ 6s²). Лантан ([Xe] 5d¹ 6s²) ще не має 4f-електронів, а лютецій ([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²) має повністю заповнений 4f-підрівень.

Якби всі 15 помістити в основну таблицю, вона мала б 32 стовпці завширшки, тому їх друкують окремо. Хіміки досі сперечаються, чи належить до 3-ї групи під ітрієм лантан, чи лютецій; на цьому сайті обидва показано в ряду лантаноїдів.

Властивості та реакції

Лантаноїди — це м’які сріблясті метали, що тьмяніють на повітрі. Із холодною водою вони реагують повільно, а з гарячою швидше, виділяючи водень: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. Оскільки глибоко захованої 4f-електрони майже не беруть участі в утворенні зв’язків, майже всі лантаноїди утворюють іони 3+ і мають дуже подібну хімію, хоча церій може виявляти й ступінь окиснення +4, а європій та ітербій — +2.

Неспарені 4f-електрони надають багатьом іонам лантаноїдів сильного магнетизму та яскравих, чистих кольорів світіння. Прометій — єдиний лантаноїд без стабільних ізотопів, і в природі його майже немає.

Лантаноїдне стиснення

Від лантану до лютецію іони 3+ неухильно зменшуються, адже кожен доданий протон сильніше притягує електрони, тоді як 4f-електрони слабко екранують один одного. Хіміки використовують ці невеликі відмінності в розмірах для розділення лантаноїдів. Стиснення також пояснює, чому гафній та інші перехідні метали 6-го періоду майже такого самого розміру, як метали над ними.

Рідкісні, але корисні

Попри назву, більшість рідкісноземельних елементів не такі вже й рідкісні: церію в земній корі приблизно стільки ж, скільки міді. Вони трапляються разом у мінералах, таких як монацит і бастнезит, і їх важко розділити.

Неодим-залізо-борні магніти — найсильніші з наявних постійних магнітів; їх використовують в електромобільних двигунах, вітрових турбінах, навушниках і жорстких дисках. Європій і тербій дають червоне та зелене світло в екранах і лампах, ербій підсилює сигнали в оптоволоконних кабелях, гадоліній є контрастною речовиною для МРТ, а оксид церію полірує скло. Лантан входить до складу об’єктивів фотокамер і нікель-металогідридних акумуляторів.