Lantanit (các nguyên tố đất hiếm)

Điền electron vào phân lớp 4f

Dọc theo dãy lantanit, các electron được thêm vào phân lớp 4f nằm sâu trong nguyên tử, bên dưới các electron 5s và 5p. Nhiều lantanit có cấu hình [Xe] 4fⁿ 6s², chẳng hạn neodymi ([Xe] 4f⁴ 6s²). Lantan ([Xe] 5d¹ 6s²) chưa có electron 4f nào, còn lutexi ([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²) có phân lớp 4f đã đầy.

Nếu xếp cả 15 nguyên tố vào bảng chính thì bảng sẽ rộng tới 32 cột, vì vậy chúng được in riêng. Các nhà hóa học vẫn tranh luận xem lantan hay lutexi thuộc nhóm 3 dưới ytri; trang web này hiển thị cả hai trong hàng lantanit.

Tính chất và phản ứng

Lantanit là những kim loại mềm, màu trắng bạc, bị xỉn màu trong không khí. Chúng phản ứng chậm với nước lạnh và nhanh hơn với nước nóng, giải phóng hiđro: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. Vì các electron 4f nằm sâu bên trong ít tham gia liên kết, hầu hết lantanit tạo ion 3+ và có tính chất hóa học rất giống nhau, mặc dù xeri còn có thể có số oxi hóa +4, còn europi và ytterbi có thể là +2.

Các electron 4f chưa ghép đôi khiến nhiều ion lantanit có từ tính mạnh và phát ra ánh sáng có màu sắc tinh khiết, sắc nét. Promethi là lantanit duy nhất không có đồng vị bền và hầu như không có trong tự nhiên.

Sự co lantanit

Từ lantan đến lutexi, các ion 3+ nhỏ dần đều đặn, vì mỗi proton được thêm vào hút các electron mạnh hơn trong khi các electron 4f che chắn lẫn nhau kém. Các nhà hóa học tận dụng những khác biệt nhỏ về kích thước này để tách các lantanit. Sự co này cũng giải thích vì sao hafni và các kim loại chuyển tiếp khác của chu kỳ 6 có kích thước gần như bằng các kim loại nằm ngay phía trên chúng.

Hiếm nhưng hữu ích

Bất chấp cái tên, hầu hết các nguyên tố đất hiếm không thực sự hiếm: xeri phổ biến trong vỏ Trái Đất gần ngang với đồng. Chúng nằm lẫn với nhau trong các khoáng vật như monazit và bastnäsit và rất khó tách riêng.

Nam châm neodymi-sắt-bo là nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện có và được dùng trong động cơ xe điện, tuabin gió, tai nghe và ổ cứng. Europi và terbi tạo ra ánh sáng đỏ và xanh lục trong màn hình và đèn, erbi khuếch đại tín hiệu trong cáp quang, gadolini là chất tương phản trong chụp MRI, còn xeri oxit dùng để đánh bóng thủy tinh. Lantan được dùng trong ống kính máy ảnh và pin niken-hiđrua kim loại.