II Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ЛАНТАНОИДЫ В КАРМАНЕ
Данилочкина А.Д., Чермашенцев А.А.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Актуальность работы:

Использование лантаноидов и их сплавов с другими металлами, материалов на их основе в развитии инновационных и нанотехнологий двадцать первого века.

Гипотеза:

Возможность более широкого использования лантаноидов в создании материалов с заданными свойствами.

Объект исследования:

Лантаноиды, соединения лантаноидов, сплавы на основе лантаноидов.

Предмет исследования:

Изучение специфических свойств лантаноидов и их практическое использование.

Цель исследования:

Познакомиться со специфическими свойствами особой группы химических элементов - лантаноидов. Предложить и реализовать на практике нетривиальные аспекты использования.

Задачи исследования:

  1. Обнаружить вещества и материалы, содержащие лантаноиды среди предметов быта.

  2. Изучить свойства соединений лантаноидов.

  3. Отработать и освоить методику электрохимического получения лантаноидов, нанесения металлических покрытий из этих металлов.

  4. Предложить возможные направления использования лантаноидов и их соединений.

База исследования:

Химическая лаборатория на базе МБОУ «СОШ № 33»

Кафедра «Технология электрохимических производств» ЭТИ СГТУ города Энгельса

Методы исследования:

  1. Наблюдение

  2. Химический эксперимент

  3. Информационный поиск

Введение

В периодической системе Д. И. Менделеева есть 15 необычных металлов, очень непохожих на все остальные. Это лантаноиды. Они недостаточно хорошо изучены, хотя нашли широчайшее применение в промышленности. Лантаноиды – уникальное семейство металлов в периодической системе Д. И. Менделеева.

Уникальность заключается в том, что все металлы должны были бы стоять в одной клетке, так похожи они по своим свойствам. Многие умы решали эту сложную задачу, и в итоге было предложено вынести эти 15 элементов за пределы таблицы. И по открывающему этот ряд элементу и была названа эта плеяда металлов – лантаноиды.

Цель данного проекта – раскрыть важность этих 15 металлов в науке, технике, промышленности, а также их применение в различных областях нашей жизни, показать уникальность этого семейства металлов.

Интерес к лантаноидам значительно увеличился после того, как были выпущены первые атомные реакторы, при работе которых в качестве побочных продуктов образуются эти элементы. Современная техника расширяет круг элементов, применяемых в областях первостепенной важности. Это вызывает к ним повышенный интерес.

В настоящее время на основе лантаноидов получают многие уникальные материалы, которые находят широкое применение в различных областях науки и техники.

Нас заинтересовал вопрос: «из чего состоят кремни для зажигалок?». Некоторые люди считают, что кремни для зажигалок состоят из кремния. Данное мнение довольно распространено и основано на схожести названий. Но так ли это? На самом деле такое утверждение в корне ошибочно. В различных источниках мы обнаружили сведения, что кремни для зажигалок

представляет собой сплав церия, лантана и железа, который содержит также и другие лантаноиды; магний и медь. В своем проекте мы исследовали химический состав кремня для зажигалок. Установили, что состав кремней для зажигалок одного из производителей следующий: Fe - 18.1-19.3%, Ce - 49-51%, La - 26-34%, Nd - 0-10%, Pr - 4-7%, Mg - 3-4%1.

Области применения веществ и материалов, содержащих лантаноиды

Несмотря на то, что лантаноиды очень мало распространены в земной коре, тем не менее, они нашли очень широкое распространение в промышленности, технике и металлургии.

Первая важная область применения лантаноидов: добавляют в сталь разных сортов в основном в виде сплава с железом (ферроцерий), либо в виде мишметалла (49,5 – 65% Се, до 44% La, Pr, Nd, 4,5 – 5% Fe, 0,5% Al и др.).

Хромоникелевые стали трудно прокатывать. Всего 0,03% мишметалла, введённые в такую сталь, намного увеличивает её пластичность. Это облегчает обработку металла резанием и изготовление поковок. Добавки лантана, церия, неодима и празеодима позволили в три с лишним раза поднять температуру размягчения магниевых сплавов и одновременно повысили их коррозионную стойкость. После этого сплавы магния с редкоземельными элементами стали применять для изготовления деталей сверхзвуковых самолетов, оболочек искусственных спутников Земли, управляемых снарядов. На основе церия и мишметалла изготавливают пирофорные сплавы, дающие искру при трении. Такие сплавы применяют при создании трассирующих пуль, снарядов и в обычных зажигалках.

Соединения гадолиния сохраняют магнитные свойства. При сверхнизких температурах сплав гадолиния с церием и рутения приобретает сверхпроводимость, являясь идеальным проводником электричества. Оксид гадолиния (III), добавленный к ферритам, позволяет увеличить контрастность рентгеновских снимков, а борид (GdB) позволяет создавать катоды электронных приборов с очень большими сроками действия.

Вторая не менее важная область применения лантаноидов – атомная энергетика. У гадолиния – 157 (его доля в природной смеси — 15,68%) сечение захвата превышает 150 000 барн. Это "рекордсмен" среди всех стабильных изотопов. Большое сечение захвата гадолиния дает возможность применять его при управлении цепной ядерной реакцией и для защиты от нейтронов.

Области применения лантаноидов

Рассмотрев области применения лантаноидов и материалов на их основе составили сводную таблицу:

Лантан

Сплавив смесь металлов: лантана, церия и железа, получили «кремень», который широко применяется в карманных зажигалках. Конечно, железо-цериево-лантанный «кремень» не имеет ничего общего с природным камнем. Такое название было дано сплаву за способность «искрометания» при трении по нему зазубренного стального колесика. Эта способность была использована не только в безобидных зажигалках, но и в артиллерийских снарядах. Снабдив снаряд насадкой из этого «смешанного металла», получили возможность наблюдать снаряд в полете. «Смешанный металл» при полете в воздухе искрит. При этом роль колесика зажигалки играет сам воздух, трущийся о металл.

Соединения лантана используются при изготовлении стекла для лучших объективов фотоаппаратов и специальных защитных очков. В сплаве с магнием лантан используется для изготовления деталей авиационных двигателей.

Церий

Зубные протезы изготовляют из нержавеющей стали.Сплав получают путем добавки церия к хромоникелевой стали, которая, как известно, трудно обрабатывается. Благодаря церию эта сталь в руках протезиста бывает мягкой, как медь до придания нужной формы, а после термообработки твердой, как сталь.

Соли церия помогают даже при морской болезни.

Соединения церия применяются в фотографии, используются как катализаторы при переработке нефти, в производстве пластмасс, искусственных волокон, протравливании тканей, дублении кож.

Празеодим

Оксид празеодима является составной частью полирующего материала. Оксид празеодима используется в производстве окрашенных стекол, где ее присутствие увеличивает светопрозрачность.

Окись празеодима нашла применение в качестве катализатора при низкотемпературном окислении аммиака.

Неодим

Соединения неодима используются в производстве фарфора и стекла для окрашивания или для обесцвечивания (просветления) их. Окись неодима необходима для получения новейших оптических стекол. В лучших фотоаппаратах применяют так называемую про­светленную оптику. Неодим используется и для изготовления стекол в защитных очках, употребляемых стеклодувами; такие очки предохраняют зрение, задерживая яркие желтые лучи натрия.

Добавка неодима к сверхлегким сплавам магния обеспечивает значительное увеличение их жаропрочности. Прибавки неодима к магниевым сплавам делают их также устойчивыми к морской воде.

Неодимовая соль салициловой кислоты с солью той же кислоты от празеодима под названием «Дималь» нашла себе применение в качестве антисептического средства.

Прометий

В атомной батарейке на прометии энергия бета- распада радиоизотопа превращается сначала в световую, а затем в электрическую. Энергия бета-частиц, воспринимаясь фосфором, превращается в энергию инфракрасного излучения, которое, улавливаясь кремниевым фотоэлементом, превращается в электрический ток. Мощность такой прометиевой бата­рейки достигает 20 мкв при напряжении около одного вольта

Самарий

Соединения самария применяются в качестве добавки (активатора) к материалу люминофоров, дающих одиночные вспышки. Подобные люминофоры используются при исследованиях инфракрасного излучения в астрономии, для обнаруже­ния вредного радиоактивного излучения в ядерных лабораториях и т. д. В некоторых случаях все устройство имеет вид перстня.

Не исключается возможность применения самария и его сплавов для изготовления регулирующих стержней в ядерных реакторах.

Европий

Легкие и портативные рентгено-просвечивающие аппараты, создаются на основе радиоактивного изотопа европия.

Гадолиний

Соединения гадолиния (сернокислый или хлористый гадолиний), являясь сильно парамагнитными веществами, применяются в научных исследованиях для получения сверхнизких температур.

Тербий

Радиоактивный изотоп тербия — тербий-160 используется в качестве радиоактивного индикатора в аналитической химии при изучении процессов одновременного осаждения трудно разделимых смесей лантанидов и других элементов

Диспрозий

Магнитные свойства диспрозия и его соединений открывают ему пути в радиотехнику и электронику.

Гольмий

Радиоактивный изотоп гольмия — гольмий-166 находит применение в аналитической химии в качество радиоактивного индикатора

Эрбий

Некоторые соли эрбия увеличивают количество гемоглобина и число красных кровяных телец в крови теплокровных животных. Не исключается возможность использования таких соединений в медицине

Тулий

В настоящее время тулий-170 используют для дефектоскопии легких металлов и сплавов, а также тонких стальных изделий.

Иттербий

Практического применения не имеет из-за чрезвычайной редкости

История открытия

В 1794 году финский химик Юхан Гадолин, исследуя рудные образцы вблизи шведского местечка Иттербю, обнаружил неизвестную до того «редкую землю», которую назвал по месту находки иттрий. Позже, немецкий химик Мартин Клапрот разделил эти образцы на две «земли», для одной из которых он оставил имя иттрий, а другую назвал церий (в честь недавно открытой малой планеты Церера и по имени древнеримской богини Цереры).

Немного спустя, шведский ученый К. Мосандер сумел выделить из того же образца еще несколько «земель». Все они оказались оксидами новых элементов, получивших название редкоземельные металлы. Совместно к 1907 году химики обнаружили и идентифицировали всего 14 таких элементов. На основе изучения рентгеновских свойств всем элементам были присвоены атомные номера от 57 (лантан) до 71 (лютеций), кроме 61.

Слово знакомого звучания 62. Самарий — Samarium (Sm)

В практической части нашей работы мы исследуем соединения самария, нас заинтересовали история происхождения самария, его этимология и области применения его соединений.

В этом названии слух улавливает что-то знакомое. Самара! Старое название «столицы волжской крупчатки». Название города на Волге, с которым связаны жизнь и деятельность В. И. Ленина, А. М. Горького и В. В. Куйбышева. К сожалению, не в честь этого славного советского города — центра богатейших нефтяных месторождений, района крупнейшей в мире гидроэлектростанции—назван элемент из семейства лантанидов. История происхождения названия элемента исключительна по своей неожиданности.

В середине прошлого столетия на Алтае и Урале подвизался смотритель горного округа, инженер В. Е. Самарский. Талантами он не отличался, рабочих притеснял, жестоких наказаний не гнушался. Однажды рабочие принесли ему найденный в Ильменских горах неизвестный минерал очень красивого бархатно-черного цвета. Присутствовавший при этом угодливый чиновник предложил назвать минерал самарскитом. Минерал поместили в коллекцию под этим названием. В 1879 г. минерал попал в руки французского химика Лекок-де-Буабодрана. Он нашел в минерале новый элемент и назвал его по имени минерала самарием. Так случайно было увековечено имя Самарского. Сколько в этом несправедливости! Если уж называть элемент именем человека, открывшего минерал, то нужно найти подлинного первооткрывателя-труженика.

В своих соединениях самарий — двухвалентный металл, У него проявлена, правда, чрезвычайно слабо, радиоактивность. Он излучает альфа-частицы, переходя в неодим. Из химических элементов с порядковыми номерами до 83 только у самария наблюдается природная альфа-радиоактивность. Источник получения самария — редкоземельные минералы, в которых самарий находится совместно с другими элементами цериевой группы.

Исследованиями последних лет установлено, что в некоторых районах самарий содержится в гранитах, к тому же в заметных количествах. В среднем каждая тонна гранита содержит 17,3 г самария.

Стекло, содержащее окись самария, поглощает нейтроны. Уже одно это делает самарий ценнейшим материалом атомной техники (прозрачные блоки в защите атомного реактора).

Соединения самария применяются в качестве добавки (активатора) к материалу люминофоров, дающих одиночные вспышки.

Возможно применения самария и его сплавов для изготовления регулирующих стержней в ядерных реакторах.

По возрастанию атомного веса они расположились следующим образом:

Z

 

Имя

Этимология

57

La

Лантан

от греч. «скрытный»

58

Ce

Церий

в честь Цереры

59

Pr

Празеодим

от греч. «зеленый близнец», из-за зеленой линии в спектре

60

Nd

Неодим

«новый близнец»

61

Pm

Прометий

от имени мифического героя Прометея, похитившего у Зевса огонь и передавшего его людям.

62

Sm

Самарий

по имени минерала самарскит, в котором был обнаружен

63

Eu

Европий

в честь Европы

64

Gd

Гадолиний

в честь ИоханаГадолина

65

Tb

Тербий

в честь Иттербийского месторождения

66

Dy

Диспрозий

от греч. «труднодоступный»

67

Ho

Гольмий

в честь Стокгольма

68

Er

Эрбий

в честь Шведского города Иттерби

69

Tm

Тулий

от старого названия Скандинавии

70

Yb

Иттербий

в честь Шведского города Иттерби

71

Lu

Лютеций

от древнеримского названия Парижа

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЛАНТАНОИДОВ

Лантаноиды – это 14 элементов, следующих за лантаном, у которых к электронной конфигурации лантана последовательно добавляются 14 4f-электронов. В таблице приведены электронные конфигурации лантаноидов и их наиболее устойчивые степени окисления. Общая электронная конфигурация лантаноидов – 4f2–145d0–16s2.

У церия на 4f-уровне находятся два электрона – один за счет увеличения порядкового номера по сравнению с лантаном на единицу, а другой переходит с 5d-уровня на 4f. До гадолиния происходит последовательное увеличение числа электронов на 4f-уровне, а уровень 5d остается незанятым.

У гадолиния дополнительный электрон занимает 5d-уровень, давая электронную конфигурацию 4f75d16s2, а у следующего за гадолинием тербия происходит, аналогично церию, переход 5d-электрона на 4f-уровень (4f96s2). Далее до иттербия наблюдается монотонное увеличение числа электронов до 4f14, а у завершающего ряд лютеция вновь появляется 5d-электрон (4f145d16s2).

Электронная конфигурация и степени окисления лантаноидов

     

Элемент

Электронная конфигурация

Степень окисления

Церий

Ce

4f26s2

+3, +4

Празеодим

Pr

4f36s2

+3, +4

Неодим

Nd

4f46s2

+3

Прометий

Pm

4f56s2

+3

Самарий

Sm

4f66s2

+2, +3

Европий

Eu

4f76s2

+2, +3

Гадолиний

Gd

4f75d16s2

+3

Тербий

Tb

4f96s2

+3, +4

Диспрозий

Dy

4f106s2

+3, +4

Гольмий

Ho

4f116s2

+3

Эрбий

Er

4f126s2

+3

Тулий

Tm

4f136s2

+2, +3

Иттербий

Yb

4f146s2

+2, +3

Лютеций

Lu

4f145d16s2

+3

Периодический характер заполнения 4f-орбиталей сначала по одному, а потом по два электрона предопределяет внутреннюю периодичность свойств лантаноидов. Периодически изменяются металлические радиусы, степени окисления, температуры плавления и кипения, величины магнитных моментов, окраска и другие свойства

Участие 4f-электронов в образовании химической связи обусловлено предварительным возбуждением на уровень 5d. Энергия возбуждения одного электрона невелика, поэтому обычно лантаноиды проявляют степень окисления +3. Однако некоторые из них проявляют так называемые аномальные степени окисления +2, +4. Эти состояния окисления связывают с образованием наиболее устойчивых электронных конфигураций 4f0, 4f7, 4f14. Так, Ce и Tb приобретают конфигурации f0 и f7, переходя в состояние окисления +4, тогда как Eu и Yb имеют соответственно конфигурации – f7 и f14 в состоянии окисления +2. Однако существование Pr (IV), Sm (II), Dy (IV) и Tm (II) свидетельствует об относительности критерия особой устойчивости электронных конфигураций 4f0, 4f7 и 4f14. Как и для d-элементов, стабильность состояния окисления наряду с этим фактором характеризуется термодинамическими параметрами реального соединения.

В работах Клемма было найдено физическое обоснование давно сложившегося разделения лантаноидов на две подгруппы - церия и тербия. В первую входят лантан и лантаноиды от церия до гадолиния, во вторую - лантаноиды от тербия до лютеция. Отличие между элементами двух этих групп - в знаке спинов у электронов, заполняющих главную для лантаноидов четвертую оболочку. Спины у элементов подгруппы церия имеют один и тот же знак; у элементов подгруппы тербия половина электронов имеет спины одного знака, а половина - другого.

Ограниченная возможность возбуждения 4f-электронов определяет сходство химических свойств лантаноидов в одинаковых степенях окисления. Основные изменения в свойствах лантаноидов являются следствием f-сжатия, то есть уменьшения эффективных радиусов атомов и ионов с увеличением порядкового номера.

Распространение в природе

Лантаноиды достаточно широко распространены в природе. Их распространение в земной коре составляет 0,015 %. Для некоторых элементов данной группы процентные содержания в земле колеблются от 5×10−3—8×10−5 %. Лантаноиды содержатся в 250 видах минералов: в апатитах, баритах, гранитах, базальтах,пироксенитах, андезитах, глинах, в морской воде и т. д. Кроме того, их присутствие выявлено так же в каменном угле, нефти, в разных грунтах, животных и растениях.

Наблюдается повышенное содержание в люпине, сахарной свекле, чернике, разных водорослях и некоторых других растениях. В молоке, крови и костях животных, выявлено присутствие металлов цериевой группы.

Гадолинитможет содержать в себе и иттрий ицерий

Месторождения лантаноидов

Богатые месторождения лантаноидов находятся в Индии; монацитовый песок залегает на береговых пляжах Траванкори, в Бразилии, Австралии, США, в Африке, в Скандинавии и др. В Европе минералы РЗЭ располагаются на Кольском полуострове, Урале, в Украине, в Азии — в Казахстане, Сибири. В июле 2011 года исследовательская группа из Японии обнаружила на дне Тихого океана обширные залежи редкоземельных материалов. Находка подтверждена образцами грунта, извлеченными со дна на глубинах от 3500 до 6000 м в 78 местах. Залежи располагаются в международных водах и тянутся к западу и востоку от Гавайев, а также к востоку от Таити и Французской Полинезии. По оценкам специалистов, найденные залежи содержат от 80 до 100 млрд метрических тонн редкоземельных материалов, что значительно больше текущих глобальных запасов на уровне 100 млн тонн.

Физические свойства лантаноидов

Бастнезит

Лантаноиды - металлы серебристо-белого цвета (некоторые слегка желтоваты, например Рг и Nd). Температуры плавления у элементов подгруппы церия значительно ниже, чем у элементов подгруппы иттрия.

Лантаноиды высокой чистоты пластичны и легко поддаются деформации (ковке, прокатке). Механические свойства сильно зависят от содержания примесей, особенно кислорода, серы, азота и углерода.

Все Лантаноиды, за исключением La и Lu, обладают при температуpax выше комнатной сильным парамагнетизмом, причиной которого является наличие у этих элементов нескомпенсированных в 4f-подоболочках спиновых и орбитальных магнитных моментов.

В области низких температур большинство Лантаноидов цериевой подгруппы (Nd, Pr, Sm) находится в антиферромагнитном состоянии, а Лантаноиды иттриевой подгруппы (Tb, Dy, Ho, Er и Tm) при очень низких температуpax - в ферримагнитном состоянии.

Металлы Tb, Dy, Ho, Er и Tm обладают большими величинами намагниченности насыщения, огромными значениями энергии магнитной анизотропии и магнитострикции, что позволяет на основе этих металлов создавать магнитные материалы (сплавы, ферриты, халькогениды и другие) с уникальными свойствами.

Химические свойства лантаноидов

Лантаноиды очень реакционноспособны и легко взаимодействуют со многими элементами периодической системы: в кислороде сгорают при 200–400 °С с образованием Э2O3, а в атмосфере азота при 750–1000 °С образуют нитриды. Церий в порошкообразном состоянии легко воспламеняется на воздухе, поэтому его используют при изготовлении кремней для зажигалок. Лантаноиды взаимодействуют с галогенами, серой, углеродом, кремнием и фосфором. С большинством металлов лантаноиды дают сплавы.

4Ме + 3O2 200-400°С → 2Ме2O3

Се + О2 → СеО2

2Me + 3Hal2 → 2MeHal3

2Me + 3S → Me2S3

4Me + 3C → Me4C3

2Me + N2 750-1000ْC→ 2MeN

2Me + 3H2 → 2MeH3

4Me + 3Si t°C → Me4Si3

Me + P t°C → MeP

Все лантаноиды взаимодействуют с водой с выделением водорода:

2Ме + 6Н2О → 2Ме(ОН)3 + 3Н2

Се + 2Н2О → СеО2 + 2Н2

Реагируя с водой, только европий образует растворимый кристаллогидрат жёлтого цвета, который при хранении белеет. Происходит дальнейшее разложение до оксида европия (III).

2Eu + 10H2O → 2Eu(OH)3•2H2O + 5H2

2Eu(OH)3•2H2O → Eu2O3 + 5H2O

Активно происходит и взаимодействие лантаноидов с кислотами, однако, в HF и H3PO4 лантаноиды устойчивы т.к. покрываются пленкой нерастворимых солей. Лантаноиды благодаря положению в ряду СЭП реагируют с кислотами – неокислителями с выделением водорода:

2Ме + 6HCl → 2МеCl3 + 3Н2

2Ме + 3H2SO4(разб.) → Ме2(SO4)3 + 3Н2

Оксиды лантаноидов

Получают оксиды прокаливанием соответствующих гидроксидов, нитратов и карбонатов, а также непосредственным окислением металлов.

2Ме(ОН)3 → Ме2О3 + 3Н2О

4Ме(NO3)3 → 2Me2O3 + 12NO2 + 3O2

2(СО3)3 → Ме2О3 + 3СО2

4Ме + 3O2 200-400°С → 2Ме2O3

2Ме(ОН)3 t°C → Me2O3 + 3H2O

Оксиды редкоземельных элементов.

празеодим, церий, лантан, неодим, самарий, гадолиний

Цвет оксидов разнообразен – от белого до красного и голубого. В воде оксиды практически нерастворимы. Характер оксидов основный, хотя основность уменьшается от церия к лютецию. Это подтверждается возможностью у некоторых из этих элементов при сплавлении с оксидами щелочных металлов соединений типа МеLnO2: Ме2О3 + Na2O → 2NaМеО2

Гидроксиды лантаноидов

Гидроксиды лантаноидов получают путём добавления к растворимым солям металлов сильной щёлочи:

МеCl3 + 3NaOH → Me(OH)3↓ + 3NaCl

Гидрооксиды лантаноидов R(ОН)3 имеют основной характер и нерастворимы в щелочах. Гидроксиды лантаноидов по силе уступают лишь гидроксидам щелочноземельных металлов.

В кислых растворах гидроксид церия (IV) выступает как сильный окислитель 2Ce(OH)4 + 8HCl → 2CeCl3 + Cl2↑ + 8H2O

Гидроксиды лантаноидов со степенью окисления +2 имеют ярко выраженный основный характер. По свойствам они близки к гидроксидам щелочноземельных металлов.

Соли лантаноидов

Хлориды, сульфаты и нитраты трехвалентных Лантаноидов растворимы в воде и кристаллизуются большей частью в виде кристаллогидратов различного состава. Фториды, оксалаты, фосфаты, карбонаты малорастворимы в воде и разбавленных минеральных кислотах. Трехзарядные катионы Се, Gd, Tb, Yb, Lu бесцветны, Pm, Eu, Er имеют розовый цвет, Sm, Dy, Ho - желтый, Рг и Tm - зеленый, Nd - фиолетово-красный.

Получение

В 2007—2008 гг. в мире добывалось по 124 тыс. т редкоземельных элементов. Причем лидировали следующие страны:

Китай (120,00 тыс. т), СНГ (21 000 тыс. т),

Индия (2,70 тыс. т), США (14 000 тыс. т),

Бразилия (0,65 тыс. т), Австралия (5 800 тыс. т),

Китай (89 000 тыс. т), Индия (1 300 тыс. т),

Бразилия (84 тыс. т)

Одним из способов получения лантаноидов, описанных в источниках является электролиз их соединений в солевых расплавах.

Металлы подгруппы Ce выделяют электролизом безводных хлоридов в расплавах КCl + СаCl2 или КCl + NaCl.

В случае металлов иттриевой подгруппы (более тугоплавких) электролиз ведут с жидким катодом из кадмия или цинка, которые затем отгоняют в вакууме. Электролитические металлы менее чисты, чем металлотермические.

Для получения лантаноидов также применяют металлотермию. Металлотермический метод основан на восстановлении безводных хлоридов или фторидов чистым кальцием. Процесс ведут в стальных бомбах, футерованных оксидом кальция, или в тиглях из тантала в атмосфере чистого аргона. Этим способом могут быть получены все Лантаноиды, кроме Sm, Eu и Yb. Последние можно восстановить из их оксидов лантаном с последующей дистилляцией образующихся металлов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задачи практической работы:

  1. Обнаружить вещества и материалы, содержащие лантаноиды среди предметов быта.

  2. Изучить свойства соединений лантаноидов.

  3. Отработать и освоить методику электрохимического получения лантаноидов, нанесения металлических покрытий из этих металлов.

  4. Определить с помощью магнитометра магнитный момент

  5. Предложить возможные направления использования лантаноидов и их соединений.

Техника безопасности: все опыты проводились в лаборатории с соблюдением всех норм и требований безопасности под руководством преподавателей

Опыт№1 Исследование состава кремней для зажигалок

Цель опыта:исследование свойств пирофорного сплава, применяемого в кремнях для зажигалок, дающего искру при трении.

Кремни для зажигалок представляет собой сплав церия, лантана и железа, который содержит также другие лантаноиды, магний и медь.

Например, состав кремней для зажигалок одного из производителей следующий: Fe - 18.1-19.3%, Ce - 49-51%, La - 26-34%, Nd - 0-10%, Pr - 4-7%, Mg - 3-4%1.

Лантан, церий и другие редкоземельные металла обладают высокой химической активностью. Они легко взаимодействуют с кислородом. При этом выделяется большое количество тепла.

Потерев сплав церия, лантана и железа об шершавую поверхность, образуются мелкие частички металла, которые моментально загораются. В результате мы видим белые искры. Горение церия не сильно уступает по яркости вспышке магния.

  • Мы взяли пинцетом кремень для зажигалок и потерли его об напильник. Появились искры. Этими искрами можно легко поджечь газ или пары бензина. Именно так и происходит, когда мы пользуемся зажигалкой.

  • Внесли в пламя газовой горелки небольшими порциями порошок сплава (церий-лантан-железо), увидели целые снопы красивых белых и желтых искр.

  • Взяли пинцетом кремень для зажигалок и нагрели его в пламени горелки до желто-белого свечения, затем резко бросили его об твердую огнеупорную поверхность (плитка, асфальт, бетон). При ударе произойдет яркая белая вспышка, во все стороны полетят раскаленные кусочки металла. Крупные осколки в момент падения дают дополнительные вспышки.

Вывод: сплав на основе церий-лантан-железо обладает пирофорными свойствами, дает искру при трении, используется в карманных зажигалках.

Опыт№ 2

Проведение электролиза раствора соли хлорида самария (III)SmCl3 в органическом растворителе (ДМФ)

Цель опыта: получить лантаноид - самарий методом электролиза

Лантаноид-самарий получили электролизом раствора соли хлорида самария SmCl3 в органическом растворителе диметилформиате (ДМФ). Электролиз провели на специальной установке (электролизере) на инертных электродах, сила тока 500 элек. Ватт, в течение 2 часов.

К(-) Sm3++3℮--→ Sm

A(+) 2Cl--2℮--→ Cl2

2SmCl3 электролиз = 2Sm + 3Cl2

На катоде выделился бело-серебристый налет самария. Пластинка с напылением самария представляет собой матричную структуру с размером пустот в 20 нм. Эти пустоты могут заполняться различными материалами и металлами.

Полученные наноструктуры используют для изготовления протезов (титановые наполнения) и штифтов в стоматологии, в ядерной химии.

Опыт № 3 Исследование магнитных свойств

пластинки с напылением самария

Цель опыта: Спомощью прибора магнитометра усилить, измерить, исследовать во временном интервале магнитные свойства самария.

Пластинку покрытую слоем самария поместили в прибор-магнитометр, для определения магнитного момента в ферромагнитном состоянии: после электролиза, через некоторое время после помещения в магнитное поле, через 10 дней после проведения электролиза.

Магнитный момент в ферромагнитном состоянии

Временной интервал

0.89

После электролиза

4.11

После помещения в магнитное поле

4.11

Через 10 дней после помещения в магнитное поле

Вывод: стальная пластина с напылением самария обладает магнитным моментом, после помещения пластины в магнитную установку с импульсом 500 элек. В магнитный момент усилился в два раза и сохранился на долгое время.

Матричная структура самария в электронном микроскопе

ИТОГИ ПРОЕКТА

  1. Исследовали многоаспектность представлений об элементах лантаноидах, применяемых в различных областях.

  2. Познакомились с историей открытия и практическим применением лантаноидов

  3. Проанализировали строение атома, свойства, способы получения лантаноидов.

  4. Используя описанные методики, получили самарий методом электролиза

  5. Исследовали магнитные свойства самария

  6. Предложили способ применения полученного самария

  7. Подготовили компьютерную презентацию по проекту

  8. Провели внутришкольную конференцию

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная тема проекта заинтересовала нас так, как не включена в школьную программу по химии и вынесена на внеаудиторные занятия или на самостоятельное изучение. Впервые со сведениями о лантаноидах мы встретились при изучении строения атома и периодического закона. Химия этих элементов, их широкое использование в технике и быту заинтересовала нас, появилась идея создания проекта.

В данном проекте раскрыты основные аспекты знакомства с лантаноидами: общая характеристика, нахождение в природе, физические и химические свойства, характеристические соединения, их получение и применение.

В наши дни особенно актуально звучат слова Дмитрия Ивановича Менделеева о лантаноидах: "Тут скопилось за последние годы очень много нового" Однако считать, что познано все и вся, что редкоземельная тематика себя исчерпала, могут только дилетанты. Специалисты же, напротив, уверены, что познание лантана и его команды только начинается, что эти элементы еще не раз удивят научный мир.

ИСТОЧНИКИ

  1. Ахметов Н. С. "Общая и неорганическая химия" М.: Высшая школа, 2001 г.

  2. Большой Энциклопедический словарь М.: Просвещение, 2001г.

  3. Комкова Е. Г. "Группа химических астероидов" кн.3 из серии "Элементы периодической системы Менделеева" М.: Просвещение, 1984г.

  4. Леенсон И. А. "Чёт или нечёт? Занимательные очерки по химии" М.:Химия, 1987г

  5. Любимов И. М. "Редкие элементы" М.: Просвещение, 1977г.

  6. Рич В. "В поисках элементов" М.: Просвещение, 1985г

  7. CD – ROM "Рефераты и курсовые по химии" (реферат - "лантан")

  8. Угай Я. А. "Общая и неорганическая химия" М.: Высшая школа, 2002г.

  9. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B8%D0%B4%D1%8B

  10. http://www.iknowit.ru/sprav/paper1044.html

  11. http://chemistry-chemists.com/