Лантан

Лантан — это химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 57. Обозначается символом La (от лат. Lanthanum). Относится к группе лантаноидов, хотя по химическим свойствам и положению в периодической системе часто рассматривается как первый элемент этой группы, а также как аналог скандия и иттрия. Простое вещество лантан — это мягкий, ковкий, серебристо-белый металл, относящийся к редкоземельным элементам.

История открытия

Лантан был открыт в 1839 году шведским химиком Карлом Густавом Мосандером. Он исследовал образец цериевой земли (оксида церия), полученный из минерала церита, и обнаружил, что в ней содержится примесь неизвестного ранее элемента. Мосандер выделил новый оксид, который по свойствам отличался от оксида церия, и назвал его «лантаном» (от др.-греч. λανθάνειν — «скрываться», «оставаться незамеченным»), так как этот элемент долгое время оставался необнаруженным в смеси с церием.

В 1841 году Мосандеру удалось получить чистый металлический лантан, однако его работа была подвергнута сомнению некоторыми химиками, в частности, Йёнсом Якобом Берцелиусом, который считал, что новый элемент является смесью оксидов. Окончательно существование лантана как самостоятельного элемента было подтверждено в 1923 году, когда была определена его точная атомная масса и получены спектроскопические доказательства.

Нахождение в природе

Лантан является одним из наиболее распространённых редкоземельных элементов. Его содержание в земной коре оценивается в 18–32 г/т, что сопоставимо с содержанием свинца или молибдена. В природе лантан встречается исключительно в виде соединений, входя в состав многих минералов, таких как монацит, бастнезит, лопарит и другие.

Основные промышленные месторождения лантана находятся в Китае (провинция Внутренняя Монголия, Сычуань), США (Калифорния, Невада), Бразилии, Индии, Австралии и России (Кольский полуостров, Иркутская область). Лантан не имеет собственных минералов, а входит в состав изоморфных смесей с другими лантаноидами, церием и иттрием.

Физические свойства

Лантан — металл серебристо-белого цвета с характерным блеском. На воздухе быстро тускнеет, покрываясь плёнкой оксида. Обладает следующими физическими характеристиками:

• Атомная масса: 138,90547 а. е. м.
• Плотность: 6,162 г/см³ (при 20 °C)
• Температура плавления: 920 °C
• Температура кипения: 3464 °C
• Твёрдость по Моосу: 2,5 (мягкий металл, легко режется ножом)
• Электропроводность: 0,013·10⁶ См/м (при 0 °C)
• Магнитные свойства: парамагнетик (при комнатной температуре)

Лантан обладает высокой пластичностью и ковкостью, легко поддаётся механической обработке. При низких температурах (ниже 0,5 К) переходит в сверхпроводящее состояние.

Химические свойства

Лантан — химически активный металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь рыхлой плёнкой оксида La₂O₃, которая не защищает металл от дальнейшего окисления. При нагревании на воздухе лантан сгорает ярким пламенем, образуя оксид и нитрид.

Реагирует с водой, особенно при нагревании, выделяя водород: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂↑

Легко растворяется в разбавленных кислотах (соляной, серной, азотной), образуя соли лантана(III). С галогенами реагирует при комнатной температуре, образуя галогениды (LaF₃, LaCl₃, LaBr₃, LaI₃). При нагревании взаимодействует с серой, азотом, углеродом и фосфором.

Для лантана характерна степень окисления +3. Соединения лантана(III) обычно бесцветны, так как ион La³⁺ не имеет электронов на 4f-подуровне (электронная конфигурация [Xe]4f⁰). Это свойство отличает лантан от большинства других лантаноидов, которые имеют окрашенные ионы.

Получение

Основным источником лантана являются монацитовые и бастнезитовые концентраты. Процесс получения включает несколько этапов:

1. Вскрытие руды: обработка концентрата серной или азотной кислотой, или щёлочью.
2. Разделение редкоземельных элементов: экстракция, ионный обмен или дробная кристаллизация. Лантан, как наиболее лёгкий из лантаноидов, относительно легко отделяется от других элементов.
3. Восстановление металла: из оксида La₂O₃ или фторида LaF₃ металлический лантан получают металлотермическим восстановлением (кальцием, магнием или алюминием) в вакууме или инертной атмосфере.
4. Рафинирование: электролиз расплавленных солей или зонная плавка для получения чистого металла.

Мировое производство лантана (в пересчёте на оксид) составляет около 30–40 тысяч тонн в год (по данным на начало 2020-х годов). Основным производителем является Китай, на долю которого приходится более 80% мирового объёма.

Применение

Оптика и стекольная промышленность

Одно из важнейших применений лантана — производство оптических стёкол. Добавление оксида лантана (La₂O₃) в состав стекла повышает его показатель преломления и снижает дисперсию, что позволяет создавать линзы с высоким качеством изображения. Такие стёкла используются в фотообъективах, микроскопах, телескопах и очках. Лантановое стекло также применяется в производстве волоконно-оптических кабелей.

Катализаторы

Соединения лантана используются в качестве катализаторов в нефтепереработке (крекинг, риформинг) и в химической промышленности. Лантан-цериевые катализаторы применяются в автомобильных нейтрализаторах выхлопных газов для снижения выбросов оксидов азота, углерода и углеводородов.

Электроника и электротехника

Лантан входит в состав никель-металлгидридных (NiMH) аккумуляторов, где используется в виде сплава LaNi₅ для хранения водорода. Такие аккумуляторы широко применяются в гибридных автомобилях (например, Toyota Prius), портативной электронике и электроинструментах. Лантан также используется в производстве суперконденсаторов и электродов для топливных элементов.

Металлургия

Добавки лантана (0,1–0,5%) в стали и сплавы улучшают их механические свойства: повышают прочность, пластичность, коррозионную стойкость и жаропрочность. Лантан используется в производстве магниевых, алюминиевых и титановых сплавов для авиа- и ракетостроения.

Люминофоры и осветительные приборы

Соединения лантана (например, LaPO₄, La₂O₃) применяются в качестве основы для люминофоров в люминесцентных лампах, светодиодах, рентгеновских экранах и электронно-лучевых трубках. Лантан-цериевый бромид (LaBr₃:Ce) используется в сцинтилляционных детекторах для регистрации гамма-излучения.

Ядерная энергетика

Лантан-139, стабильный изотоп, используется в качестве поглотителя нейтронов в регулирующих стержнях ядерных реакторов. Радиоактивный изотоп лантан-140 (период полураспада 40,3 часа) применяется в медицине для диагностики и в научных исследованиях.

Другие применения

• Керамика: оксид лантана добавляют в керамические материалы для повышения их термостойкости и прочности.
• Пиротехника: лантан входит в состав некоторых пиротехнических составов для получения яркого белого пламени.
• Сверхпроводники: лантан является компонентом некоторых высокотемпературных сверхпроводников (например, La₂CuO₄).
• Медицина: соли лантана используются в качестве фосфат-связывающих препаратов для лечения гиперфосфатемии у пациентов с хронической почечной недостаточностью.

Биологическая роль и токсичность

Лантан не является биогенным элементом и не выполняет известных физиологических функций в организме человека. Однако его соединения обладают низкой токсичностью. Острая токсичность солей лантана (LD₅₀ при пероральном введении для крыс составляет около 1000–2000 мг/кг) классифицируется как умеренная. При длительном поступлении в организм может накапливаться в костной ткани, печени и почках, вызывая нарушения обмена кальция и фосфора.

Вдыхание пыли металлического лантана или его оксида может вызывать раздражение дыхательных путей и лёгочный фиброз. В производственных условиях необходимо соблюдать меры предосторожности: использовать средства индивидуальной защиты (респираторы, перчатки) и обеспечивать эффективную вентиляцию.

Изотопы

Природный лантан состоит из двух изотопов: стабильного лантан-139 (99,911% по распространённости) и радиоактивного лантан-138 (0,089%, период полураспада 1,02·10¹¹ лет). Известны также искусственные радиоизотопы с массовыми числами от 117 до 155, наиболее важными из которых являются лантан-140 (период полураспада 40,3 часа) и лантан-141 (период полураспада 3,9 часа).

Интересные факты

• Лантан является первым элементом в ряду лантаноидов, хотя по химическим свойствам он часто рассматривается как аналог скандия и иттрия, а не как типичный лантаноид.
• Название элемента происходит от греческого слова «лантано» (скрываться), что отражает трудность его обнаружения в смеси с церием.
• Лантан-цериевый бромид (LaBr₃:Ce) является одним из лучших сцинтилляционных материалов для детекции гамма-излучения благодаря высокому световыходу и быстрому времени высвечивания.
• Сплав LaNi₅ способен поглощать водород в объёме, в 1000 раз превышающем собственный объём сплава, что делает его перспективным материалом для хранения водорода.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 578–580.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — Т. 2. — С. 532–540.
• CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition. — CRC Press, 2016. — P. 4-18–4-20.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969. — Ч. 3. — С. 456–462.
• Редкоземельные элементы: сырьё, технология, применение / Под ред. Б. И. Когана. — М.: Металлургия, 1982. — С. 120–135.