1.3 Редкоземельные элементы

Лантаноиды (от лантан и греч. eidos - образ, вид) семейство из 14 химических элементов с атомным номером от 58 до 71, расположенных в 6-м периоде системы Менделеева вслед за лантаном. Лантаноиды и сходные с ними элементы скандий, иттрий и лантан образуют группу редкоземельных элементов (в литературе её обозначают сокращённо РЗЭ). Такое название объясняется тем, что все эти элементы встречаются редко и дают тугоплавкие, нерастворимые в воде окислы, по старинной терминологии, - "земли". Редкоземельные элементы входят в побочную подгруппу III группы периодической системы.

По химическим свойствам лантаноиды весьма сходны между собой, что объясняется строением электронных оболочек их атомов: по мере увеличения заряда ядра структура двух внешних электронных оболочек не меняется, т.к. происходит заполнение электронами 3-й снаружи оболочки - глубоколежащего 4f-уровня. Максимально возможное число электронов на f-уровне равно 14, что определяет число элементов семейства лантаноидов. Лантаноиды подразделяются на 2 подгруппы: цериевую, включающую церий Се, празеодим Pr, неодим Nd, прометий Pm, самарий Sm, европий Eu, и иттриевую, включающую гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Но, эрбий Еr, тулий Tm, иттербий Yb, лютеций Lu. Это деление обусловлено периодичностью изменения некоторых свойств внутри семейства лантаноидов; названия подгрупп возникли исторически.

Физические свойства: Лантаноиды - металлы серебристо-белого цвета (некоторые слегка желтоваты, например Pr и Nd). Кристаллическая структура большинства Лантаноидов - гексагональная плотноупакованная. Исключение составляют g-Ce и a-Yb (кубическая гранецентрированная), Sm (ромбоэдрическая), Eu - кубическая объемно-центрированная. То обстоятельство, что при переходе от Се к Lu число электронов на двух внешних оболочках, как правило, не меняется, а положительный заряд ядра постепенно возрастает, вызывает более сильное притяжение электронов к ядру и приводит к так называемому лантаноидному сжатию; у нейтральных атомов лантаноидов и ионов одинаковой валентности при увеличении атомного номера радиусы несколько уменьшаются. 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. Значения предела прочности и модуля упругости металлов иттриевой подгруппы (за исключением Yb) выше, чем для цериевой. Все лантаноиды, за исключением La и Lu, обладают при температурах выше комнатной сильным парамагнетизмом, причиной которого является наличие у этих элементов некомпенсированных 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, Но, Er и Tm) при очень низких температурах - в ферримагнитном состоянии, а при более высоких температурах переходят в т. н. геликоидальное антиферромагнитное состояние. Gd при всех температурах ниже 293 К (т. е. до точки Кюри) находится в ферромагнитном состоянии.

Табл. 1. Атомный номер, атомная масса и некоторые другие свойства элементов семейства лантаноидов.

Название	Символ	Атомный номер	Атомная масса	Электронная структура					Валентность	Энергия ионизации, эВ
				4f	5s	5p	5d	6s
Лантан	La	57	138,9055	-	2	6	1	2	3	36,2
Церий	Ce	58	140,12	2	2	6	-	2	3,4	37,2
Празеодим	Pr	59	140,9077	3	2	6	-	2	3,4	37,5
Неодим	Nd	60	144,24	4	2	6	-	2	3	37,8
Прометий	Pm	61	(145)**	5	2	6	-	2	3	38,3
Самарий	Sm	62	150,4	6	2	6	-	2	2,3	38,2
Европий	Eu	63	151,96	7	2	6	-	2	2,3	38,8
Гадолиний	Gd	64	157,25	7	2	6	1	2	3	38,6
Тербий	Tb	65	158,9254	9	2	6	-	2	3,4	39,4
Диспрозий	Dy	66	162,5	10	2	6	-	2	3(4)	39,5
Гольмий	Ho	67	164,9304	11	2	6	-	2	3	40
Эрбий	Er	68	167,26	12	2	6	-	2	3	40,2
Тулий	Tm	69	168,9342	13	2	6	-	2	3(2)	40,3
Иттербий	Yb	70	173,04	14	2	6	-	2	2,3	40,8
Лютеций	Lu	71	174,97	14	2	6	1	2	3	41

Табл. 2. - Физические свойства лантаноидов.

Металл	Плотность (рентгеновская), г/см	t пл, °C	t кип, °C	Удельное объёмное электрическое Сопротивление (при 25°C), ом·см·106	Сечение захвата тепловых нейтронов, s	Работа выхода электрона, эв
a(La)	6,17	920	3470	56,8	8,9	3,33
g-Ce	6,77	795	3470	75,3	0,7	2,84
a-Pr	6,78	935	3130	68	11,2	2,7
a-Nd	7,01	1024	3030	64,3	44	3,3
a-Sm	7,54	1072	1900	88	6500	3,2
Eu	5,26	826	1440	81,3	4500	2,54
a-Gd	7,89	1312	3000	140,5	44000	3,07
a-Tb	8,27	1356	2800	-	44	3,09
Dy	8,53	1407	2600	56	1100	3,09
Ho	8,8	1461	2600	87	64	3,09
Er	9,05	1497	2900	107	166	3,12
Tm	9,33	1545	1730	79	118	3,12
a-Yb	6,98	824	1430	27	36	2,59
Lu	9,84	1652	3330	79	108	3,14
a-Sc	2,99	1539	2730	-	13	3,23
Y	4,48	1509	2930	69	1,38	3,07