3. Физические и химические свойства
Скандий, иттрий и лантан – серебристо-белые металлы с хорошими механическими свойствами. Природные скандий и иттрий состоят только из одного стабильного изотопа 45Sc и 89Y, а природный лантан их двух 139La (99,911%) и 138La (0,089%).
Все металлы характеризуются полиморфизмом: скандий и иттрий имеют по две модификации, лантан – три; все парамагнетики, лантан сверхпроводник ниже Ткр= 4,9К (α, La) и ниже 5,85 К (β, La).
Химическая активность металлов возрастает от скандия к лантану, причем металлический лантан рекомендуется хранить в минеральном масле для исключения окисления. По активности эти металлы сопоставимы со щелочноземельными металлами, особенно иттрий и лантан, а скандий по химической активности занимает положение между алюминием и иттрием. Иттрий и, особенно, лантан разлагают воду:
2La + 6H2O = 2La(ОН)3 + Н2
При повышенных температурах металлы легко взаимодействуют с галогенами, кислородом, водородом, халькогенами, азотом, бором, углеродом.
Все металлы растворяются в разбавленных минеральных кислотах, кроме плавиковой и фосфорной (из-за нерастворимости фторидов и фосфатов в воде). Щелочи на металлы не действуют.
4. Соединения элементов
Оксиды данных элементов получают термическим разложением гидроксидов, оксалатов, нитратов и карбонатов:
Sc2(C2O4)3· 5H2O = Sc2O3 + 3CO2 + 3CO + 5H2O
Sc(OH)3 → ScO(OH) → Sc2O3
и относятся к высокоплавким веществам (Тпл оксидов находится в пределах 2280 – 2480 °С) с кубической или гексагональной структурами. Оксиды скандия и иттрия не растворяются в воде, а оксид лантана с водой образует сильное основание La(ОН)3.
Гидроксиды получают осаждением из растворов их солей:
Y2(SO4)3 + 6NH4OH = 2Y(OH)3 + 3(NH4)2SO4
Оксиды и гидроксиды обладают, главным образом, основными свойствами, которые усиливаются от скандия к лантану. Гидроксид Sc(ОН)3 растворим в концентрированных растворах щелочей:
Sc(ОН)3 + 3NaOH = Na3[Sc(OH)6].
При сплавлении с карбонатами оксиды иттрия и лантана образуют мета-формы:
La2O3 + Na2CO3 = 2NaLaO2 + CO2
Оксид иттрия при нагревании до 950-1000 °С с оксидами меди и бария в атмосфере кислорода образует сложный оксид YBaCu3O7-δ – знаменитый высокотемпературный керамический сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 90 К. Такие сложные оксидные системы образует и La2О3, причем первые керамические сверхпроводники с Ткр = 30-40 К были получены в 1980 г швейцарскими учеными Мюллером и Беднорцем на основе оксида лантана: La2-хМхСuО4-х, где М = Ва, Са.
Оксиды и гидроксиды скандия, иттрия и лантана растворяются в кислотах (кроме плавиковой и фосфорной) с образованием солей, содержащих катионы [Э(Н2О)6]3+ и [Э(Н2О)8]3+. Многие их соли образуют комплексные соединения, например, [Y(SO4)2]- и т.п.
Металлы скандия, иттрия и лантана непосредственно взаимодействуют с галогенами с образованием тригалогенидов, хотя обычно галогениды синтезируют другими способами:
(NH4)3ScF6 = ScF3 + 3NH4F
2Sc2O3 + 3CCl4 = 4ScCl3 + 3CO2
La2O3 + 6NH4HF = 2LaF3 + 6NH4F + 3H2O
La2O3 + 3Cl2 + 3C = 2LaCl3 + 3CO
Y2O3 + 6HI = 2YI3 + 3H2O
Фториды отличаются от остальных галогенидов своей высокой температурой плавления и химической инертностью. Они мало растворимы в воде и осаждаются фторид-ионами из водных растворов солей в форме гидратов(). Устойчивость галогенидов уменьшается от фторидов к йодидам. Хлориды, бромиды и йодиды гидроскопичны, хорошо растворяются в воде. Термостабильность галогенидов уменьшается от фторидов к йодидам. Хлориды, бромиды и йодиды гидроскопичны, хорошо растворяются в воде. Термостабильность галогенидов уменьшается от ЭF3 к ЭI3. Склонность к комплексообразованию у хлоридов, бромидов и йодидов существенно меньше по сравнению с фторидами.
Металлы данной подгруппы непосредственно взаимодействуют с водородом с образованием гидридов состава ЭН2 и ЭН3, причем лантан поглощает водород уже при комнатной температуре. При температуре 250 – 300 °С металлы поглощают водород с образованием ЭН3. Гидриды ЭН2 образуются при более низкой температуре, а выше 400 °С ЭН3 теряют водород и также переходят в ScН2, YН2 и LaН2, которые являются термически наиболее стабильными и разлагаются лишь выше 1300 °С.
Гидриды ЭН2 и ЭН3 отличаются не только по термостабильности, но и по структуре, характеру химической связи и химической активности. Тригидриды ЭН3 имеют ионные кристаллческие решетки и химически довольно активны.
LaН3 + 3Н2О = La(ОН)3 + 3Н2
2YН3 + 6НСl = 2YСl + 3Н2
Дигидриды обладают металлическим характером проводимости и являются типичными фазами внедрения, в решетке которых водород заполняет тетраэдрические пустоты в металлической подрешетке. Водой они не разлагаются и медленно взаимодействуют с кислотами.
Достаточно хорошо известны и изучены бориды различного состава:YВ6, LaВ4, YВ4, LaВ12. Все они получены высоко температурным синтезом из металлов или оксидов:
Sc + 2B = ScB2
Y2O3 + 3B4C = 2YB6 + 3CO
La2O3 + 12B + 3C = 2LaB6 + 3CO
Бориды характеризуются высокими температурами плавления и высокой тепло и электропроводностью, а также твердостью и химической стойкостью к действию разбавленных кислот и щелочей.
Карбиды скандия, иттрия и лантана состава ЭС, Э2С3, ЭС2 получают так же как и бориды – непосредственно из металла и углерода или через оксид Э2О3:
Sc + C = ScC
La2O3 + 7C = 2LaC2 + 3CO
Высшие карбиды – высокоплавкие, химически стабильные вещества. При повышении температуры карбиды разлагаются водой:
2YC2 + 6H2O = 2Y(OH)3 + 2C2H2 + H2
Sc4C3 + 12H2O = 4Sc(OH)3 + 3CH4
К карбидам близки по структуре и свойствам нитриды:
2Sc + N2 = 2ScN
YH3 + N2 = YN + NH3
La2O3 + N2 + 3C = 2LaN + 3CO
Высокая прочность ионной химической связи Э – N в нитридах обуславливает их высокие температуры плавления, но вместе с этим ионный характер связи приводит к высокой химической активности:
LaN + 3H2O = La(OH)3 + NH3
Халькогены в виде стабильных высокоплавких веществ получают в основном из оксидов или прямым синтезом:
La + S = LaS
Sc2O3 + 3H2S = Sc2S3 + 3H2O
Большинство сульфидов устойчивы к воде, но разлагается кислотами:
La2S3 + 6HCl = 2LaCl3 + 3H2S.