Реферат: Химия лантаноидов

Так же церий - главный компонент пирофорного сплава, из которого изготовляются кремни для зажигалок. Кроме церия в его состав входят другие редкоземельные металлы, а также железо. Этот же сплав используется для изготовления трассирующих снарядов и пуль.

В современной технике широко используют способность церия (как и других лантаноидов) улучшать свойства сплавов на основе железа, магния, алюминия, меди, ниобия, титана. Легирование конструкционных сталей церием значительно повышает их прочность. Действие церия в целом аналогично действию лантана. Малые добавки церия очищают сталь от вредных неметаллических включений, прежде всего, серы и газов, большие же - образуют самостоятельные окисные включения, которые полезны далеко не всегда.

Катализаторами, в состав которых входит церий, пользуются уже много лет. Такие катализаторы ускоряют практически важную реакцию между водородом и окисью углерода, реакция дегидрогенизации спиртов, процессы крекинга нефти. Сульфат церия Ce(SO₄ )₂ считают перспективным катализатором для сернокислотного производства на стадии окисления SO₂ в SO₃ .

Активно применяется церий и в атомной энергетике. Величина сечения захвата тепловых нейтронов атомами церия очень мала - втрое меньше, чем у железа, и в 50.000 раз меньше, чем у гадолиния. Керамику, в состав которой входит CeO₂ , используют в реакторостроении. В атомной технике применяют и церийсодержащие стекла - они не тускнеют под действием радиации.

Двуокись церия вводится в стекло как осветитель, и иногда - как светло - желтый пигмент. Это же вещество - основной компонент пилирита, самого эффективного порошка для полировки оптического и зеркального стекла. Пилирит - коричневый порошок, состоящий из окислов редкоземельных элементов. Окиси церия в нем меньше 45 % .

Если подвергнуть церий действию высокого давления - около 7000 атм.- его объем уменьшиться намного заметнее, чем объем лантана или неодима, - примерно на четверть. Тип кристаллической решетки при этом не изменится, но некоторые физические свойства изменятся очень сильно. В частности, электрическое сопротивление церия упадет почти вдвое. Полагают, что причина таких изменений - электронные переходы. В каждом атоме один электрон с 4f-подуровня переходит на 5d-подуровень. Если до сжатия металл состоял из ионов Ce³⁺ и электронов, то теперь в электронном облаке находятся четырехвалентные ионы Се⁴⁺ .

ПРАЗЕОДИМ.

Почти вся история редкоземельных элементов - это история разделения. Лантан открыли, разделив окись церия. А через два года после открытия лантановой земли Карлу Мозандеру удалось разделить и ее. Свойства новой земли были чрезвычайно близки свойствам La₂ O₃ и потому элемент новой земли назвали дидимом - от греческого didimoz, что означает "близнец" или "парный". А в 1885 году Ауэр фон Вельсбах сумел аналитически разделить дидим на два элемента. Их назвали празеодимом (по-гречески prasinoz - "светло-зеленый") и неодим ("новый дидим").

Большинство солей празеодима, светло - зеленые, а сам металл внешне не отличить от лантана и церия - белый, покрытый оксидной пленкой. Правда, окись празеодима на окись церия и лантана не похожа ни по внешнему виду, ни по строению. Это вещество темно-серого, почти черного цвета; его состав Pr₆ O₁₁ , а молекулярный вес - 1021,5.

Как и церий, празеодим склонен проявлять валентность 4, помимо обычной для всех лантаноидов валентности 3. В остальном он ближе всего к неодиму. Почти всегда празеодим используется в смеси с неодимом или церием.

Хотя элемент дидим официально был "закрыт" еще в прошлом веке, с этим названием можно встретиться и в самых современных книгах: до сих пор природную смесь неодима с празеодимом называют так.

У празеодима один стабильный природный изотоп - с массовым числом 141. Радиоактивные изотопы элемента N59 образуются в природе и в атомных реакторах при делении ядер урана. Между прочим, в реакторах образуется и стабильный празеодим-141 - один из "реакторных ядов". Но этот "яд" не очень сильный, так как по сечению захвата тепловых нейтронов ¹⁴¹ Pr намного уступает изотопам других лантаноидов, кроме церия.

Радиоизотопы празеодима короткоживущи. Самый тяжелый из них - с массовым числом 148 - имеет период полураспада 12 минут. Еще меньшее время живет самый легкий изотоп этого элемента - празеодим-133, впервые полученный в 1968-1969 годах в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.

НЕОДИМ.

Неодим - второй по распространенности среди всех лантаноидов. Его содержание в земной коре составляет примерно - 2,5*10^-3 %. Есть даже неодимовый минерал - эшинит. В этот минерал входят оксиды кальция, тория, тантала, ниобия, иттрия, лантана и лантаноидов, из которых в нем больше всего церия и неодима.

Природный неодим состоит из 7 изотопов - с массовыми числами от 142 до 146, а также 148 и 150. Самый распространенный из них - неодим-142. Второй по распространенности изотоп - неодим-144 слабо радиоактивен, период его полураспада - 5*10¹⁵ лет. Искусственные изотопы неодима короткоживущи. Лишь один из них - неодим-141 имеет период полураспада чуть больше 2 месяцев. Время жизни остальных исчисляется в лучшем случае считанными днями.

В отличие от празеодима, соединения неодима окрашены неодинаково. Так, окись неодима Nd₂ O ₃ - голубого цвета, его нитрат, бромид и йодид - сиреневого. Последний, правда, на свету разлагается и буреет - выделяется элементарный йод. Трифторид неодима NdF₃ окрашен в розовый цвет, сульфид Nd₂ S₃ -в зеленый, карбид - в коричнево-золотистый, а гексаборид NdB₆ - в синий.

Наибольшее практическое значение из всех этих соединений приобрела окись неодима. Ее используют в электрических приборах как диэлектрик, отличающийся малым коэффициентом теплового расширения. Входит она и в рецептуры некоторых стекол. Области применения других соединений элемента N60 ограничены стеклом, керамикой и глазурями.

Значительно шире используется сам неодим. Из всех лантаноидов элемент N60 лучше всего влияет на свойства магниевых, алюминиевых и титановых сплавов. В России созданы высокопрочные магниевые сплавы, легированные неодимом и цирконием. Предел длительной прочности при повышенных температурах на много больше, чем у магниевых сплавов, легированных другими элементами. Алюминий, легированный неодимом, химически взаимодействует с ним. Образуются соединения состава NdAl₄ и NdAl₂ . В итоге 5 %-ная добавка неодима вдвое увеличивает предел прочности алюминия (с 5 до 10 кг/мм² ). Во много раз возрастает твердость сплава. Подобным же образом неодим действует и на свойства титана.1,2% добавка неодима увеличивает предел прочности титана с 32 до 48-50 кг/мм² .

ПРОМЕТИЙ.

Прометий - один из 4 искусственных не трансурановых элементов. В природе он образуется в результате радиоактивного распада ядер тяжелых элементов. Обнаружить прометий в земной коре удалось только после того, как он был получен искусственным путем.

Элемент N61 был открыт в 1947 году американскими исследователями Маринским, Гленденином и Кориелом среди продуктов, образующихся в ядерном реакторе.

Сейчас известно 14 изотопов прометия. Все они радиоактивны. Самый долгоживущий из них - прометий-145 с периодом полураспада около 18 лет. Практически наиболее важен прометий-147 (период полураспада 2,64 года), который используют в миниатюрных атомных батареях, способных давать электроэнергию в течение нескольких лет. Такие батарей можно использовать как источник тока на космических кораблях, управляемых снарядах, радиоустройствах, часах и даже слуховых аппаратах.

В прометиевой атомной батарее происходит двукратное преобразование энергии. Сначала излучение прометия заставляет светиться специальный люминесцирующий состав, а световая энергия преобразуется в электрическую в кремниевом фотоэлементе. На одну батарейку используется всего 5 мг окиси прометия-147. Особенность прометия-147 в том, что он не испускает гамма-лучей, а дает лишь мягкое бета-излучение, задерживаемое даже тонким слоем люминисцента и корпусом батареи.

САМАРИЙ.

В середине XIX века на Урале был найден черный блестящий минерал, позднее названный самарскитом. В книге Н.А. Фигуровского "Открытия элементов и происхождение их названий" указано, что этот минерал открыт русским горным инженером В.Е.Самарским.

В 1878 году французский химик Делофонтен работал с самарскитом и выделил из него окись дидима. В спектре дидима, полученного из самарскита, Делафонтен обнаружил две новые голубые линии. Решив, что они принадлежат новому элементу, он сразу же дал этому элементу название: деципий - от латинского decipere, "обманывать, одурачивать". Однако позже было доказано, что деципий являлся смесью самария с другими редкоземельными элементами, прежде всего с неодимом и празеодимом.

Вскоре появились и другие сообщения о необычных спектральных линиях в окиси дидима. Окончательно подтвердил неоднородность этого вещества другой французский химик - Лекок де Буабодран. Он, как и Делафонтен, нашел две новые голубые линии (с длинами волн 400 и 417 Å), но эти линии отличались от линий деципия. В 1879 году Лекок де Буабодран назвал новый элемент самарием.

Через год швейцарский химик Ж. Ш. Мариньяк нашел в самарските еще один новый элемент. Он получил из самарскита две фракции, одна из которых давала точно такой же спектр, как у элемента, открытого Буабодраном. Так было подтверждено открытие самария.

Элементарный самарий был получен в начале ХХ века, но еще несколько десятилетий не находил применения. Сегодня элемент (и его соединения) довольно важен для атомной энергетики: самарию свойственно большое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов - около 6500 барн[2] . Это больше, чем у бора и кадмия - традиционных материалов регулирующих стержней. Керамические материалы, в которые входят окись самария (порошок бледно-кремового цвета), стали использовать в качестве защитных материалов в реакторостроении.

В последние годы особое внимание ученых и практиков привлекло интерметаллическое соединение самария с кобальтом SmCo₅ , применяемое для изготовления сильных постоянных магнитов.

Дииодид самария – сильный восстановитель, растворяющийся в органических растворителях и ведущий себя в условиях органического синтеза как донор электронов и поэтому способен промотировать реакции, протекающие путем переноса электрона (рис. 3.1).

Механизм органических реакций с участием SmI2 (общий вид)

Рис 3.1