Lanthanum

Лантан, атомный номер 57, символ La — это серебристо-белый металл, мягкий и ковкий. На воздухе он медленно тускнеет. Будучи первым элементом в ряду лантаноидов, он служит прототипом для этой группы из 15 схожих элементов и традиционно классифицируется как редкоземельный элемент. Его наиболее распространённая степень окисления — +3, хотя существуют и некоторые соединения со степенью +2. Лантан не играет биологической роли у человека, но некоторые бактерии его используют; для людей он не очень токсичен, однако проявляет некоторую антимикробную активность. Этот элемент обычно встречается вместе с церием и другими редкоземельными элементами. Шведский химик Карл Густав Мосандер впервые идентифицировал лантан в 1839 году как примесь в нитрате церия, назвав его от древнегреческого lanthanein, что означает «скрываться». Несмотря на классификацию как редкоземельный, лантан является 28-м по распространённости элементом в земной коре — почти в три раза более распространён, чем свинец. В таких минералах, как монацит и бастнезит, он составляет около четверти содержания лантаноидов. Его извлечение из этих минералов включает настолько сложный процесс, что чистый металлический лантан был выделен только в 1923 году. Соединения лантана служат многим целям: в качестве катализаторов, добавок в стекло, угольных дуговых ламп для студийного света и проекторов, элементов розжига в зажигалках и горелках, электронных катодов, сцинтилляторов и электродов для дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Карбонат лантана используется как фосфат-связывающее средство для лечения высокого уровня фосфатов в крови, связанного с почечной недостаточностью. В периодической таблице лантан находится справа от бария и слева от церия и обычно считается первым f-блочным элементом. Его 57 электронов расположены как [Xe]5d¹6s², с тремя валентными электронами вне благородногазового остова. В химических реакциях он почти всегда отдает эти три электрона, образуя степень окисления +3, достигая стабильной конфигурации ксенона. Некоторые соединения со степенью +2 существуют, но обычно гораздо менее стабильны. Монооксид лантана (LaO) дает сильные полосы поглощения в спектрах некоторых звезд. Среди лантаноидов лантан необычен тем, что его отдельный атом в газовой фазе не имеет 4f-электронов. (Аналогично, актиний и торий не имеют 5f-электронов в виде атомов в газовой фазе.) В результате он лишь слабо парамагнитен, в отличие от сильно парамагнитных более поздних лантаноидов (кроме иттербия и лютеция, у которых 4f-оболочки заполнены). Однако в химической среде 4f-оболочка лантана может частично заполняться и участвовать в связывании. Например, температуры плавления трехвалентных лантаноидов (исключая европий и иттербий) связаны с тем, насколько гибридизируются 6s-, 5d- и 4f-электроны — большее участие 4f понижает температуру плавления. Лантан имеет вторую самую низкую температуру плавления среди них — 920 °C. (Европий и иттербий плавятся ещё ниже, поскольку они делокализуют около двух электронов на атом вместо трёх.) Эта химическая доступность f-орбиталей оправдывает помещение лантана в f-блок, несмотря на его аномальную конфигурацию основного состояния (которая возникает из-за сильного межэлектронного отталкивания, делающего менее выгодным занятие малой, близкой к остову 4f-оболочки). По мере продвижения по ряду лантаноидов металлы становятся твёрже; лантан, как и ожидается, мягок. Он имеет высокое удельное электрическое сопротивление 615 нОм·м при комнатной температуре по сравнению с 26,50 нОм·м у алюминия. Лантан является наименее летучим из лантаноидов. При комнатной температуре он имеет гексагональную кристаллическую структуру (α-La). При 310 °C он переходит в гранецентрированную кубическую (β-La), а при 865 °C — в объёмно-центрированную кубическую (γ-La). Следуя периодическим тенденциям, лантан имеет самый большой атомный радиус среди лантаноидов, что делает его наиболее реакционноспособным. Он довольно быстро тускнеет на воздухе, полностью темнея через несколько часов, и может легко сгорать с образованием оксида лантана(III) (La₂O₃), который почти так же основен, как оксид кальция. Образец размером в сантиметр полностью корродирует за год, потому что его оксид отслаивается, как ржавчина железа, а не образует защитное покрытие, как у алюминия, скандия, иттрия или лютеция. При комнатной температуре лантан реагирует с галогенами с образованием тригалогенидов, а при нагревании образует бинарные соединения с азотом, углеродом, серой, фосфором, бором, селеном, кремнием и мышьяком. Он медленно реагирует с водой с образованием гидроксида лантана(III) (La(OH)₃). В разбавленной серной кислоте он легко образует бесцветный акватированный трёхзарядный ион [La(H₂O)₉]³⁺, не имеющий d- или f-электронов. Лантан является самым сильным и твёрдым основанием среди редкоземельных элементов, что ожидаемо из-за его большого размера. Некоторые соединения лантана(II) существуют, но гораздо менее стабильны. Поэтому при официальном наименовании соединений лантана всегда необходимо указывать его степень окисления. Природный лантан состоит из двух изотопов: стабильного ¹³⁹La и первичного долгоживущего радиоизотопа ¹³⁸La. ¹³⁹La является overwhelmingly abundant, составляя 99,911% природного лантана; он образуется в s-процессе (медленный захват нейтронов).