Lantánidos Introducción La serie de lantánidos es el grupo de elementos químicos que siguen al lantano en el grupo IIIB de la tabla periódica. Su distinción atómica es que ocupan en subnivel electrónico 4f. En un principio, sólo estos elementos con nmeros atómicos !" a #$ son lantánidos. Ellos son los siguientes% Cerio (Ce58)
Europio (Eu 63)
Erbio Er 68)
Praseodimio (Pr 59)
Gadolinio (Gd 64)
Tulio (Tm 69)
Neodimio (Nd 60)
Terbio (Tb 65)
Iterbio (b !0)
Prometio (Pm 6")
#isprosio (#$ 66)
%ute&io (%u !")
'amario ('m 6)
olmio (6! o)
&uc'os químicos inclu(en al lantano )La !#* en la serie, (a que tiene propiedades similares a los lantánidos, pero no completa el subnivel 4f. Grupo
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*Lantánidos
AA
**Actínidos
Los elementos del grupo IIIB, inclu(endo al escandio )Sc +$* ( al Itrio ) -*, son tambi/n conocidos como tierras raras, porque fueron originalmente descubiertas 0untas en minerales raros e insolados como ó1idos, o 2tierras2. En comparación con muc'os otros elementos, las tierras raras no son realmente 2raras2, a e1cepción del prometio, que sólo tiene isótopos radioactivos. Los lantánidos se encuentran en muc'os minerales, principalmente en la &356I75. En rocas ígneas sobre la superficie de la tierra, el cerio es el elemento más abundante de ellos. Los lantánidos puros son metales plateados con altos puntos de ebullición. 8eaccionan
lentamente con el aire, e1cepto el Samario, el Europio, ( el Iterbio, que son muc'o mas reactivos con el o1ígeno. Los metales son preparados de floruros u ó1idos por un tratamiento con un fuerte reductor de metales, como el :alcio, o de sales cloruras ( floruras por electrólisis a altas temperaturas. Los lantánidos son típicamente insolados en grupo precipitando sus 'idró1idos insolubles, o1alatos o fosfatos. Luego, ellos son separados por un intercambio de iones F:83&573?85;G5. En un tiempo, el nico uso comercial de las tierras raras era como meHcla de metal, uno de ellos consistía principalmente de cerio, lantano, ( neodimio. Este es pirofosfórico )atrapan fuego en aire* cuando finalmente se dividió ( es usado para 'acer encendedores. La producción comercial de estas tierras raras 'o( está creciendo. Ellos son usadas en metalurgia )para remover el aHufre ( el o1ígeno* ( para ser fuertes magnetos permanentes como es el Sm:o )s*. 3tros usos son como fósforos en las pantallas de televisión como cataliHadores que descomponen los aires autocontaminantes.
Generalidades: Los lantánidos )o lantanoides, como a veces se les llama*, estrictamente 'ablando, son los catorce elementos que siguen al lantano en la tabla periódica, ( en la cual, los catorce electrones 4f se aJaden sucesivamente a la configuración del lantano. :omo estos electrones 4f intervienen relativamente poco en los enlaces, resulta que estos elementos altamente electropositivos tienen el ion 3! como su estado de o1idación principal. El radio de este ión disminu(e con el aumento de " a partir del lantano, esto constitu(e la denominada “Contracción Lantánida”.
Esta contracción tiene la misma causa que las contracciones menos espectaculares que tienen lugar en la serie de transición en el bloque d# o sea, el poco efecto pantalla de un electrón 'acia otro en la misma subcapa. 5 medida que se avanHa del Lantano al Lutecio, la carga nuclear ( el nmero de electrones 4f se incrementa en uno en cada etapa. El efecto de pantalla de un electrón 4f por otro es mu( poco efectivo, debido a la forma de los orbitales f, de tal manera que a cada aumento, la carga nuclear efectiva e1perimentada por cada electrón 4f aumenta, por lo que se produce una reducción de tamaJo en toda la capa 4f n. La acumulación de estas contracciones sucesivas constitu(e la contracción Lantánida. Propiedades Magnéticas y espectrales: >arios de los aspectos del comportamiento magn/tico ( espectral de los lantánidos difieren fundamentalmente de los del bloque d correspondiente a los elementos de transición. La raHón básica de estas diferencias reside en que los electrones que son responsables de las propiedades de los iones lantánidos son electrones 4f, ( que los orbitales 4f están protegidos mu( efectivamente de la influencia de fuerHas e1ternas en las capas e1ternas !s + ( !pM . Es por ello que los estados que se originan desde las diversas configuraciones 4f n sólo son ligeramente afectados por el medio que rodea a los iones ( permanecen prácticamente invariables para determinado ión en todos sus compuestos. Las constantes de acoplamiento de spin Fórbita son bastante grandes. Esto tiene por consecuencia que, salvo unas cuantas e1cepciones, los iones lantánidos posean estados fundamentales con un sólo ( bien definido valor del momento angular total
J,
con el
siguiente estado inferior de N, ( con energías muc'as veces ma(ores que el valor de =7, ( por consiguiente el estado superior está virtualmente no poblado. Los colores ( estados electrónicos fundamentales de los iones -O se dan en la tabla que se encuentra a continuación la consecuencia de los colores en la serie del lantano al ?adolinio se repiten accidentalmente en la serie del Lutecio al ?adolinio. :omo 'a quedado implícito en las e1plicaciones anteriores, los colores se deben a transiciones
f-f
virtualmente independientes del entorno e1terior de iones.
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Estado
Color
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fundamental
Estado fundamental
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Dna importante característica del comportamiento espectroscopio, es la fluorescencia o luminiscencia de ciertos iones lantánidos, en especial los de europio, cuando se usan como activadores en las redes cristalinas de los ó1idos lantánidos, silicatos u ó1idos de los metales de transición. El isótopo
Eu proporciona espectros de &Pssbauer. Cebido a /stas ( otras características
$!$
tales como largo tiempo de rela0ación del ?adolinio ( del Europio en la resonancia del spin electrón, ( a las propiedades fluorescentes de los iones lantánidos, se pueden usar como sondas por sistemas biológicas. Estado natural y separación: Los elementos lantánidos se conocían originalmente como las tierras raras debido a su presencia en las meHclas de o1idos. o son elementos raros ( su abundancia absoluta en la litosfera es relativamente alta. 5un el mas escaso, el 7ulio, es tan comn como el Bismuto ( mas ordinario que el 5s, Se, 9g ( :d, a los que en general no se los considera como raros. E1isten depósitos cuantiosos en Escandinavia, India, 8usia ( EE.DD. los muc'os depósitos de menor tamaJo están distribuidos en muc'os otros lugares. Cic'os depósitos están constituidos por muc'os minerales, siendo la $onacita , uno de los mas importantes ( se presenta casi siempre como una arena pesada ( oscura de composición variable. La monaHita es en esencia un ortofosfato de lantánidos, pero se encuentran cantidades significativas de 7', arriba de un -QR en la ma(oría de las arenas de monaHita. La distribución individual de los lantánidos en
los minerales es tal, que general el La, :e,
Prometio en
fragmento resultante de la fisión espontánea
+-"
D .
pueden separar cantidades en miligramos de sales del fisión de los reactores donde se forma el
los minerales de Dranio como un
$4#
$4#
Los lantánidos se separan de la ma(oría de los otros elementos por precipitación de o1alatos o fluoruros de soluciones ácido nítrico. Los elementos se separan entre si por intercambio de iones, el cual para fines comerciales se efecta en gran escala.
Los elementos Cerio
:alor de vaporiHación )=calU&ol*% ! :alor de fusión )=calU&ol*% $.+ >alencias% O-, O4, F$, F-, F4 V1idos% :e+3- )ceroso*, :e3+ )cerico*, :e3- )peró1ido* 9idratos% :e3-9- )ceroso*, :e3494 )cerico* >alencias% :onviene notar que el 7i ( el :e que pertenecen a las primeras semiseries positivas del -T ( 4T periodo, presentan valencia variable, mientras que el 6r ( 7' pertenecen a la segunda semiserie tienen valencia fi0a. &etal% El :e tiene un color gris de acero brillante es dctil, maleable ( blando casi como el
:e+)S34*- O -9+3 O 3
:uando al acido clor'ídrico o nítrico se le aJaden un reductor )agua o1igenada, (oduro de potasio, sulfato ferroso, etc.*, el o1ido c/rico, calcinado se disuelve al igual que en el acido (od'ídrico.
49I O :e3+
:eI+ O I O +9 +3
Los nicos compuestos binarios con valencia O4 que se conocen son el o1ido, el o1ido 'idratado, :e3+ F9+3, ( el fluoruro. Praseodimio El praseodimio es un metal amarillento que se empaJa fácilmente, soluble en ácidos diluidos. En la naturaleHa solo e1iste un isótopo de este elemento, de nmero másico $4$ e1isten además $4 radioisótopos, de nmeros másicos entre $-4 ( $4". Se emplea su o1ido en la fabricación de arcos de incandescencia de carbón, utiliHados en focos ( pro(ectores. Sus sales se emplean en como colorantes de vidrios ( esmaltes, tambi/n se usa en la fabricación de piedras para encendedores. %onstantes físicas & 'uí$icas de( praseodi$io
&asa atómica )uma*% $4Q.Q## :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f -!s+!pM
Neodimio %onstantes físicas & 'uí$icas de( neodi$io
&asa atómica )uma*% $44.+4 :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f $4!s+!pMMs+
El neodimio es un metal amarillento, blando ( moldeable, soluble en ácidos diluidos. Es irritante para los o0os ( abrasivo para la piel. Se obtiene a partir de sus minerales monacita, bastanita ( alanita, que son craqueados por calentamiento con ácido sulfrico. Se utiliHa en la fabricación de vidrios coloreados para lentes astronómicas ( láseres ( en investigación metalrgica. Promecio %onstantes físicas & 'uí$icas de( pro$ecio
&asa atómica )uma*% $4! :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f !!s+!pMMs+
El promecio es un metal radioactivo, perteneciente al grupo de los lantanos, de color blanco arg/nteo. Es prácticamente ine1istente en la naturaleHa debido a la inestabilidad de todos sus isótopos. En la actualidad se conocen $4 de ellos, de nmeros másicos comprendidos entre $4$ ( $!4. El mas estable es el
$4! M!
la fusión del uranio agotado tambi/n se obtiene por reducción del cloruro o fluoruro con un metal alcalino. Se emplea en generadores nucleares como fuente de ra(os @ ( como medidor de espesor. Samario %onstantes físicas & 'uí$icas de( sa$ario
&asa atómica )uma*% $!Q.4 :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f M!s+!pMMs+
Europio El europio es un metal de color gris acerado, bastante blando ( maleable. Se o1ida rápidamente en el aire ( es el mas reactivo de los elementos de las tierras raras o elementos de transición interna en forma de polvo puede arder espontáneamente. Se obtiene por reducción del o1ido con lantano. Se emplea como absorbente de neutrones en control nuclear como activador del itrio para dar el color ro0o en las pantallas de 7> como agente contaminador de láseres plásticos ( en gomas de sellos de correos para permitir su identificación electrónica. %onstantes físicas & 'uí$icas de( europio
&asa atómica )uma*% $!$.M :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f #!s+!pMMs+
Gadolinio El gadolinio es un metal brillante que reacciona lentamente con el agua. Soluble en ácidos diluidos e insoluble en agua.
&asa atómica )uma*% $!#.+:onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q!s+!pM
Terio Es un elemento de brillo metálico, reacciona con el agua ( es soluble en ácidos diluidos. se separa de los ó1idos de itrio ( erbio mediante resinas cambiadoras de iones, ( una veH obtenido el fluoruro, por reducción con calcio se obtiene el metal. Se emplea como activador de fósforos, en ra(os láser ( como contaminante de dispositivos semiconductores. %onstantes físicas & 'uí$icas de( terio
&asa atómica )uma*% $!".+!4 :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f "!s+!pM!d$Ms+
Censidad )gUcm-*% ".--+ Electronegatividad )
!isprosio El disprosio es un metal que se encuentra en la naturaleHa acompaJando a los demás lantánidos, entre los que ocupa el s/ptimo lugar en abundancia. 8eacciona lentamente con el agua, se disuelve fácilmente con ácidos diluidos ( concentrados. Se obtiene por reducción del fluoruro con calcio. ;orma un o1ido con el estado de o1idación O4, C(3 4, que solo es estable en estado sólido cristalino.
&asa atómica )uma*% $M+.! :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q!s+!pM
"olmio El 'olmio es un sólido brillante, soluble en ácidos diluidos. Se obtiene por reducción del fluoruro de calcio metálico. Se emplea en investigación, electroquímica ( espectroscopia. %onstantes físicas & 'uí$icas de( +o($io
&asa atómica )uma*% $M4.:onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f $$!s+!pMMs+
Erio El erbio es un sólido blanco, maleable de brillo metálico, soluble en ácidos e insoluble en agua.
&asa atómica )uma*% $M#.+M :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f $+!s+!pMMs+
Tulio El tulio es un sólido de brillo metálico soluble en ácidos diluidos que reacciona lentamente con el agua. El elemento natural consta de un solo isótopo, de numero másico $M por bombardeo de neutrones lentos en un reactor nuclear se consiguen dos isótopos radiactivos,
de nmeros másicos $#Q ( $#$. Se obtiene por reducción del fluoruro con calcio, el isótopo $#Q se utiliHa como fuente de ra(os @. %onstantes físicas & 'uí$icas de( ,u(io
&asa atómica )uma*% $M".-4+ :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f $-!s+!pMMs+
Iterio Es un metal completamente maleable, soluble en ácidos diluidos ( en amoniaco liquido. 7iene siete isótopos naturales, algunos de ellos radiactivos. Se obtiene e1tra(/ndolo de meHclas de tierras raras. se emplea en ra(os láser, como fuente de irradiación en equipos portátiles de ra(os @ ( en investigación química. %onstantes físicas & 'uí$icas de( -terio
&asa atómica )uma*%$#-.Q4 :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f $4!s+!pMMs+
Lutecio El lutecio es un metal blando ( dctil, soluble en ácidos diluidos ( que reacciona lentamente con el agua. Se allá en mu( pequeJas cantidades en los minerales donde se encuentran las otras tierras raras su mena mas importante es la monacita. Se conocen dos isótopos estables, el $#! ( el $#M, ( $# radiactivos, de masas comprendidas entre $M# ( $"Q. So obtiene por reducción del fluoruro con calcio. Se emplea en tecnología nuclear. %onstantes físicas & 'uí$icas de( (utecio
&asa atómica )uma*% $#4.# :onfiguración electrónica% $s ++s++pM-s+-pM-d$Q4s+4pM4d$Q4f $4!s+!pMMs+
