Лантан
Общие сведения
Лантан представляет собой химический элемент с атомным номером 57, открывающий в периодической системе группу лантаноидов. Элементы данной группы относятся к редкоземельным и обладают схожими химическими и физическими свойствами. Название элемента происходит от древнегреческого слова, означающего скрываться, что связано с историей его открытия. Процесс выделения лантана занял 36 лет из-за трудностей его отделения от сопутствующих элементов. В 1803 году Йенс Якоб Берцелиус при исследовании минерала церита обнаружил цериевую землю. В 1826 году Карл Густав Мосандер доказал присутствие в ней неизвестного ранее элемента, а в 1839 году ему удалось выделить сам лантан. Химическая наука девятнадцатого века длительное время не могла эффективно разделять лантан, церий и иттрий по причине их совместного нахождения в рудах и близких характеристик. В природе существует слаборадиоактивный изотоп лантана с массовым числом 138, обладающий очень большим периодом полураспада. Искусственно синтезированные радиоактивные изотопы отличаются неустойчивостью. Металлическая пыль лантана обладает токсичностью, ее вдыхание на производствах вызывает раздражение верхних дыхательных путей и может приводить к развитию пневмокониоза, воспалительного заболевания легких, протекающего по типу поражения угольной пылью.
Свойства и характеристики
В чистом виде лантан является мягким, ковким и пластичным блестящим металлом серебристо-белого цвета. Элемент проявляет слабопарамагнитные свойства и способен образовывать сплавы с цинком, магнием, кальцием, галлием, оловом, ртутью и железом. На воздухе металл постепенно окисляется с образованием оксида, который затем реагирует с углекислым газом, превращаясь в основный карбонат. При нагревании до 450 градусов Цельсия металл активно горит в кислороде, образуя оксид лантана. Взаимодействие с холодной водой протекает медленно, в то время как при нагревании реакция значительно ускоряется с образованием гидроксида лантана. Элемент вступает в реакцию с галогенами, образуя фториды, хлориды, бромиды и иодиды. Растворение в минеральных кислотах приводит к образованию ионов лантана, выделению водорода и формированию комплексных ионов в водной среде. Описано большое количество неорганических соединений элемента, включая карбиды, карбонаты, нитраты, оксалаты, оксифториды, силициды, сульфиды, фосфаты и фосфиды. Также известны органические соединения, среди которых выделяются ацетилацетонат и бензоилацетонат лантана.
Нахождение в природе
Лантан относится к редкоземельным элементам и в естественных условиях чаще всего встречается совместно с церием и неодимом. Основными промышленными минералами, служащими сырьем для добычи элемента, выступают монацит, бастнезит, апатит и лопарит. Бастнезит представляет собой фторкарбонат, содержащий также церий и иттрий, при этом доля лантана в нем может достигать половины от общей массы, что делает его одним из наиболее богатых источников данного металла. Гадолинит также содержит комплекс редкоземельных элементов, включая лантан, церий и иттрий. Монацит является фосфатом природной смеси лантаноидов, которые ввиду химической близости часто образуют сложные соединения, реагирующие одинаково. Кроме того, элемент присутствует в ортите, представляющем собой силикат смеси лантаноидов, в состав которого могут дополнительно входить алюминий и железо.
Получение
Процесс извлечения лантана из природных источников включает несколько технологических стадий. Первоначально элемент концентрируют в составе смеси с церием, празеодимом и неодимом. Из полученного комплекса редкоземельных элементов на начальном этапе отделяют церий. Окончательное выделение лантана осуществляется методом экстракции. Ввиду исключительной сложности разделения смесей лантаноидов металл высокой чистоты получают редко, что обуславливает его высокую стоимость. В промышленных масштабах чаще производят не чистый металл, а его сплавы.
Применение
Спектр применения редкоземельных элементов в промышленности постоянно расширяется. Исторически первым направлением практического использования лантана стало производство газокалильных сеток в 1885 году. В современной технике оксид и борид лантана используются в электронно-вакуумных лампах для создания горячего катода. Из-за высокой стоимости вместо чистого металла активно применяется мишметалл, представляющий собой сплав, содержащий от 20 до 45 процентов лантана совместно с железом и другими компонентами. Металл вводится в состав жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов, применяемых в автомобилестроении. Сплавы лантана служат анодным материалом в никель-металлогидридных аккумуляторах. Способность металла эффективно поглощать водород обуславливает его применение в разработке систем хранения для водородной энергетики. Жидкий лантан применяется в ядерных технологиях для извлечения плутония из урана. Соли элемента используются в угольных дуговых лампах, а соединения вроде фторида, оксисульфида и алюмината служат основой для люминофоров. Оксид лантана вводится в состав специализированных стекол и высокотемпературной керамики, а в смеси с вольфрамом используется при дуговой сварке. Хлорид и бромид находят применение в сцинтилляторах. В экологических целях лантан совместно с бентонитовой глиной применяется для связывания фосфатов в воде, что предотвращает избыточное размножение водорослей, однако высокая цена ограничивает этот метод локальными объектами. Карбонат лантана применяется в медицине в качестве лекарственного препарата при гиперфосфатемии. В ряде стран соединения элемента экспериментально используются в качестве микроудобрений, несмотря на неоднозначность их воздействия на различные культуры. Проводятся также исследования по внедрению лантана в нейробиологию, психиатрию и молекулярную биологию.