镧(Lanthanum),是元素周期表第六周期的镧系元素。元素符号La,原子序数57,相对原子质量138.9055。较软的银白色金属,有六方的a相和立方的β相。相对密度为6.145(a),6.17(β),熔点921℃,沸点3464℃。电阻率57x10-8Ω·m(25℃)。镧是活泼金属,在空气中失去光泽,表面生成白色氧化镧。在空气中加热能燃烧,生成
氧化物和
氮化物;在氢气中加热生成
氢化物;与水反应放出氢气,易溶于酸。主要氧化态为+3。重要化合物有
氧化镧、
氢氧化镧、
硫氧化镧、卤氧化镧和卤化镧等。
研究简史
1839年,瑞典化学家
莫桑德尔从不纯的
硝酸铈中意外提取到一种新的稀土氧化物,并将其命名为氧化镧,从而发现了镧这种新元素。
1923年,相对纯净的金属镧被提纯出来。
理化性质
物理性质
金属镧是一种银白色的金属,质较软易切割。新鲜截面呈银灰色,在空气中易被氧化。有三种晶型,α型,六方晶系,β型,面心立方堆积,350℃稳定存在,密度=6.19g/cm3;γ型,>868℃稳定存在,密度=5.98g/cm3。避免与酸、氧化物、卤素、硫磺接触。遇热、明火、氧化剂等物质接触有引起燃烧危险。一般封存于固体石蜡或浸于煤油中易受无机酸的侵蚀。
化学性质
镧属于f区元素,但外围电子排布为[Xe]5d16s2,并没有填充f轨道。这是因为f轨道的能量和空间伸展范围当核电荷增加超过57时都会突然地减小。举例来说,一个4f电子与核的结合能从La的-0.95eV降至Nd的-5eV。于是La原子的f轨道仍然空着,并采取了5d16s2的基态构型,到60Nd时4f轨道的能量已低于5d,因而采取了4f46s2的基态构型。正是由于原子序数超过57时
有效核电荷迅速增加,使4f轨道的能量降低并允许占据这些轨道,才形成了La后的14个镧系元素。金属镧的化学性质活泼,易溶于稀酸。在空气中易氧化,新鲜的表面遇空气迅速变暗;加热能燃烧,生成氧化物和氮化物。在氢气中加热生成氢化物,在热水中反应强烈并放出氢气。镧存在于独居石砂和氟碳铈镧矿中。镧可直接与碳、氮、硼、
硒、硅、磷、硫、卤素等反应;镧的化合物呈
反磁性。高纯氧化镧可用于制造精密透镜;
镧镍合金可做储氢材料,
六硼化镧广泛用作大功率电子发射阴极。
金属镧在空气中会慢慢失去光泽。镧可以在空气中迅速燃烧,生成
氧化镧(Ⅲ)(La2O3)。
银白色的金属镧的电负性相当低,能与冷水发生反应,并与热水迅速反应,生成
氢氧化镧和氢气。
金属镧可以与所有的卤素单质发生反应,生成三卤化物。金属镧可与氟气(F2)、氯气(Cl2)、溴单质(Br2)、碘单质(I2)反应生成氟化镧(Ⅲ)(LaF3)、氯化镧(Ⅲ)(LaCl3)、溴化镧(Ⅲ)(LaBr3)和碘化镧(Ⅲ)(LaI3)。
金属镧可以迅速溶于硫酸中,生成含有水合La(Ⅲ)离子的溶液和
氢气(H2)。La3+(aq)极有可能是以配离子La(H2O)93+的形式存在的。
镧离子与其他稀土一样会发生水解。稀土离子的水解反应与稀土浓度有很大的关系,La水解时,当La3+从0.1→→1.0mol/L,除水解出La(OH)+外,还会进一步发生复杂的水解反应生成La2(OH)5+、La5(OH)96+和La6(OH)108+。
制备方法
把镧同其他元素分离,并得到纯净的金属镧比较困难,这在很大程度上取决于它在自然界的存在形式。在自然界中有多种稀土矿,其中以
磷钇矿、
独居石和
氟碳铈矿最为重要;前两种矿物都是正磷酸盐矿LnPO4(Ln表示除非常稀少的钷以外所有镧系元素组成的集合),而氟碳铈矿则是由氟化物和碳酸盐形式的复盐矿LnCO3F。原子序数为偶数的镧系元素比较常见。上述矿物中最常见的镧系元素主要依次为
铈、镧、
钕和
镨。独居石中还含有锕系元素钍和过渡金属钇。钍及其衰变产物有放射性,这使其变得更加难以处理。
在很多时候并不需要把各种金属都分离开,但是如果需要那么做,其过程会非常复杂。分离时用硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)把稀土金属以盐的形式浸取出来。分离纯化这些盐时,常用的方法包括选择性配位技术、萃取技术和离子交换树脂。
用金属钙还原LaF3,可以得到纯净的镧。
该反应也可以用其他卤化镧,但在所选用的反应条件下(在氩气中加热至高于金属熔点50℃),生成的氟化钙会比其他卤化钙更易于处理。可在真空条件下把过量的钙从混合反应物中除去。也可以由水合氯化镧经脱水后,用金属钙还原,或由无水氯化镧经熔融后电解而制得。
应用领域
含镧的稀土化合物被广泛应用于碳照明中,特别是在电影行业中,常用于演播室照明和投影,增加了照明亮度并给出了类似于日光的发射光谱。
多年来,人们已将铅添加到玻璃中以增加玻璃的折射率,从而产生超亮的晶体效果。随着折射率的升高,光在材料中传播的速度变慢,并且从空气进入玻璃时,光的弯曲程度也会增加。镧在提高折射率且不会过多分散光的方面要比铅好得多,现已被广泛用于
相机和
望远镜的镜头中。此外,三氧化二镧(La2O3)还改善了玻璃的耐碱性,从而可用于制造特殊光学玻璃。
六硼化镧可作为大功率电子仪器的阴极材料;也可以加入玻璃或塑料中,来阻挡大部分的红外线。La3+可以作Ca2+的生物示踪剂,放射性镧已被测试用于治疗
癌症。少量镧作为添加剂可用于生产
球墨铸铁。钢中添加少量镧可改善其延展性和抗冲击性。镧盐还可用作炼油催化剂。
分布情况
镧主要存在于
独居石砂和
氟碳铈矿中,独居石砂中含有所有稀土元素,还含有
钙和
钍,通常以磷酸盐形式存在。
计算化学数据
数据:
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:0
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:1
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:1
安全措施
环境危害
金属镧的粉末有引起火灾和爆炸的危险。
健康危害
虽然早先的证据表明,镧的毒性似乎有限,但是镧的所有化合物都有剧毒,镧盐会损害肝脏。
储存运输
储存方法
加入密封的储藏器内,储存在阴凉、干燥的地方。确保工作间有良好的通风设施。远离火源、水源,避免与湿气接触。切勿与氧化物,酸性物质保存在一起。必须保存于石蜡或矿物油中。
运输方法
运输车辆应配备相应型号、数量的消防器材和泄漏应急处理设备。严禁携带氧化剂和食用化学品运输。货车的排气管需要配备阻燃剂。罐车运输时,应安装地面链条。为了减少振动产生的静电,可在罐内安装孔式隔膜。禁止装卸易产生火花的机械设备和工具。夏季要在早晚运输。在运输过程中,应防止日晒、雨淋和高温。中途停留时应远离火源、热源和高温区域。
相关法规
2024年6月,公布《稀土管理条例》,自2024年10月1日起施行。