Lantánidos – Definición, Configuración, Propiedades

Los lantánidos son elementos de tierras raras de la tabla periódica contemporánea, con números atómicos que van del 58 al 71 después del lantano. Los metales de tierras raras se denominan así porque estos elementos son extremadamente raros (3 × 10 ^-4 % de la corteza terrestre). Como ortofosfatos de lantánidos, son accesibles en arena de ‘monazita’. 

Victor Goldschmidt, un mineralogista noruego, acuñó el nombre de lantánidos en 1925. La familia de los lantánidos se compone de quince elementos metálicos (desde el lantano hasta el lutecio), todos los cuales son elementos del bloque f excepto uno. 

Los electrones de valencia de estos elementos se encuentran en el orbital 4f. El lantano, por otro lado, es un elemento de bloque d con una configuración electrónica [Xe] 5d ¹ 6s ^{2 .}

Los lantánidos son elementos extremadamente densos, con densidades que varían entre 6,1 y 9,8 gramos por centímetro cúbico. Estos elementos, como otros metales, tienen puntos de fusión extremadamente altos (que varían de 800 a 1600 grados Celsius) y puntos de ebullición extremadamente altos (que van desde aproximadamente 1200 a 3500 grados Celsius). Se sabe que los lantánidos generan cationes Ln ^{3+ .} Los lantánidos son metales extremadamente densos con valores de fusión incluso más altos que los de los elementos del bloque d. Se combinan con otros metales para hacer aleaciones. Estos son los elementos del bloque f, a menudo conocidos como metales de transición internos. Los elementos/iones de transición internos pueden tener electrones en los orbitales s, d y f.

Configuración electrónica

Los lantánidos del primer bloque f tienen una configuración electrónica terminal de [Xe] 4f ^1-14 5d ^0-1 6s ² . El prometio (Pm), con número atómico 61, es el único elemento radiactivo sintético entre los catorce lantánidos. Debido a que las energías de los electrones 4f y 5d son tan similares, el orbital 5d permanece desocupado y los electrones ingresan al orbital 4f.

Excepciones: gadolinio, Gd (Z = 64), donde el electrón ingresa al orbital 5d debido a la existencia de un orbital d medio lleno, y lutecio (Z = 71), donde el electrón ingresa al orbital 5d debido a la presencia de un orbital d medio lleno.

Propiedades físicas

1. Debido a que la densidad es la relación entre la masa de una sustancia y su volumen, la densidad de los elementos del bloque d será mayor que la de los elementos del bloque s.
2. Entre las series de transición interna, la tendencia de la densidad será la inversa de los radios atómicos, es decir, la densidad crecerá a medida que aumente el número atómico durante el período. Tienen una alta densidad que oscila entre 6,77 y 9,74 g cm ^-3 . Aumenta a medida que aumenta el número atómico.
3. Los lantánidos tienen un punto de fusión relativamente alto, pero no hay un patrón perceptible en sus puntos de fusión y ebullición.
4. Propiedades magnéticas: los materiales se clasifican como diamagnéticos si son repelidos por un campo magnético y paramagnéticos si son atraídos por uno. Debido a los electrones desapareados en los orbitales, los átomos/iones de lantánidos distintos de f0 y f14 son de naturaleza paramagnética. Como resultado, Lu ³⁺ , Yb ²⁺ y Ce ⁴⁺ son diamagnéticos.

Propiedades de la serie de lantánidos

1. Si incluimos las series de los lantánidos y actínidos en la tabla periódica, la tabla será excesivamente grande. Estas dos series se encuentran en la parte inferior de la tabla periódica y se conocen como la serie 4f (serie Lanthanods) y la serie 5f (serie Actanoids). Las series 4f y 5f se denominan elementos de transición interna.
2. En términos de propiedades químicas y físicas, todos los elementos de la serie son bastante similares al lantano y entre sí.
3. Tienen un brillo lustroso y un aspecto plateado.
4. Debido a que son metales delicados, incluso se pueden cortar con un cuchillo.
5. Dependiendo de su basicidad, los elementos tienen diferentes tendencias de respuesta. Algunas personas reaccionan rápidamente, mientras que otras se toman su tiempo.
6. Si los lantánidos están contaminados con otros metales o no metales, pueden corroerse o volverse quebradizos.
7. Todos se combinan principalmente para generar un compuesto trivalente. También pueden combinarse para generar compuestos divalentes o tetravalentes.
8. Tienen un tirón magnético.

Contracción de lantánidos

Debido al aumento de la carga nuclear y los electrones que ingresan a los orbitales f internos (n-2), el tamaño atómico o el radio iónico de los iones lantánidos tripositivos disminuye constantemente de La a Lu. La contracción de los lantánidos se refiere a la disminución constante de tamaño con el aumento del número atómico. Sus ramificaciones son las siguientes:

1. Tamaño atómico: el tamaño de un átomo en la tercera serie de transición es aproximadamente idéntico al de un átomo en la segunda serie de transición. Por ejemplo, el radio de Zr es igual al radio de Hf, y el radio de Nb es igual al radio de Ta, y así sucesivamente.
2. Dificultad para separar los lantánidos: debido a que los radios iónicos de los lantánidos difieren solo ligeramente, sus características químicas son comparables. Esto hace que la separación de elementos en estado puro sea un desafío.
3. El efecto del tamaño de los lantánidos en la fuerza básica del hidrrust: A medida que el tamaño de los lantánidos disminuye de La a Lu, el carácter covalente de los hidrrusts aumenta y, por lo tanto, su fuerza básica disminuye. Como resultado, La(OH) ₃ es más básico, mientras que Lu(OH) ₃ es el menos básico.
4. Formación compleja: la tendencia a desarrollar coordenadas debido al tamaño más pequeño pero al aumento de la carga nuclear. La complejidad se eleva de La ³⁺ a Lu ³⁺ .
5. De La a Lu aumenta la electronegatividad.
6. Energía de ionización: debido a que la carga nuclear atrae electrones con mucha más fuerza, la energía de ionización de los elementos 5d es mucho mayor que la de los elementos 4d y 3d. Excepto Pt y Au, todos los elementos de la serie 5d tienen un caparazón s relleno. Los elementos que van desde el hafnio hasta el renio tienen la misma energía de ionización, y después la energía de ionización aumenta con el número de electrones d compartidos, siendo el iridio y el oro los que tienen la energía de ionización más alta.
7. Formación de complejos: los lantánidos con más de 3 estados de oxidación tienen una mayor relación carga/radio. Por lo tanto, la capacidad de los lantánidos para formar complejos se reduce en comparación con los elementos del bloque d. No obstante, forman compuestos con potentes agentes quelantes como EDTA, -dicetonas, oxima, etc. No son capaces de formar complejos P.

Estado de oxidación

Todos los elementos de la serie de los lantánidos tienen un estado de oxidación de +3. Anteriormente, se pensaba que algunos metales (samario, europio e iterbio) tenían estados de oxidación +2. El estudio adicional de estos metales y sus compuestos ha revelado que todos los metales lantánidos tienen un estado de oxidación +2 en sus complejos de solución. Algunos metales de la clase de los lantánidos exhiben estados de oxidación +4 en ocasiones. La alta estabilidad de las subcapas f vacías, medio llenas o completamente llenas se atribuye a la distribución desigual del estado de oxidación de los metales. El estado de oxidación de los lantánidos se ve afectado por la estabilidad de la subcapa f de tal manera que se prefiere el estado de oxidación +4 del cerio porque adquiere una configuración de gas noble, pero revierte a un estado de oxidación +3 y actúa como un oxidante fuerte que puede incluso oxidar el agua, aunque lentamente.

Estado de oxidación en solución acuosa: Sm ²⁺ , Eu ²⁺ e Yb ²⁺ pierden electrones en solución acuosa y se oxidan, lo que los convierte en buenos agentes reductores. Ce ⁴⁺ , ​​Pr ⁴⁺ y Tb ⁴⁺ , ​​por otro lado, ganan electrones y son buenos agentes oxidantes. Solo los rusts pueden alcanzar estados de oxidación más altos (+4) de los elementos. Como ejemplo, considere los elementos Pr, Nd, Tb y Dy.

Reaccion quimica

La reactividad de todos los lantánidos es similar, sin embargo, es mayor que la de los elementos de transición. Esto se debe a que los orbitales externos 5s, 5p y 5d protegen a los electrones desapareados del orbital interno 4f. A excepción del CeO ₂ , que interactúa con el hidrógeno para generar hidruros sólidos a 300-400 C, los rusts de M ₂ O ₃ se empañan fácilmente con el oxígeno. El agua descompone los hidruros. Caliente el metal con halógeno o el rust con haluro de amonio para producir haluros. Los fluoruros son insolubles, pero los cloruros son delicuescentes. Los nitratos, acetatos y sulfatos son solubles en agua, pero los carbonatos, fosfatos, cromatos y oxalatos no lo son.

Formación de iones de colores

Los iones lantánidos, como los elementos del bloque d, pueden tener electrones en orbitales f así como orbitales vacíos. Cuando se absorbe una frecuencia de luz, la luz se transmite como un color complementario a la frecuencia absorbida. Los iones en la zona de transición interna pueden absorber la frecuencia visible y utilizarla para las transiciones de electrones y el color visible. El color de varios metales lantánidos es blanco plateado. Los iones lantánidos con un estado de oxidación de +3 aparecen coloreados tanto en soluciones sólidas como acuosas.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué son las series de lantánidos? ¿Cuántos elementos tiene la serie de los lantánidos?

Responder:

La serie de los lantánidos se refiere a un elemento químico en la fila 6 entre los grupos 3 y 4 de una tabla periódica. La familia de los lantánidos consta de 15 elementos químicos con números atómicos que van del 57 al 71.

Pregunta 2: ¿Qué es la contracción de los lantánidos?

Responder:

Debido a la carga nuclear creciente y a los electrones que ingresan al orbital f interno (n-2), los radios iónicos o el tamaño atómico de los iones lantánidos tripositivos disminuyen continuamente de La a Lu. Los lantánidos se comprimen a medida que su tamaño disminuye gradualmente con el aumento del número atómico.

Pregunta 3: ¿Cuáles son las aplicaciones cerámicas de los lantánidos?

Responder:

Los rusts de Ce(III), Ce(IV) se emplean en polvos para pulir vidrios, mientras que los rusts de Nd y Pr se usan ampliamente en la coloración de vidrios y en la fabricación de filtros de luz estándar.

Pregunta 4: ¿Por qué es difícil la separación de los elementos lantánidos en estado puro?

Responder:

Debido a que solo hay una ligera diferencia en los radios iónicos de los lantánidos y sus características químicas son las mismas, la separación de los elementos lantánidos en estado puro es un desafío.

Pregunta 5: ¿Cuál es el efecto sobre la fuerza básica de los hidrrusts en los lantánidos?

Responder:

La fuerza básica de los lantánidos disminuye a medida que su tamaño disminuye de La a Lu y aumenta la naturaleza covalente de los hidrrusts.