内殻を満たす元素
埋まりつつある4f軌道は外側の電子の*下に*位置し、外界から遮蔽されています。化学的には、どの4f軌道に電子が入っているかはほとんど問題になりません。そのため15元素すべてがほぼ同じ性質を示し、分離も非常に困難です。
希土類元素。現代技術を静かに動かす、ほとんど見分けのつかない15種類の金属です
ランタノイド
ランタンからルテチウムまでの15種類の軟らかく銀色の金属です。化学的性質が非常によく似ているため、分離は1世紀以上にわたって化学者たちを悩ませました。実際には特に希少ではありません。携帯電話、ヘッドホン、風力タービン、MRI検査に使われています。
- 構成元素
- 15
- 族
- fブロック、周期6
- 電子配置
- [Xe] 4f¹⁻¹⁴ 5d⁰⁻¹ 6s²
- 放射性
- 1
周期表でハイライト表示
すべての元素
15個のランタノイド
57
La
ランタン
138.905 u
最初のランタノイドで、誰も気づかないまま36年間セリウムの中に隠れていた元素です。
58
Ce
セリウム
140.116 u
最も豊富な希土類元素で、地殻中では銅よりも一般的です。
59
Pr
プラセオジム
140.908 u
溶接工のゴーグルを着色し、ネオジムと合金化すると強力な磁石を作る希土類元素です。
60
Nd
ネオジム
144.242 u
磁石の元素です。ネオジム・鉄・ホウ素磁石は、これまでに作られた最も強力な永久磁石です。
61
Pm
プロメチウム
145 u
安定同位体を持たない唯一のランタノイドで、崩壊してなくなったため、原子炉で作らなければなりませんでした。
62
Sm
サマリウム
150.36 u
ネオジムを破壊する温度でも磁石が機能し続ける希土類元素です。
63
Eu
ユウロピウム
151.964 u
安全保障の元素です。ユウロピウム蛍光体は、ユーロ紙幣に偽造防止の光をもたらします。
64
Gd
ガドリニウム
157.25 u
安定核種の中で最大の中性子捕獲断面積を持つ希土類元素です。
65
Tb
テルビウム
158.925 u
緑色蛍光体に使われる希土類元素で、磁場中で形状も変化します。
66
Dy
ジスプロシウム
162.5 u
「入手が難しい」元素で、現在ではエンジン室の熱に耐えなければならない磁石に不可欠です。
67
Ho
ホルミウム
164.93 u
天然に存在するあらゆる原子の中で、最も強い磁気モーメントを持つ元素です。
68
Er
エルビウム
167.259 u
インターネットを動かし続ける希土類元素です。エルビウムは光ファイバーケーブル内部の光を増幅します。
69
Tm
ツリウム
168.934 u
安定なランタノイドの中で最も希少で、照射すると携帯型X線源になります。
70
Yb
イッテルビウム
173.045 u
圧力をかけると電気抵抗が急増する柔らかな希土類元素で、応力計になります。
71
Lu
ルテチウム
174.967 u
ランタノイドの中で最も硬く、最も密度が高く、最も高価です。
何によって定義されるか
ランタノイドを特徴づける3つのこと
ランタノイド収縮
系列に沿って、陽子が増え、拡がった4f電子の遮蔽が弱いため、原子は着実に小さくなります。この累積効果は次の周期にまで及ぶほど大きく、ハフニウムは上の周期にあるジルコニウムと同じ大きさになります。そのため、この2つは化学的にほとんど見分けられません。
一様に+3
ほぼすべてが+3イオンを形成します。セリウムは+4、ユウロピウムは+2も形成でき、この2つの例外こそが、化学者がそれらを残りの元素から分離する方法を学んだ理由です。
周期表の傾向
族内での変化
イオン半径はランタンからルテチウムにかけて滑らかに減少します。磁気モーメントは系列の中央で最大になります。そこでは不対f電子が最も多く存在できるため、ネオジムとジスプロシウムが永久磁石技術の中心となっています。
世界での用途
何に使われるか
ネオジム
これまでに作られた最も強力な永久磁石です。Nd-Fe-B磁石は、ヘッドホン、ハードドライブ、電気モーター、風力タービンに使われています。
ジスプロシウムとテルビウム
ネオジム磁石に加えることで、エンジンルームの温度でも機能を維持できます。これが、これらが戦略的に争奪される物質である理由です。
ユウロピウムとイットリウム
ディスプレイや蛍光照明に使われる赤色および青色の蛍光体です。ユウロピウムは、ユーロ紙幣の偽造防止用発光にも使われています。
ガドリニウム
MRIで軟組織を見えるようにする造影剤であり、安定核種の中で最も大きな中性子捕獲断面積を持ちます。
セリウム
触媒コンバーター、ガラス研磨、そして使い捨てライターすべてに入っている発火石に使われます。
エルビウム
光ファイバーにドープすると光を直接増幅します。これにより、大陸間インターネットケーブルが実用可能になっています。
取り扱い
安全性
金属や単純塩としての毒性は低〜中程度ですが、微細な粉末は自然発火性があり、容易に燃焼します。本当の問題は抽出です。レアアース鉱石にはトリウムとウランが含まれるため、処理によって放射性の鉱さいが生じ、分離化学では大量の酸を消費します。プロメチウムは安定同位体を持たない放射性元素です。
知っておくとよいこと
- それらは希少ではありません。セリウムは地殻中で銅よりも豊富で、ツリウムでさえ金を上回ります。
- この一族全体は、1世紀をかけて2つのスウェーデン産鉱物試料から発見されました。4つの元素が、イッテルビーという1つの村にちなんで名付けられています。
- 硬貨ほどの大きさのネオジム磁石は、自重の1000倍を超える重さを持ち上げられます。
よくある質問
ランタノイドの概要
希土類元素は希少ではないのに、なぜ希土類と呼ばれるのですか？
発見された当時、それらは本当に入手が困難だったためです。単一の鉱石中に濃縮して存在することはなく、混ざり合って存在し、分離はほぼ不可能でした。「Earth」は酸化物を意味する古い用語です。この名称は地質学的な希少性ではなく、18世紀の困難さを記録しています。
なぜランタノイドの分離はそれほど難しいのですか？
それらの化学的性質がほぼ同じなのは、加わる4f電子が外側の殻の下に埋もれており、結合にほとんど関与しないためです。どの元素も、サイズが非常によく似た+3イオンを形成します。現代の分離では、イオン半径のごく小さな違いを利用して、何百段階もの連続した溶媒抽出を行います。そこでは、ランタノイド収縮が唯一の手がかりです。
現在、最も重要なランタノイドはどれですか？
経済的な重要度ではネオジムです。Nd-Fe-B磁石は、すべての電気自動車のモーター、風力タービンの発電機、ハードドライブ、ヘッドホンに使われています。ジスプロシウムが僅差で2番目なのは、磁石が熱くなっても機能し続けるようにする元素だからです。また、供給地がごく少数の場所に集中しています。