ritkaföldfémek
(lantanidák, lantanoidák, lantanida-kontrakció)

A lantán a periódusos rendszer 57. eleme. Az utána következő 58...71. rendszámú elemek nagyon hasonlóak. Sajátságaik a rendszám növekedésével csak kevéssé változnak, nem úgy mint pl. az alumínium és a szilicium vagy a szilicium és a foszfor esetén. Ennek oka természetesen atomjaik elektronkonfigurációja. Megjegyzendő, hogy a szkandium és az ittrium, melyeket azelőtt a ritkaföldfémekhez soroltak, nem tartoznak közéjük.
Ritkaföldfémeknek, vagy lantanidáknak az 58...71. rendszámú elemeket nevezzük. Ide tartoznak az 58-as cérium (Ce), az 59-es prazeodímium (Pr), a 60-as neodímium (Nd), a 61-es prométium (Pm), a 62-es szamárium (Sm), a 63-as európium (Eu), a 64-es gadolínium (Gd), a 65-ös terbium (Tb), a 66-os diszprózium (Dy), a 67-es holmium (Ho), a 68-as erbium (Er), a 69-es túlium (Tm), a 70-es itterbium (Yb) és a 71-es lutécium (Lu).

Az 58. rendszámú cériumnál fordul először elő, hogy egy elektron a 4f pályára kerül, ez a pálya legfeljebb 14 elektront tartalmazhat és teljes betöltése után a következő elektron már az 5s illetve 5p pályák egyikére kerül. Minthogy a 4f pálya nem a külsők közé tartozik, betöltésének mértéke a kémiai tulajdonságokat csak kis mértékben módosítja. Ebből következik a lantanidák kémiai és fizikai tekintetben való sok hasonlatossága. Ismerjük mind a 14 ritkaföldfémet, de ezek közül a 61-es prométium nem található meg a természetben, mert igen bomlékony, csak mesterségesen állították elő.

A lantanidák külső elektronhéjai egyformák: egy elektron foglal helyet az 5d pályán és kettő a 6s pályán. Különbség tehát csak a 4f héj betöltésében van. Ez okozza a kémiai hasonlóságot. Mégis van némi eltérés, mert a magtöltés növekedése folytán a nagyobb rendszámú lantanidák ionsugarai kissebbednek. Ez az úgynevezett lantanida-kontrakció. Egyébként a lantanidák optikai spektrumai különböznek egymástól, továbbá eltérnek mágneses sajátságaik is. Valamennyi 3 vegyértékű kationjai paramágnesesek, kivéve az utolsót a lutéciumot, melynek 4f pályája már teljes. Paramágnesességük alacsony hőmérsékleten már ferromágnesességbe csap át.
Atomtérfogatuk a rendszámmal fokozatosan csökken, csak két elem kivétel, az európium és az itterbium, ezek atomjainak ionizációs állapota valószínűleg eltér a többiekétől.

Minden lantanida alkot három vegyértékű iont, az európium és az itterbium két vegyértékű, a cérium, a prazeodímium és a terbium pedig négy vegyértékű is lehet. Kémiailag közepesen aktívak.
A lantanidafémek puhák, nyújthatók. Olvadáspontjuk eléggé különböző.

Előfordulás: Nevükkel ellentétben nem is tartoznak valamennyien a valóban ritka elemek közé, mert a cérium a gyakorisági sorrendben a 29. helyen áll, vagyis gyakoribb, mint az ólom. Nagyon ritka viszont a túlium és a lutécium a 60. illetve a 65. helyen állnak. A prométium a természetben nem létezik. Igen sok, száznál is több, ásványuk van. Legfontosabb közülük a monacit, lényegileg CePO₄, de minden lantanida előfordul benne.

Előállítás: A monacitot forró tömény kénsavban odják, majd a kihűlt tömeget vízzel kilúgozva a lantanidákat és a tóriumot foszfát alakjában leválasztják. A csapadékot sósavban oldva leválasztják az oxalátokat és ammónium-oxaláttal kezelik őket, mire a tórium oldatba megy. A hátramaradó lantanida-oxalátokat kiizzítják és a kapott oxidokat kettős sókká alakítják, majd frakcionált kikristályosítással különítik el. A cérium-oxalát izzítva cérium-dioxiddá alakul, amely nem oldódik híg salétromsavban, így elválasztható. Az európiumot és az itterbiumot kénsavas oldatban elektrolitosan redukálják kétvegyértékű ionnokká, szulfidjaik oldhatatlanul kiválnak.
Mindez igen nehézkes és tökéletlen eljárás, ezért ma már inkább a tökéletesebb ioncserélő gyanták kal történő módszert alkalmazzák.
A fémek vegyületeik redukciójával, vagy elektrolízissel állíthatók elő. Spedding és munkatársai argon atmoszférában, tantál tégelyben kloridokat kalciummal redukáltak, így nagy mennyiségben állítottak elő lantanida fémeket. A 61-es rendszámú elemet mesterségesen állították elő neodímium 147-es izotópjából, mely béta-sugárzással prométiummá alakul át (nevét Prometheusról kapta, aki a tüzet lehozta az égből az embereknek.)

Fizikai és kémiai tulajdonságok: Ezüstfehér színű fémek, elektromos vezetőképességük nem nagy. Kristályrácsuk hatszöges, szoros illeszkedésű, vagy ennek kissé eltérő változata, csak az európium köbös tércentrált, az itterbium pedig köbös legszorosabb illeszkedésű.
Kémiai szempontból minden lantanida igen hasonló egymáshoz. Kémiailag igen aktívak. Vízzel már közönséges hőmérsékleten vagy melegítve hidrogént fejlesztenek. Halogének megtámadják őket. Oxigénnel közvetlenül egyesülnek, levegőn hevítve elégnek. Kéngőzben szulfidokká égnek el. Magas hőmérsékleten még nitrogénnel is egyesülnek. Híg savvakban oldódnak, lúgokban kevésbé. Sok ötvözetük van.

Felhasználás, termelés: Gáz izzófények Auer harisnyái 1 % cérium-oxidot tartalmaznak.

Lantanida-fluoridok keverékét elektromos ívfény szénelektródák töltésére használják.
Más lantanida-sókat a textiliparban használnak penész- és molykár ellen.
Az elegyfém (Mischmetall) öngyújtókban tűzkőként használatos, mert a belőle lereszelt részecskék a levegőben meggyúlladnak.
Növekvő jelentőségük van az atomenergia-iparban.
Az üvegiparban speciális optikai üvegekhez használják őket.
Ötvözetek készítésére is használatosak.

Lantanida vegyületek. Főleg három vegyértékű lantanidaionok fordulnak elő, ritkábbak a két- és négyvegyértékű ionnok vegyületei. Fluoridjaik oldhatatlanok, a kloridok és a bromidok oldhatók. Oxidjaik hasonlóak az alumínium-oxidhoz (bár kristályrácsuk eltérő. Hidroxidjaik is vízoldhatatlanok, bázisos jelleműek. Fontosabb sóik a fentieken kívül a szulfátok, nitrátok, karbonátok és oxalátok.

Felhasznált irodalom