La serie de elementos químicos lantánidos ( / ˈ l æ n θ ə n aɪ d / ) o lantanoide ( / ˈ l æ n θ ə n ɔɪ d / ) [a] comprende al menos los 14 elementos químicos metálicos con números atómicos 57-70, desde el lantano hasta el iterbio . En la tabla periódica, llenan los orbitales 4f. [2] [3] [4] El lutecio (elemento 71) también se considera a veces un lantánido, a pesar de ser un elemento del bloque d y un metal de transición.
El símbolo químico informal Ln se utiliza en discusiones generales sobre la química de los lantánidos para referirse a cualquier lantánido. [5] Todos los lantánidos menos uno son elementos del bloque f , que corresponden al llenado de la capa electrónica 4f . El lutecio es un elemento del bloque d (por lo tanto también un metal de transición ), [6] [7] y sobre esta base su inclusión ha sido cuestionada; sin embargo, al igual que sus congéneres escandio e itrio en el grupo 3, se comporta de manera similar a los otros 14. El término elemento de tierras raras o metal de tierras raras se utiliza a menudo para incluir los elementos estables del grupo 3 Sc, Y y Lu además de los elementos 4f. [8] Todos los elementos lantánidos forman cationes trivalentes, Ln 3+ , cuya química está determinada en gran medida por el radio iónico , que disminuye de manera constante desde el lantano (La) hasta el lutecio (Lu).
Estos elementos se denominan lantánidos porque los elementos de la serie son químicamente similares al lantano . Como "lantánido" significa "como el lantano", se ha argumentado que el lantano no puede ser lógicamente un lantánido, pero la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) reconoce su inclusión basándose en el uso común. [1]
En las presentaciones de la tabla periódica , los elementos del bloque f se muestran habitualmente como dos filas adicionales debajo del cuerpo principal de la tabla. [2] Esta convención es enteramente una cuestión de estética y practicidad de formato; una tabla periódica de formato ancho raramente utilizada inserta las series 4f y 5f en sus lugares apropiados, como partes de las filas sexta y séptima de la tabla (períodos), respectivamente.
El "Libro Rojo" de la IUPAC de 1985 (pág. 45) recomienda utilizar lantanoide en lugar de lantánido , ya que la terminación -uro normalmente indica un ion negativo . Sin embargo, debido a su uso generalizado en la actualidad, todavía se permite el uso de lantánido .
Primordial De la decadencia Sintético El borde muestra la aparición natural del elemento.
El término "lantánido" fue introducido por Victor Goldschmidt en 1925. [9] [10] A pesar de su abundancia, el término técnico "lantánidos" se interpreta como un reflejo de una sensación de elusividad por parte de estos elementos, ya que proviene del griego λανθανειν ( lanthanein ), "estar oculto". [11]
En lugar de referirse a su abundancia natural, la palabra refleja su propiedad de "esconderse" unos detrás de otros en los minerales. El término deriva del lantano , descubierto por primera vez en 1838, en ese momento un llamado nuevo elemento de tierras raras que "yacía oculto" o "escapaba a la atención" en un mineral de cerio , [12] y es una ironía que el lantano fuera identificado más tarde como el primero de una serie completa de elementos químicamente similares y dio su nombre a toda la serie.
Junto con los elementos estables del grupo 3, escandio , itrio y lutecio , a veces se utiliza el nombre trivial de " tierras raras " para describir el conjunto de los lantánidos. La "tierra" en el nombre "tierras raras" surge de los minerales de los que se aislaron, que eran minerales de tipo óxido poco comunes. Sin embargo, estos elementos no son raros en abundancia ni "tierras" (un término obsoleto para óxidos fuertemente básicos insolubles en agua de metales electropositivos incapaces de fundirse en metal utilizando tecnología de finales del siglo XVIII). El grupo 2 se conoce como los elementos alcalinotérreos por la misma razón.
El "raro" en el nombre "tierras raras" tiene más que ver con la dificultad de separar los elementos individuales que con la escasez de alguno de ellos. A través del griego dysprositos para "difícil de conseguir", el elemento 66, disprosio , recibió un nombre similar. Los elementos 57 (La) a 71 (Lu) son muy similares químicamente entre sí y con frecuencia se encuentran juntos en la naturaleza. A menudo, una mezcla de tres a los 15 lantánidos (junto con el itrio como 16º) se encuentra en minerales, como la monacita y la samarskita (de la que se nombra al samario ). Estos minerales también pueden contener elementos del grupo 3 y actínidos como el uranio y el torio. [13] La mayoría de las tierras raras se descubrieron en la misma mina en Ytterby , Suecia y cuatro de ellas se nombran (itrio, iterbio, erbio, terbio) en honor al pueblo y una quinta (holmio) en honor a Estocolmo; El escandio recibe su nombre de Escandinavia , el tulio del antiguo nombre Thule , y el elemento del grupo 4 que le sigue inmediatamente (número 72), el hafnio, recibe su nombre del nombre en latín de la ciudad de Copenhague . [13]
Las propiedades de los lantánidos surgen del orden en el que se llenan las capas de electrones de estos elementos: la capa más externa (6s) tiene la misma configuración para todos ellos, y una capa más profunda (4f) se llena progresivamente de electrones a medida que el número atómico aumenta de 57 a 71. [13] Durante muchos años, las mezclas de más de una tierra rara se consideraron elementos individuales, como el neodimio y el praseodimio , que se pensaba que era el elemento único didimio. [14] Se utilizan diferencias muy pequeñas en solubilidad en los métodos de purificación de estos elementos por intercambio iónico y disolvente, que requieren una aplicación repetida para obtener un metal purificado. Las diversas aplicaciones de los metales refinados y sus compuestos se pueden atribuir a las variaciones sutiles y pronunciadas en sus propiedades electrónicas, eléctricas, ópticas y magnéticas. [13]
Como ejemplo del significado del término "oculto" en lugar de "escaso", el cerio es casi tan abundante como el cobre; [13] por otro lado, el prometio , sin isótopos estables o de larga duración, es verdaderamente raro. [15]
* Entre Xe inicial y 6s final 2 capas electrónicas
** Sm tiene una estructura compacta como la mayoría de los lantánidos, pero tiene una repetición inusual de 9 capas.
Gschneider y Daane (1988) atribuyen la tendencia en el punto de fusión que aumenta a lo largo de la serie ( lantano (920 °C) – lutecio (1622 °C)) al grado de hibridación de los orbitales 6s, 5d y 4f. Se cree que la hibridación es máxima para el cerio, que tiene el punto de fusión más bajo de todos, 795 °C. [16] Los metales lantánidos son blandos; su dureza aumenta a lo largo de la serie. [1] El europio se destaca, ya que tiene la densidad más baja de la serie a 5,24 g/cm 3 y el radio metálico más grande de la serie a 208,4 pm. Puede compararse con el bario, que tiene un radio metálico de 222 pm. Se cree que el metal contiene el ion Eu 2+ más grande y que solo hay dos electrones en la banda de conducción. El iterbio también tiene un radio metálico grande, y se sugiere una explicación similar. [1] Las resistividades de los metales lantánidos son relativamente altas, y van desde 29 a 134 μΩ·cm. Estos valores pueden compararse con los de un buen conductor como el aluminio, que tiene una resistividad de 2,655 μΩ·cm. Con excepción de La, Yb y Lu (que no tienen electrones f desapareados), los lantánidos son fuertemente paramagnéticos, y esto se refleja en sus susceptibilidades magnéticas. El gadolinio se vuelve ferromagnético por debajo de los 16 °C ( punto de Curie ). Los otros lantánidos más pesados (terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio e iterbio) se vuelven ferromagnéticos a temperaturas mucho más bajas. [17]
* Sin incluir el núcleo [Xe] inicial
Las transiciones f → f están prohibidas por simetría (o prohibidas por Laporte), lo que también es cierto para los metales de transición . Sin embargo, los metales de transición pueden usar el acoplamiento vibrónico para romper esta regla. Los orbitales de valencia en los lantánidos son casi completamente no enlazantes y, como tal, se produce poco acoplamiento vibrónico efectivo, por lo tanto, los espectros de las transiciones f → f son mucho más débiles y estrechos que los de las transiciones d → d. En general, esto hace que los colores de los complejos de lantánidos sean mucho más tenues que los de los complejos de metales de transición.
Al observar los lantánidos de izquierda a derecha en la tabla periódica, los siete orbitales atómicos 4f se llenan progresivamente más (ver arriba y Tabla periódica § Tabla de configuración electrónica ). La configuración electrónica de la mayoría de los átomos de lantánidos en fase gaseosa neutra es [Xe]6s 2 4f n , donde n es 56 menos que el número atómico Z . Las excepciones son La, Ce, Gd y Lu, que tienen 4f n −1 5d 1 (aunque incluso entonces 4f n es un estado excitado de baja altitud para La, Ce y Gd; para Lu, la capa 4f ya está llena, y el decimoquinto electrón no tiene más opción que entrar en 5d). Con la excepción del lutecio, los orbitales 4f son químicamente activos en todos los lantánidos y producen profundas diferencias entre la química de los lantánidos y la química de los metales de transición . Los orbitales 4f penetran el núcleo [Xe] y quedan aislados, por lo que no participan mucho en la formación de enlaces. Esto explica por qué los efectos de campo cristalino son pequeños y por qué no forman enlaces π. [18] Como hay siete orbitales 4f, la cantidad de electrones desapareados puede ser tan alta como 7, lo que da lugar a los grandes momentos magnéticos observados en los compuestos lantánidos.
La medición del momento magnético se puede utilizar para investigar la configuración electrónica 4f, y es una herramienta útil para obtener información sobre el enlace químico. [22] La contracción de los lantánidos , es decir, la reducción del tamaño del ion Ln 3+ de La 3+ (103 pm) a Lu 3+ (86,1 pm), a menudo se explica por el pobre blindaje de los electrones 5s y 5p por los electrones 4f. [18]
La química de los lantánidos está dominada por el estado de oxidación +3, y en los compuestos Ln III se pierden los electrones 6s y (normalmente) un electrón 4f y los iones tienen la configuración [Xe]4f ( n −1) . [23] Todos los elementos lantánidos presentan el estado de oxidación +3. Además, Ce 3+ puede perder su único electrón f para formar Ce 4+ con la configuración electrónica estable del xenón. Además, Eu 3+ puede ganar un electrón para formar Eu 2+ con la configuración f 7 que tiene la estabilidad adicional de una capa medio llena. Aparte de Ce(IV) y Eu(II), ninguno de los lantánidos es estable en estados de oxidación distintos de +3 en solución acuosa.
En términos de potenciales de reducción, los pares Ln 0/3+ son casi los mismos para todos los lantánidos, y varían de −1,99 (para Eu) a −2,35 V (para Pr). Por lo tanto, estos metales son altamente reductores, con un poder reductor similar al de los metales alcalinotérreos como el Mg (−2,36 V). [1]
Las energías de ionización de los lantánidos se pueden comparar con las del aluminio. En el aluminio, la suma de las tres primeras energías de ionización es de 5139 kJ·mol −1 , mientras que los lantánidos se encuentran en el rango de 3455 – 4186 kJ·mol −1 . Esto se correlaciona con la naturaleza altamente reactiva de los lantánidos.
La suma de las dos primeras energías de ionización del europio, 1632 kJ·mol −1, se puede comparar con la del bario 1468,1 kJ·mol −1 y la tercera energía de ionización del europio es la más alta de los lantánidos. La suma de las dos primeras energías de ionización del iterbio es la segunda más baja de la serie y su tercera energía de ionización es la segunda más alta. La alta tercera energía de ionización del Eu y del Yb se correlaciona con el medio llenado 4f 7 y el llenado completo 4f 14 de la subcapa 4f, y la estabilidad proporcionada por dichas configuraciones debido a la energía de intercambio. [18] El europio y el iterbio forman compuestos similares a sales con Eu 2+ e Yb 2+ , por ejemplo, los dihidruros similares a sales. [24] Tanto el europio como el iterbio se disuelven en amoníaco líquido formando soluciones de Ln 2+ (NH 3 ) x , lo que demuestra nuevamente sus similitudes con los metales alcalinotérreos. [1]
La relativa facilidad con la que se puede eliminar el cuarto electrón en el cerio y (en menor medida en el praseodimio) indica por qué se pueden formar compuestos de Ce(IV) y Pr(IV); por ejemplo, se forma CeO2 en lugar de Ce2O3 cuando el cerio reacciona con el oxígeno. Además, el Tb tiene un estado IV bien conocido, ya que la eliminación del cuarto electrón en este caso produce una configuración 4f7 semicompleta .
Las valencias estables adicionales de Ce y Eu significan que sus abundancias en las rocas a veces varían significativamente en relación con los otros elementos de tierras raras: consulte la anomalía del cerio y la anomalía del europio .
La similitud en el radio iónico entre elementos lantánidos adyacentes hace que sea difícil separarlos entre sí en minerales naturales y otras mezclas. Históricamente, se utilizaron los muy laboriosos procesos de cristalización en cascada y fraccionada . Debido a que los iones lantánidos tienen radios ligeramente diferentes, la energía reticular de sus sales y las energías de hidratación de los iones serán ligeramente diferentes, lo que lleva a una pequeña diferencia en la solubilidad . Se pueden utilizar sales de la fórmula Ln(NO 3 ) 3 ·2NH 4 NO 3 ·4H 2 O. Industrialmente, los elementos se separan entre sí mediante extracción con disolventes . Normalmente, una solución acuosa de nitratos se extrae en queroseno que contiene tri- n -butilfosfato . La fuerza de los complejos formados aumenta a medida que disminuye el radio iónico, por lo que aumenta la solubilidad en la fase orgánica. La separación completa se puede lograr de forma continua mediante el uso de métodos de intercambio a contracorriente . Los elementos también se pueden separar mediante cromatografía de intercambio iónico , aprovechando el hecho de que la constante de estabilidad para la formación de complejos de EDTA aumenta para log K ≈ 15,5 para [La(EDTA)] − a log K ≈ 19,8 para [Lu(EDTA)] − . [1] [25]
Cuando están en forma de complejos de coordinación , los lantánidos existen abrumadoramente en su estado de oxidación +3 , aunque las configuraciones 4f particularmente estables también pueden dar iones +4 (Ce, Tb) o +2 (Eu, Yb). Todas estas formas son fuertemente electropositivas y, por lo tanto, los iones lantánidos son ácidos de Lewis duros . [26] Los estados de oxidación también son muy estables; con las excepciones de SmI 2 [27] y sales de cerio (IV) , [28] los lantánidos no se utilizan para la química redox . Los electrones 4f tienen una alta probabilidad de encontrarse cerca del núcleo y, por lo tanto, se ven fuertemente afectados a medida que la carga nuclear aumenta a lo largo de la serie ; esto da como resultado una disminución correspondiente en los radios iónicos conocida como contracción de los lantánidos .
La baja probabilidad de que los electrones 4f existan en la región externa del átomo o ion permite poca superposición efectiva entre los orbitales de un ion lantánido y cualquier ligando de unión . Por lo tanto, los complejos de lantánidos típicamente tienen poco o ningún carácter covalente y no están influenciados por las geometrías orbitales. La falta de interacción orbital también significa que variar el metal típicamente tiene poco efecto en el complejo (aparte del tamaño), especialmente cuando se compara con los metales de transición . Los complejos se mantienen unidos por fuerzas electrostáticas más débiles que son omnidireccionales y, por lo tanto, los ligandos solos dictan la simetría y la coordinación de los complejos. Por lo tanto, los factores estéricos dominan, con la saturación coordinativa del metal que se equilibra contra la repulsión entre ligandos. Esto da como resultado una gama diversa de geometrías de coordinación , muchas de las cuales son irregulares, [29] y también se manifiesta en la naturaleza altamente fluxional de los complejos. Como no hay una razón energética para estar encerrado en una sola geometría, se producirá un rápido intercambio de ligando intramolecular e intermolecular. Esto generalmente produce complejos que fluctúan rápidamente entre todas las configuraciones posibles.
Muchas de estas características hacen que los complejos de lantánidos sean catalizadores eficaces . Los ácidos Lewis duros pueden polarizar los enlaces tras la coordinación y, por lo tanto, alterar la electrofilicidad de los compuestos, siendo un ejemplo clásico la reducción de Luche . El gran tamaño de los iones, junto con su enlace iónico lábil, permite que incluso especies de coordinación voluminosas se unan y se disocien rápidamente, lo que da como resultado tasas de recambio muy altas; por lo tanto, a menudo se pueden lograr excelentes rendimientos con cargas de solo unos pocos moles%. [30] La falta de interacciones orbitales combinada con la contracción de los lantánidos significa que los lantánidos cambian de tamaño a lo largo de la serie, pero que su química sigue siendo prácticamente la misma. Esto permite un ajuste fácil de los entornos estéricos y existen ejemplos en los que esto se ha utilizado para mejorar la actividad catalítica del complejo [31] [32] [33] y cambiar la nuclearidad de los grupos metálicos. [34] [35]
A pesar de ello, el uso de complejos de coordinación de lantánidos como catalizadores homogéneos está en gran medida restringido al laboratorio y actualmente hay pocos ejemplos de su uso a escala industrial. [36] Los lantánidos existen en muchas formas distintas a los complejos de coordinación y muchas de ellas son útiles industrialmente. En particular, los óxidos metálicos de lantánidos se utilizan como catalizadores heterogéneos en varios procesos industriales.
Los lantánidos trivalentes forman principalmente sales iónicas. Los iones trivalentes son aceptores duros y forman complejos más estables con ligandos donantes de oxígeno que con ligandos donantes de nitrógeno. Los iones más grandes son 9-coordinados en solución acuosa, [Ln(H 2 O) 9 ] 3+ pero los iones más pequeños son 8-coordinados, [Ln(H 2 O) 8 ] 3+ . Existe alguna evidencia de que los últimos lantánidos tienen más moléculas de agua en la segunda esfera de coordinación. [37] La complexación con ligandos monodentados es generalmente débil porque es difícil desplazar moléculas de agua de la primera esfera de coordinación. Se forman complejos más fuertes con ligandos quelantes debido al efecto quelato , como el tetra-anión derivado del ácido 1,4,7,10-tetraazaciclododecano-1,4,7,10-tetraacético ( DOTA ).
Los derivados divalentes más comunes de los lantánidos son para Eu(II), que alcanza una configuración f 7 favorable . Se conocen derivados de haluros divalentes para todos los lantánidos. Son sales convencionales o sales similares a " electruro " de Ln(III). Las sales simples incluyen YbI 2 , EuI 2 y SmI 2 . Las sales similares a electruro, descritas como Ln 3+ , 2I − , e − , incluyen LaI 2 , CeI 2 y GdI 2 . Muchos de los yoduros forman complejos solubles con éteres, por ejemplo, TmI 2 (dimetoxietano) 3 . [38] El yoduro de samario(II) es un agente reductor útil. Los complejos de Ln(II) se pueden sintetizar mediante reacciones de transmetalación . El rango normal de estados de oxidación se puede ampliar mediante el uso de ligandos de ciclopentadienilo estéricamente voluminosos , de esta manera muchos lantánidos se pueden aislar como compuestos Ln(II). [39]
El Ce(IV) en el nitrato de amonio cérico es un agente oxidante útil. El Ce(IV) es la excepción debido a la tendencia a formar una capa f sin relleno. Por lo demás, los lantánidos tetravalentes son raros. Sin embargo, recientemente se ha demostrado la existencia de complejos de Tb(IV) [40] [41] [42] y Pr(IV) [43] .
Los metales lantánidos reaccionan exotérmicamente con el hidrógeno para formar dihidruros LnH 2 . [24] Con la excepción de Eu e Yb, que se parecen a los hidruros Ba y Ca (compuestos no conductores, transparentes, similares a sales), forman compuestos conductores pirofóricos negros [48] donde la subred metálica es cúbica centrada en las caras y los átomos de H ocupan sitios tetraédricos. [24] Una hidrogenación posterior produce un trihidruro que no es estequiométrico , no conductor, más parecido a una sal. La formación de trihidruro está asociada con un aumento del 8-10% del volumen y esto está vinculado a una mayor localización de la carga en los átomos de hidrógeno que se vuelven más aniónicos (anión H − hidruro) en carácter. [24]
Los únicos tetrahaluros conocidos son los tetrafluoruros de cerio , praseodimio , terbio , neodimio y disprosio, los dos últimos conocidos solo en condiciones de aislamiento de matriz. [1] [54] Todos los lantánidos forman trihaluros con flúor, cloro, bromo y yodo. Todos tienen un alto punto de fusión y son predominantemente iónicos por naturaleza. [1] Los fluoruros son solo ligeramente solubles en agua y no son sensibles al aire, y esto contrasta con los otros haluros que son sensibles al aire, fácilmente solubles en agua y reaccionan a alta temperatura para formar oxohaluros. [55]
Los trihaluros fueron importantes porque a partir de ellos se puede preparar metal puro. [1] En la fase gaseosa, los trihaluros son planos o aproximadamente planos, los lantánidos más ligeros tienen un porcentaje menor de dímeros, los lantánidos más pesados una proporción mayor. Los dímeros tienen una estructura similar a Al2Cl6 . [ 56 ]
Algunos de los dihaluros son conductores mientras que el resto son aislantes. Las formas conductoras pueden considerarse compuestos electruros Ln III donde el electrón está deslocalizado en una banda de conducción, Ln 3+ (X − ) 2 (e − ). Todos los diyoduros tienen separaciones metal-metal relativamente cortas. [49] La estructura CuTi 2 de los diyoduros de lantano, cerio y praseodimio junto con HP-NdI 2 contienen 4 4 redes de átomos de metal y yodo con enlaces metal-metal cortos (393-386 La-Pr). [49] estos compuestos deben considerarse metales bidimensionales (bidimensionales de la misma manera que lo es el grafito). Los dihaluros similares a sales incluyen los de Eu, Dy, Tm e Yb. La formación de un estado de oxidación +2 relativamente estable para Eu e Yb se explica generalmente por la estabilidad (energía de intercambio) de f 7 y f 14 completamente llenos . GdI 2 posee la estructura en capas de MoS 2 , es ferromagnético y exhibe una magnetorresistencia colosal . [49]
Los compuestos sesquihaluros Ln 2 X 3 y Ln 7 I 12 enumerados en la tabla contienen racimos metálicos , racimos discretos Ln 6 I 12 en Ln 7 I 12 y racimos condensados que forman cadenas en los sesquihaluros. El escandio forma un compuesto de racimos similar con cloro, Sc 7 Cl 12 [1] A diferencia de muchos racimos de metales de transición, estos racimos de lantánidos no tienen interacciones metal-metal fuertes y esto se debe al bajo número de electrones de valencia involucrados, sino que están estabilizados por los átomos de halógeno circundantes. [49]
LaI y TmI son los únicos monohaluros conocidos. LaI, preparado a partir de la reacción de LaI 3 y el metal La, tiene una estructura de tipo NiAs y puede formularse La 3+ (I − )(e − ) 2 . [52] TmI es un verdadero compuesto Tm(I), sin embargo no está aislado en estado puro. [53]
Todos los lantánidos forman sesquióxidos, Ln 2 O 3 . Los lantánidos más ligeros/grandes adoptan una estructura hexagonal de 7 coordenadas, mientras que los más pesados/pequeños adoptan una estructura cúbica de 6 coordenadas "CM 2 O 3 ". [50] Todos los sesquióxidos son básicos y absorben agua y dióxido de carbono del aire para formar carbonatos, hidróxidos e hidroxicarbonatos. [57] Se disuelven en ácidos para formar sales. [18]
El cerio forma un dióxido estequiométrico, CeO 2 , donde el cerio tiene un estado de oxidación de +4. El CeO 2 es básico y se disuelve con dificultad en ácido para formar soluciones de Ce 4+ , de las que se pueden aislar sales de Ce IV , por ejemplo el nitrato hidratado Ce(NO 3 ) 4 .5H 2 O. El CeO 2 se utiliza como catalizador de oxidación en convertidores catalíticos. [18] El praseodimio y el terbio forman óxidos no estequiométricos que contienen Ln IV , [18] aunque condiciones de reacción más extremas pueden producir PrO 2 y TbO 2 estequiométricos (o casi estequiométricos) . [1]
El europio y el iterbio forman monóxidos similares a sales, EuO e YbO, que tienen una estructura de sal de roca. [18] El EuO es ferromagnético a bajas temperaturas, [1] y es un semiconductor con posibles aplicaciones en espintrónica . [58] Se puede producir un óxido mixto Eu II /Eu III Eu 3 O 4 reduciendo Eu 2 O 3 en una corriente de hidrógeno. [57] El neodimio y el samario también forman monóxidos, pero estos son sólidos conductores brillantes, [1] aunque la existencia de monóxido de samario se considera dudosa. [57]
Todos los lantánidos forman hidróxidos, Ln(OH) 3 . Con la excepción del hidróxido de lutecio, que tiene una estructura cúbica, tienen la estructura hexagonal UCl 3 . [57] Los hidróxidos pueden precipitarse a partir de soluciones de Ln III . [18] También pueden formarse por la reacción del sesquióxido, Ln 2 O 3 , con agua, pero aunque esta reacción es termodinámicamente favorable, es cinéticamente lenta para los miembros más pesados de la serie. [57] Las reglas de Fajans indican que los iones Ln 3+ más pequeños serán más polarizantes y sus sales correspondientemente menos iónicas. Los hidróxidos de los lantánidos más pesados se vuelven menos básicos, por ejemplo Yb(OH) 3 y Lu(OH) 3 siguen siendo hidróxidos básicos pero se disolverán en NaOH concentrado caliente . [1]
Todos los lantánidos forman Ln 2 Q 3 (Q = S, Se, Te). [18] Los sesquisulfuros se pueden producir por reacción de los elementos o (con excepción de Eu 2 S 3 ) sulfurando el óxido (Ln 2 O 3 ) con H 2 S. [18] Los sesquisulfuros, Ln 2 S 3 generalmente pierden azufre cuando se calientan y pueden formar un rango de composiciones entre Ln 2 S 3 y Ln 3 S 4 . Los sesquisulfuros son aislantes pero algunos de los Ln 3 S 4 son conductores metálicos (por ejemplo, Ce 3 S 4 ) formulados (Ln 3+ ) 3 (S 2− ) 4 (e − ), mientras que otros (por ejemplo, Eu 3 S 4 y Sm 3 S 4 ) son semiconductores. [18] Estructuralmente los sesquisulfuros adoptan estructuras que varían según el tamaño del metal Ln. Los lantánidos más ligeros y grandes favorecen átomos metálicos de coordinación 7, los lantánidos más pesados y pequeños (Yb y Lu) favorecen la coordinación 6 y el resto estructuras con una mezcla de coordinación 6 y 7. [18]
El polimorfismo es común entre los sesquisulfuros. [59] Los colores de los sesquisulfuros varían de metal a metal y dependen de la forma polimórfica. Los colores de los γ-sesquisulfuros son La 2 S 3 , blanco/amarillo; Ce 2 S 3 , rojo oscuro; Pr 2 S 3 , verde; Nd 2 S 3 , verde claro; Gd 2 S 3 , arena; Tb 2 S 3 , amarillo claro y Dy 2 S 3 , naranja. [60] El tono de γ-Ce 2 S 3 se puede variar dopándolo con Na o Ca con tonos que van del rojo oscuro al amarillo, [49] [60] y los pigmentos a base de Ce 2 S 3 se utilizan comercialmente y se consideran sustitutos de baja toxicidad para los pigmentos a base de cadmio. [60]
Todos los lantánidos forman monocalcogenuros, LnQ, (Q= S, Se, Te). [18] La mayoría de los monocalcogenuros son conductores, lo que indica una formulación Ln III Q 2− (e-) donde el electrón está en bandas de conducción. Las excepciones son SmQ, EuQ e YbQ que son semiconductores o aislantes pero exhiben una transición inducida por presión a un estado conductor. [59] Se conocen compuestos LnQ 2 pero estos no contienen Ln IV sino que son compuestos Ln III que contienen aniones policalcogenuros. [61]
Los oxisulfuros Ln 2 O 2 S son bien conocidos, todos tienen la misma estructura con átomos de Ln de 7 coordenadas y 3 átomos de azufre y 4 átomos de oxígeno como vecinos cercanos. [62] Doparlos con otros elementos lantánidos produce fósforos. Como ejemplo, el oxisulfuro de gadolinio , Gd 2 O 2 S dopado con Tb 3+ produce fotones visibles cuando se irradia con rayos X de alta energía y se utiliza como centelleador en detectores de panel plano. [63] Cuando se agrega mischmetal , una aleación de metales lantánidos, al acero fundido para eliminar el oxígeno y el azufre, se producen oxisulfuros estables que forman un sólido inmiscible. [18]
Todos los lantánidos forman un mononitruro, LnN, con la estructura de la sal de roca. Los mononitruros han atraído el interés debido a sus propiedades físicas inusuales. Se informa que SmN y EuN son " semimetales ". [49] NdN, GdN, TbN y DyN son ferromagnéticos, SmN es antiferromagnético. [64] Se están investigando aplicaciones en el campo de la espintrónica . [58] CeN es inusual ya que es un conductor metálico, en contraste con los otros nitruros y con los otros pnictidos de cerio. Una descripción simple es Ce 4+ N 3− (e–) pero las distancias interatómicas coinciden mejor con el estado trivalente que con el estado tetravalente. Se han ofrecido varias explicaciones diferentes. [65] Los nitruros se pueden preparar mediante la reacción de metales de lantano con nitrógeno. Se produce algo de nitruro junto con el óxido, cuando los metales de lantano se encienden en el aire. [18] Los métodos alternativos de síntesis son una reacción a alta temperatura de los metales lantánidos con amoníaco o la descomposición de amidas de lantánidos, Ln(NH 2 ) 3 . Lograr compuestos estequiométricos puros y cristales con baja densidad de defectos ha resultado difícil. [58] Los nitruros de lantánidos son sensibles al aire y se hidrolizan produciendo amoníaco. [48]
Los otros pnictidos, fósforo, arsénico, antimonio y bismuto, también reaccionan con los metales lantánidos para formar monopnictidos, LnQ, donde Q = P, As, Sb o Bi. Además, se puede producir una variedad de otros compuestos con diferentes estequiometrías, como LnP 2 , LnP 5 , LnP 7 , Ln 3 As, Ln 5 As 3 y LnAs 2 . [66]
Se conocen carburos de estequiometrías variables para los lantánidos. La no estequiometría es común. Todos los lantánidos forman LnC 2 y Ln 2 C 3 que contienen unidades C 2 . Los dicarburos con excepción de EuC 2 , son conductores metálicos con la estructura de carburo de calcio y pueden formularse como Ln 3+ C 2 2− (e–). La longitud del enlace CC es mayor que la de CaC 2 , que contiene el anión C 2 2− , lo que indica que los orbitales antienlazantes del anión C 2 2− están involucrados en la banda de conducción. Estos dicarburos se hidrolizan para formar hidrógeno y una mezcla de hidrocarburos. [67] EuC 2 y en menor medida YbC 2 se hidrolizan de manera diferente produciendo un mayor porcentaje de acetileno (etino). [68] Los sesquicarburos, Ln 2 C 3 pueden formularse como Ln 4 (C 2 ) 3 .
Estos compuestos adoptan la estructura Pu2C3 [49] que se ha descrito como que tiene aniones C22− en agujeros bisfenoides formados por ocho vecinos Ln cercanos. [ 69] El alargamiento del enlace CC es menos marcado en los sesquicarburos que en los dicarburos, con excepción de Ce2C3 . [ 67] Se conocen otras estequiometrías ricas en carbono para algunos lantánidos. Ln3C4 ( Ho- Lu ) que contiene unidades de C, C2 y C3 ; [ 70] Ln4C7 ( Ho - Lu ) contiene átomos de C y unidades de C3 [71] y Ln4C5 ( Gd-Ho) que contiene unidades de C y C2 . [ 72 ] Los carburos ricos en metales contienen átomos de C intersticiales y ninguna unidad de C2 o C3 . Estos son Ln4C3 ( Tb y Lu); Ln 2 C (Dy, Ho, Tm) [73] [74] y Ln 3 C [49] (Sm-Lu).
Todos los lantánidos forman una serie de boruros. Los boruros "superiores" (LnB x donde x > 12) son aislantes/semiconductores mientras que los boruros inferiores son típicamente conductores. Los boruros inferiores tienen estequiometrías de LnB 2 , LnB 4 , LnB 6 y LnB 12 . [75] Se están investigando aplicaciones en el campo de la espintrónica . [58] La gama de boruros formados por los lantánidos se puede comparar con los formados por los metales de transición. Los boruros ricos en boro son típicos de los lantánidos (y de los grupos 1-3) mientras que para los metales de transición tienden a formar boruros "inferiores" ricos en metales. [76] Los boruros de los lantánidos se agrupan típicamente junto con los metales del grupo 3 con los que comparten muchas similitudes de reactividad, estequiometría y estructura. En conjunto, estos se denominan boruros de tierras raras. [75]
Se han utilizado muchos métodos para producir boruros de lantánidos, entre ellos la reacción directa de los elementos; la reducción de Ln 2 O 3 con boro; la reducción de óxido de boro, B 2 O 3 , y Ln 2 O 3 junto con carbono; la reducción de óxido de metal con carburo de boro , B 4 C. [75] [76] [77] [78] La producción de muestras de alta pureza ha demostrado ser difícil. [78] Se han cultivado monocristales de los boruros superiores en un metal de bajo punto de fusión (por ejemplo, Sn, Cu, Al). [75]
Se han descrito diboruros, LnB 2 , para Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb y Lu. Todos tienen la misma estructura , AlB 2 , que contiene una capa grafítica de átomos de boro. Transiciones ferromagnéticas de baja temperatura para Tb, Dy, Ho y Er. TmB 2 es ferromagnético a 7,2 K. [49]
Se han descrito tetraboruros, LnB 4 , para todos los lantánidos excepto EuB 4 , todos tienen la misma estructura UB 4 . La estructura tiene una subred de boro que consiste en cadenas de grupos octaédricos B 6 unidos por átomos de boro. La celda unitaria disminuye de tamaño sucesivamente desde LaB 4 hasta LuB 4 . Los tetraboruros de los lantánidos más ligeros se funden con la descomposición a LnB 6 . [78] Los intentos de hacer EuB 4 han fracasado. [77] Los LnB 4 son buenos conductores [75] y típicamente antiferromagnéticos. [49]
Se han descrito hexaboruros, LnB 6 para todos los lantánidos. Todos ellos tienen la estructura CaB 6 , que contiene grupos B 6 . No son estequiométricos debido a defectos de cationes. Los hexaboruros de los lantánidos más ligeros (La – Sm) se funden sin descomponerse, EuB 6 se descompone en boro y metal y los lantánidos más pesados se descomponen en LnB 4 con excepción de YbB 6 que se descompone formando YbB 12 . La estabilidad se ha correlacionado en parte con las diferencias en volatilidad entre los metales lantánidos. [78] En EuB 6 e YbB 6 los metales tienen un estado de oxidación de +2 mientras que en el resto de los hexaboruros de lantánidos es +3. Esto racionaliza las diferencias en conductividad, los electrones adicionales en los hexaboruros Ln III entran en bandas de conducción. EuB 6 es un semiconductor y el resto son buenos conductores. [49] [78] LaB 6 y CeB 6 son emisores termoiónicos, utilizados, por ejemplo, en microscopios electrónicos de barrido . [79]
Los dodecaboruros, LnB 12 , están formados por los lantánidos más pequeños y pesados, pero no por los metales más grandes y ligeros, La – Eu. Con la excepción de YbB 12 (donde Yb toma una valencia intermedia y es un aislante de Kondo ), los dodecaboruros son todos compuestos metálicos. Todos ellos tienen la estructura UB 12 que contiene un marco tridimensional de cúmulos cubooctaédricos de B 12 . [75]
El boruro superior LnB 66 es conocido para todos los metales lantánidos. La composición es aproximada ya que los compuestos no son estequiométricos. [75] Todos ellos tienen una estructura compleja similar con más de 1600 átomos en la celda unitaria. La subred cúbica de boro contiene supericosaedros formados por un icosaedro central B 12 rodeado por otros 12, B 12 (B 12 ) 12 . [75] Se conocen otros boruros superiores complejos LnB 50 (Tb, Dy, Ho Er Tm Lu) y LnB 25 (Gd, Tb, Dy, Ho, Er) y estos contienen icosaedros de boro en la estructura de boro. [75]
Los enlaces σ entre los lantánidos y el carbono son bien conocidos; sin embargo, como los electrones 4f tienen una baja probabilidad de existir en la región externa del átomo, hay poca superposición orbital efectiva , lo que da como resultado enlaces con un carácter iónico significativo . Como tales, los compuestos organolantánidos exhiben un comportamiento similar al del carbanión , a diferencia del comportamiento de los compuestos organometálicos de metales de transición . Debido a su gran tamaño, los lantánidos tienden a formar derivados organometálicos más estables con ligandos voluminosos para dar compuestos como Ln[CH(SiMe 3 ) 3 ]. [80] Los análogos del uranoceno se derivan del dilitiociclooctatetraeno, Li 2 C 8 H 8 . También se conocen compuestos orgánicos lantánidos (II), como Cp* 2 Eu. [38]
Todos los iones lantánidos trivalentes, excepto el lantano y el lutecio, tienen electrones f desapareados. (No obstante, la transferencia de carga de ligando a metal puede producir una ocupación f distinta de cero incluso en compuestos de La(III)). [81] Sin embargo, los momentos magnéticos se desvían considerablemente de los valores de solo espín debido al fuerte acoplamiento espín-órbita . El número máximo de electrones desapareados es 7, en Gd 3+ , con un momento magnético de 7,94 BM , pero los momentos magnéticos más grandes, de 10,4 a 10,7 BM, los exhiben Dy 3+ y Ho 3+ . Sin embargo, en Gd 3+ todos los electrones tienen espín paralelo y esta propiedad es importante para el uso de complejos de gadolinio como reactivo de contraste en exploraciones de resonancia magnética .
La división del campo cristalino es bastante pequeña para los iones lantánidos y es menos importante que el acoplamiento espín-órbita en lo que respecta a los niveles de energía. [1] Las transiciones de electrones entre orbitales f están prohibidas por la regla de Laporte . Además, debido a la naturaleza "enterrada" de los orbitales f, el acoplamiento con vibraciones moleculares es débil. En consecuencia, los espectros de los iones lantánidos son bastante débiles y las bandas de absorción son igualmente estrechas. El vidrio que contiene óxido de holmio y soluciones de óxido de holmio (generalmente en ácido perclórico ) tienen picos de absorción óptica agudos en el rango espectral de 200 a 900 nm y se pueden usar como un estándar de calibración de longitud de onda para espectrofotómetros ópticos , [82] y están disponibles comercialmente. [83]
Como las transiciones ff están prohibidas por Laporte, una vez que se ha excitado un electrón, la desintegración al estado fundamental será lenta. Esto las hace adecuadas para su uso en láseres , ya que facilitan la inversión de población . El láser Nd:YAG es uno de los más utilizados. El vanadato de itrio dopado con europio fue el primer fósforo rojo que permitió el desarrollo de pantallas de televisión en color. [84] Los iones de lantánidos tienen notables propiedades luminiscentes debido a sus orbitales 4f únicos. Las transiciones ff prohibidas por Laporte se pueden activar mediante la excitación de un ligando "antena" unido. Esto conduce a bandas de emisión nítidas en todo el espectro visible, NIR e IR y a tiempos de vida de luminiscencia relativamente largos. [85]
La samarskita y minerales similares contienen lantánidos en asociación con elementos como el tántalo , el niobio , el hafnio , el circonio , el vanadio y el titanio , del grupo 4 y del grupo 5 , a menudo en estados de oxidación similares. La monacita es un fosfato de numerosos metales del grupo 3 + lantánidos + actínidos y se extrae especialmente por su contenido de torio y tierras raras específicas, especialmente lantano, itrio y cerio. El cerio y el lantano, así como otros miembros de la serie de tierras raras, a menudo se producen como un metal llamado mischmetal que contiene una mezcla variable de estos elementos, predominando el cerio y el lantano; tiene usos directos como pedernales para encendedores y otras fuentes de chispas que no requieren una purificación extensa de uno de estos metales. [13]
También hay minerales que contienen lantánidos basados en elementos del grupo 2, como la itrocalcita, la itrocerita y la itrofluorita, que varían en contenido de itrio, cerio, lantano y otros. [86] Otros minerales que contienen lantánidos incluyen bastnäsita , florencita , chernovita, perovskita , xenotima , cerita , gadolinita , lantanita , fergusonita , policrasa , blomstrandina , håleniusita , miserita, loparita , lepersonnita , euxenita , todos los cuales tienen un rango de concentración relativa de elementos y pueden ser denotados por uno predominante, como en monacita-(Ce) . Los elementos del grupo 3 no ocurren como minerales de elementos nativos a la manera del oro, la plata, el tantalio y muchos otros en la Tierra, pero pueden ocurrir en el suelo lunar . También se sabe que existen haluros muy raros de cerio, lantano y presumiblemente otros lantánidos, feldespatos y granates . [87]
La contracción de los lantánidos es responsable de la gran división geoquímica que divide a los lantánidos en minerales enriquecidos con lantánidos ligeros y pesados, siendo estos últimos casi inevitablemente asociados con el itrio y dominados por él. Esta división se refleja en las dos primeras "tierras raras" que se descubrieron: la itria (1794) y la ceria (1803). La división geoquímica ha colocado más lantánidos ligeros en la corteza terrestre, pero más miembros pesados en el manto terrestre. El resultado es que, aunque se encuentran grandes cuerpos minerales ricos en los lantánidos ligeros, los cuerpos minerales correspondientemente grandes para los miembros pesados son pocos. Los principales minerales son la monacita y la bastnäsita . Las arenas de monacita suelen contener todos los elementos lantánidos, pero los elementos más pesados faltan en la bastnäsita. Los lantánidos obedecen la regla de Oddo-Harkins : los elementos impares son menos abundantes que sus vecinos pares.
Tres de los elementos lantánidos tienen isótopos radiactivos con vidas medias largas ( 138 La, 147 Sm y 176 Lu) que pueden usarse para datar minerales y rocas de la Tierra, la Luna y meteoritos. [88] El prometio es efectivamente un elemento creado por el hombre , ya que todos sus isótopos son radiactivos con vidas medias más cortas que 20 años.
Los elementos lantánidos y sus compuestos tienen muchos usos, pero las cantidades consumidas son relativamente pequeñas en comparación con otros elementos. Unas 15.000 toneladas/año de lantánidos se consumen como catalizadores y en la producción de vidrios. Estas 15.000 toneladas corresponden a aproximadamente el 85% de la producción de lantánidos. Sin embargo, desde la perspectiva del valor, las aplicaciones en fósforos e imanes son más importantes. [89]
Los dispositivos en los que se utilizan elementos lantánidos incluyen superconductores , imanes de tierras raras de alto flujo de samario-cobalto y neodimio-hierro-boro , aleaciones de magnesio , pulidores electrónicos, catalizadores de refinación y componentes de automóviles híbridos (principalmente baterías e imanes). [90] Los iones lantánidos se utilizan como iones activos en materiales luminiscentes utilizados en aplicaciones optoelectrónicas , en particular el láser Nd:YAG . Los amplificadores de fibra dopada con erbio son dispositivos importantes en los sistemas de comunicación por fibra óptica. Los fósforos con dopantes lantánidos también se utilizan ampliamente en la tecnología de tubos de rayos catódicos , como los televisores. Los primeros CRT de televisión en color tenían un rojo de mala calidad; el europio como dopante de fósforo hizo posible buenos fósforos rojos. Las esferas de granate de itrio y hierro (YIG) pueden actuar como resonadores de microondas sintonizables.
Los óxidos de lantánidos se mezclan con tungsteno para mejorar sus propiedades de alta temperatura para la soldadura TIG , reemplazando al torio , que era ligeramente peligroso para trabajar. Muchos productos relacionados con la defensa también utilizan elementos lantánidos, como gafas de visión nocturna y telémetros . El radar SPY-1 utilizado en algunos buques de guerra equipados con Aegis y el sistema de propulsión híbrido de los destructores de la clase Arleigh Burke utilizan imanes de tierras raras en capacidades críticas. [91] El precio del óxido de lantano utilizado en el craqueo catalítico fluido ha aumentado de $ 5 por kilogramo a principios de 2010 a $ 140 por kilogramo en junio de 2011. [92]
La mayoría de los lantánidos se utilizan ampliamente en láseres y como (co-)dopantes en amplificadores ópticos de fibra dopada; por ejemplo, en amplificadores de fibra dopada con Er, que se utilizan como repetidores en los enlaces de transmisión de fibra óptica terrestres y submarinos que transportan tráfico de Internet. Estos elementos desvían la radiación ultravioleta e infrarroja y se utilizan comúnmente en la producción de lentes para gafas de sol. Otras aplicaciones se resumen en la siguiente tabla: [93]
El complejo Gd( DOTA ) se utiliza en imágenes por resonancia magnética .
Los complejos de lantánidos se pueden utilizar para la obtención de imágenes ópticas. Las aplicaciones están limitadas por la labilidad de los complejos. [94]
Algunas aplicaciones dependen de las propiedades de luminiscencia únicas de los quelatos o criptatos de lantánidos . [95] [96] Estos son adecuados para esta aplicación debido a sus grandes cambios de Stokes y vidas medias de emisión extremadamente largas (de microsegundos a milisegundos ) en comparación con fluoróforos más tradicionales (por ejemplo, fluoresceína , aloficocianina , ficoeritrina y rodamina ).
Los fluidos biológicos o sueros que se utilizan habitualmente en estas aplicaciones de investigación contienen muchos compuestos y proteínas que son naturalmente fluorescentes. Por lo tanto, el uso de la medición convencional de fluorescencia en estado estable presenta serias limitaciones en la sensibilidad del ensayo. Los fluoróforos de larga duración, como los lantánidos, combinados con la detección resuelta en el tiempo (un retraso entre la excitación y la detección de la emisión) minimizan la interferencia de fluorescencia inmediata.
La fluorometría resuelta en el tiempo (TRF) combinada con la transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET) ofrece una herramienta poderosa para los investigadores que buscan fármacos: la transferencia de energía por resonancia de Förster resuelta en el tiempo o TR-FRET. La TR-FRET combina el aspecto de bajo fondo de la TRF con el formato de ensayo homogéneo de la FRET. El ensayo resultante proporciona un aumento en la flexibilidad, la confiabilidad y la sensibilidad, además de un mayor rendimiento y menos resultados falsos positivos/falsos negativos.
Este método implica dos fluoróforos: un donante y un aceptor. La excitación del fluoróforo donante (en este caso, el complejo de iones lantánidos) por una fuente de energía (por ejemplo, una lámpara de destellos o un láser) produce una transferencia de energía al fluoróforo aceptor si se encuentran dentro de una determinada proximidad entre sí (conocida como radio de Förster ). El fluoróforo aceptor, a su vez, emite luz en su longitud de onda característica.
A continuación se muestran los dos lantánidos más utilizados en ensayos de ciencias de la vida junto con su colorante aceptor correspondiente, así como sus longitudes de onda de excitación y emisión y el desplazamiento de Stokes resultante (separación de las longitudes de onda de excitación y emisión).
Actualmente, existen investigaciones que demuestran que los elementos lantánidos pueden utilizarse como agentes anticancerígenos. El papel principal de los lantánidos en estos estudios es inhibir la proliferación de las células cancerosas. En concreto, se han estudiado el cerio y el lantano por su papel como agentes anticancerígenos.
Uno de los elementos específicos del grupo de los lantánidos que se ha probado y utilizado es el cerio (Ce). Se han realizado estudios que utilizan un complejo proteína-cerio para observar el efecto del cerio en las células cancerosas. La esperanza era inhibir la proliferación celular y promover la citotoxicidad. [97] Los receptores de transferrina en las células cancerosas, como las de las células de cáncer de mama y las células epiteliales cervicales, promueven la proliferación celular y la malignidad del cáncer. [97] La transferrina es una proteína que se utiliza para transportar hierro a las células y es necesaria para ayudar a las células cancerosas en la replicación del ADN. La transferrina actúa como un factor de crecimiento para las células cancerosas y depende del hierro. Las células cancerosas tienen niveles mucho más altos de receptores de transferrina que las células normales y dependen mucho del hierro para su proliferación. [97] En el campo de la resonancia magnética (MRI), los compuestos que contienen gadolinio se utilizan ampliamente. [98] Las características fotobiológicas, las actividades anticancerígenas, antileucémicas y anti-VIH de los lantánidos con cumarina y sus compuestos relacionados se demuestran por las actividades biológicas del complejo. [99] El cerio ha mostrado resultados como agente anticancerígeno debido a sus similitudes en estructura y bioquímica con el hierro. El cerio puede unirse en lugar del hierro a la transferrina y luego ser llevado a las células cancerosas por endocitosis mediada por el receptor de transferrina. [97] La unión del cerio a la transferrina en lugar del hierro inhibe la actividad de la transferrina en la célula. Esto crea un entorno tóxico para las células cancerosas y causa una disminución en el crecimiento celular. Este es el mecanismo propuesto para el efecto del cerio en las células cancerosas, aunque el mecanismo real puede ser más complejo en cuanto a cómo el cerio inhibe la proliferación de células cancerosas. Específicamente en células cancerosas HeLa estudiadas in vitro, la viabilidad celular disminuyó después de 48 a 72 horas de tratamientos con cerio. Las células tratadas sólo con cerio tuvieron disminuciones en la viabilidad celular, pero las células tratadas con cerio y transferrina tuvieron una inhibición más significativa de la actividad celular. [97] Otro elemento específico que se ha probado y utilizado como agente anticancerígeno es el lantano, más específicamente el cloruro de lantano (LaCl 3 ). El ion lantano se utiliza para afectar los niveles de let-7a y microARN miR-34a en una célula durante todo el ciclo celular. Cuando el ion lantano se introdujo en la célula in vivo o in vitro, inhibió el crecimiento rápido e indujo la apoptosis de las células cancerosas (específicamente las células de cáncer cervical). Este efecto fue causado por la regulación de let-7a y microARN por los iones lantano. [100]El mecanismo de este efecto aún no está claro, pero es posible que el lantano actúe de forma similar al cerio y se una a un ligando necesario para la proliferación de células cancerosas. En el campo de la resonancia magnética (MRI), los compuestos que contienen gadolinio se utilizan ampliamente.
Debido a su escasa distribución en la corteza terrestre y su baja solubilidad acuosa, los lantánidos tienen una baja disponibilidad en la biosfera y durante mucho tiempo no se supo que formaran parte de forma natural de ninguna molécula biológica. En 2007, se descubrió una nueva metanol deshidrogenasa que utiliza estrictamente los lantánidos como cofactores enzimáticos en una bacteria del filo Verrucomicrobiota , Methylacidiphilum fumariolicum . Se descubrió que esta bacteria sobrevive solo si hay lantánidos presentes en el medio ambiente. [101] En comparación con la mayoría de los demás elementos no dietéticos , los lantánidos no radiactivos se clasifican como de baja toxicidad. [89] También se ha observado el mismo requerimiento nutricional en Methylorubrum extorquens y Methylobacterium radiotolerans .
