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Lantano

El lantano es un elemento químico ; tiene símbolo La y número atómico 57. Es un metal blando , dúctil , de color blanco plateado que se empaña lentamente cuando se expone al aire. Es el epónimo de la serie de los lantánidos , un grupo de 15 elementos similares entre el lantano y el lutecio en la tabla periódica , de los cuales el lantano es el primero y el prototipo. El lantano se cuenta tradicionalmente entre los elementos de tierras raras . Como la mayoría de los demás elementos de tierras raras, el estado de oxidación habitual es +3, aunque se conocen algunos compuestos con un estado de oxidación de +2. El lantano no tiene ninguna función biológica en los seres humanos, pero es esencial para algunas bacterias. No es particularmente tóxico para los humanos pero muestra cierta actividad antimicrobiana.

El lantano suele encontrarse junto con el cerio y otros elementos de tierras raras. El lantano fue descubierto por primera vez por el químico sueco Carl Gustaf Mosander en 1839 como una impureza en el nitrato de cerio ; de ahí el nombre lantano , del griego antiguo λανθάνειν ( lantano ), que significa "estar escondido". Aunque está clasificado como un elemento de tierras raras, el lantano es el 28º elemento más abundante en la corteza terrestre, casi tres veces más abundante que el plomo . En minerales como la monacita y la bastnäsita , el lantano constituye aproximadamente una cuarta parte del contenido de lantánidos. [8] Se extrae de esos minerales mediante un proceso de tal complejidad que el lantano metálico puro no se aisló hasta 1923.

Los compuestos de lantano tienen numerosas aplicaciones como catalizadores , aditivos en vidrio, lámparas de arco de carbón para proyectores y luces de estudio, elementos de ignición en encendedores y antorchas, cátodos de electrones , centelleadores , electrodos de soldadura por arco de tungsteno con gas y otras cosas. El carbonato de lantano se utiliza como quelante de fosfato en casos de niveles elevados de fosfato en la sangre que se observan con insuficiencia renal .

Características

Físico

El lantano es el primer elemento y prototipo de la serie de los lantánidos. En la tabla periódica, aparece a la derecha del bario , metal alcalinotérreo , y a la izquierda del lantánido cerio. Los autores que escriben sobre el tema generalmente consideran que el lantano es el primero de los elementos del bloque F. [9] [10] [11] [12] [13] Los 57 electrones de un átomo de lantano están dispuestos en la configuración [Xe]5d 1 6s 2 , con tres electrones de valencia fuera del núcleo del gas noble. En las reacciones químicas, el lantano casi siempre cede estos tres electrones de valencia de las subcapas 5d y 6s para formar el estado de oxidación +3, logrando la configuración estable del gas noble precedente xenón . [14] También se conocen algunos compuestos de lantano (II), pero suelen ser mucho menos estables. [15] [16] El monóxido de lantano (LaO) produce fuertes bandas de absorción en algunos espectros estelares . [17]

Entre los lantánidos, el lantano es excepcional ya que no tiene electrones 4f como átomo único en fase gaseosa. Por lo tanto, es sólo muy débilmente paramagnético , a diferencia de los lantánidos posteriores fuertemente paramagnéticos (con la excepción de los dos últimos, iterbio y lutecio , donde la capa 4f está completamente llena). [18] Sin embargo, la capa 4f del lantano puede ocuparse parcialmente en ambientes químicos y participar en enlaces químicos. [19] [20] Por ejemplo, los puntos de fusión de los lantánidos trivalentes (todos menos europio e iterbio) están relacionados con el grado de hibridación de los electrones 6s, 5d y 4f (disminuyendo a medida que aumenta la participación de 4f), [21] y el lantano tiene el segundo punto de fusión más bajo entre ellos: 920 °C. (El europio y el iterbio tienen puntos de fusión más bajos porque deslocalizan aproximadamente dos electrones por átomo en lugar de tres). [22] Esta disponibilidad química de los orbitales f justifica la colocación del lantano en el bloque f a pesar de su configuración anómala de estado fundamental [23] [24 ] (que es simplemente el resultado de una fuerte repulsión interelectrónica que hace menos rentable ocupar la capa 4f, ya que es pequeña y está cerca de los electrones del núcleo). [25]

Los lantánidos se vuelven más duros a medida que se recorre la serie: como era de esperar, el lantano es un metal blando. El lantano tiene una resistividad relativamente alta de 615 nΩm a temperatura ambiente; En comparación, el valor del aluminio, buen conductor, es de sólo 26,50 nΩm. [26] [27] El lantano es el menos volátil de los lantánidos. [28] Como la mayoría de los lantánidos, el lantano tiene una estructura cristalina hexagonal a temperatura ambiente. A 310 °C, el lantano cambia a una estructura cúbica centrada en las caras y a 865 °C, cambia a una estructura cúbica centrada en el cuerpo . [27]

Químico

Como se esperaba de las tendencias periódicas , el lantano tiene el radio atómico más grande de los lantánidos. Por lo tanto, es el más reactivo entre ellos, se empaña bastante rápidamente en el aire, se vuelve completamente oscuro después de varias horas y puede arder fácilmente para formar óxido de lantano (III) , La 2 O 3 , que es casi tan básico como el óxido de calcio . [29] Una muestra de lantano del tamaño de un centímetro se corroerá completamente en un año a medida que su óxido se desconcha como el óxido de hierro , en lugar de formar una capa protectora de óxido como el aluminio , el escandio, el itrio y el lutecio. [30] El lantano reacciona con los halógenos a temperatura ambiente para formar trihaluros y, al calentarse, forma compuestos binarios con los no metales nitrógeno, carbono, azufre, fósforo, boro, selenio, silicio y arsénico. [14] [15] El lantano reacciona lentamente con el agua para formar hidróxido de lantano (III) , La(OH) 3 . [31] En ácido sulfúrico diluido , el lantano forma fácilmente el ion tripositivo acuoso [La(H 2 O) 9 ] 3+ : este es incoloro en solución acuosa ya que La 3+ no tiene electrones d o f. [31] El lantano es la base más fuerte y dura entre las tierras raras , lo que también se espera de que sea el más grande de ellos. [32]

También se conocen algunos compuestos de lantano (II), pero son mucho menos estables. [15] Por lo tanto, al nombrar oficialmente compuestos de lantano, siempre se debe mencionar su número de oxidación.

Isótopos

Extracto del gráfico de nucleidos que muestra isótopos estables (negro) desde bario ( Z = 56 ) hasta neodimio ( Z = 60 )

El lantano natural se compone de dos isótopos, el estable 139 La y el radioisótopo primordial de larga vida 138 La. 139 La es, con diferencia, el más abundante y constituye el 99,910 % del lantano natural: se produce en el proceso s ( captura lenta de neutrones , que ocurre en estrellas de masa baja a media) y el proceso r (captura rápida de neutrones, que ocurre en supernovas de colapso del núcleo ). Es el único isótopo estable del lantano. [33] El muy raro isótopo 138 La es uno de los pocos núcleos impares primordiales , con una vida media larga de 1,05 × 10 11  años. Es uno de los núcleos p ricos en protones que no se pueden producir en los procesos s o r . 138 La, junto con el aún más raro 180m Ta , se produce en el proceso ν, donde los neutrinos interactúan con núcleos estables. [34] Todos los demás isótopos de lantano son sintéticos : con la excepción del 137 La, que tiene una vida media de unos 60.000 años, todos tienen una vida media inferior a dos días y la mayoría tiene una vida media inferior a un minuto. Los isótopos 139 La y 140 La se encuentran como productos de fisión del uranio. [33]

Compuestos

El óxido de lantano es un sólido blanco que se puede preparar mediante reacción directa de sus elementos constituyentes. Debido al gran tamaño del ion La 3+ , La 2 O 3 adopta una estructura hexagonal de 7 coordenadas que cambia a la estructura de 6 coordenadas del óxido de escandio (Sc 2 O 3 ) y el óxido de itrio (Y 2 O 3 ) en alta temperatura. Cuando reacciona con el agua, se forma hidróxido de lantano : [35] en la reacción se desprende mucho calor y se escucha un silbido. El hidróxido de lantano reaccionará con el dióxido de carbono atmosférico para formar el carbonato básico. [36]

El fluoruro de lantano es insoluble en agua y puede usarse como prueba cualitativa para detectar la presencia de La 3+ . Los haluros más pesados ​​son todos compuestos delicuescentes muy solubles . Los haluros anhidros se producen por reacción directa de sus elementos, ya que calentar los hidratos provoca la hidrólisis: por ejemplo, calentar LaCl 3 hidratado produce LaOCl. [36]

El lantano reacciona exotérmicamente con el hidrógeno para producir el dihidruro LaH 2 , un compuesto negro, pirofórico , quebradizo y conductor con estructura de fluoruro de calcio . [37] Este es un compuesto no estequiométrico, y es posible una mayor absorción de hidrógeno, con una pérdida concomitante de conductividad eléctrica, hasta que se alcanza el LaH 3 más parecido a una sal. [36] Al igual que LaI 2 y LaI, LaH 2 es probablemente un compuesto electruro . [36]

Debido al gran radio iónico y la gran electropositividad del La 3+ , no hay mucha contribución covalente a su enlace y por lo tanto tiene una química de coordinación limitada , como el itrio y los otros lantánidos. [38] El oxalato de lantano no se disuelve mucho en soluciones de oxalato de metales alcalinos, y [La(acac) 3 (H 2 O) 2 ] se descompone alrededor de 500 °C. El oxígeno es el átomo donador más común en los complejos de lantano, que son en su mayoría iónicos y a menudo tienen números de coordinación altos, superiores a 6: 8 es el más característico, formando estructuras cuadradas antiprismáticas y dodecadeltaédricas . Estas especies de alta coordinación, que alcanzan el número de coordinación 12 con el uso de ligandos quelantes como en La 2 (SO 4 ) 3 ·9H 2 O, a menudo tienen un bajo grado de simetría debido a factores estereoquímicos. [38]

La química del lantano tiende a no implicar enlaces π debido a la configuración electrónica del elemento: por lo tanto, su química organometálica es bastante limitada. Los compuestos de organolantano mejor caracterizados son el complejo de ciclopentadienilo La(C 5 H 5 ) 3 , que se produce al hacer reaccionar LaCl 3 anhidro con NaC 5 H 5 en tetrahidrofurano , y sus derivados sustituidos con metilo. [39]

Historia

Carl Gustaf Mosander , el científico que descubrió el lantano, además del terbio y el erbio

En 1751, el mineralogista sueco Axel Fredrik Cronstedt descubrió un mineral pesado en la mina de Bastnäs , más tarde llamado cerita . Treinta años después, Wilhelm Hisinger , de quince años, de la familia propietaria de la mina, envió una muestra a Carl Scheele , quien no encontró ningún elemento nuevo en su interior. En 1803, después de que Hisinger se convirtiera en un maestro del hierro, volvió al mineral con Jöns Jacob Berzelius y aisló un nuevo óxido al que llamaron ceria en honor al planeta enano Ceres , que había sido descubierto dos años antes. [40] Ceria fue aislada simultáneamente de forma independiente en Alemania por Martin Heinrich Klaproth . [41] Entre 1839 y 1843, el cirujano y químico sueco Carl Gustaf Mosander , que vivía en la misma casa que Berzelius y estudió con él, demostró que la ceria era una mezcla de óxidos : separó otros dos óxidos a los que llamó lanthana. y didymia . [42] [43] Descompuso parcialmente una muestra de nitrato de cerio tostándola al aire y luego tratando el óxido resultante con ácido nítrico diluido . [44] Ese mismo año, Axel Erdmann , estudiante también del Instituto Karolinska, descubrió lantano en un nuevo mineral procedente de la isla de Låven situada en un fiordo noruego.

Finalmente, Mosander explicó su retraso, diciendo que había extraído un segundo elemento del cerio, al que llamó didimio. Aunque no lo sabía, el didimio también era una mezcla, y en 1885 se separó en praseodimio y neodimio.

Como las propiedades del lantano se diferenciaban poco de las del cerio y se encontraban con él en sus sales, lo llamó del griego antiguo λανθάνειν [ lantano ] (literalmente, permanecer oculto ). [41] El lantano metálico relativamente puro se aisló por primera vez en 1923. [15]

Ocurrencia y producción

El lantano es el tercero más abundante de todos los lantánidos y constituye 39 mg/kg de la corteza terrestre, detrás del neodimio con 41,5 mg/kg y el cerio con 66,5 mg/kg. Es casi tres veces más abundante que el plomo en la corteza terrestre. [45] A pesar de estar entre los llamados "metales de tierras raras", el lantano no es raro en absoluto, pero históricamente se llama así porque es más raro que las "tierras comunes" como la cal y la magnesia, e históricamente sólo unas pocas Se conocían los depósitos. El lantano se considera un metal de tierras raras porque el proceso para extraerlo es difícil, requiere mucho tiempo y es costoso. [15] El lantano rara vez es el lantánido dominante que se encuentra en los minerales de tierras raras, y en sus fórmulas químicas suele ir precedido por el cerio. Ejemplos raros de minerales dominantes en La son la monacita-(La) y lantanita-(La). [46]

Producción de lantano a partir de arena de monacita.

El ion La 3+ tiene un tamaño similar al de los primeros lantánidos del grupo del cerio (aquellos hasta el samario y el europio ) que le siguen inmediatamente en la tabla periódica y, por lo tanto, tiende a aparecer junto con ellos en minerales de fosfato , silicato y carbonato , como como monacita (M III PO 4 ) y bastnäsita (M III CO 3 F), donde M se refiere a todos los metales de tierras raras excepto el escandio y el prometio radiactivo (principalmente Ce, La e Y). [47] La ​​bastnäsita suele faltar en el torio y en los lantánidos pesados, y la purificación de los lantánidos ligeros es menos complicada. El mineral, después de ser triturado y molido, se trata primero con ácido sulfúrico concentrado caliente, desprendiendo dióxido de carbono, fluoruro de hidrógeno y tetrafluoruro de silicio : luego el producto se seca y se lixivia con agua, dejando en solución los primeros iones de lantánidos, incluido el lantano. . [48]

El procedimiento para la monacita, que normalmente contiene todas las tierras raras además del torio, es más complicado. La monacita, debido a sus propiedades magnéticas, se puede separar mediante separación electromagnética repetida. Después de la separación, se trata con ácido sulfúrico concentrado caliente para producir sulfatos de tierras raras solubles en agua. Los filtrados ácidos se neutralizan parcialmente con hidróxido de sodio hasta un pH de 3 a 4. El torio precipita de la solución en forma de hidróxido y se elimina. Después de eso, la solución se trata con oxalato de amonio para convertir las tierras raras en sus oxalatos insolubles . Los oxalatos se convierten en óxidos mediante recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico que excluye uno de los componentes principales, el cerio , cuyo óxido es insoluble en HNO 3 . El lantano se separa como una sal doble con nitrato de amonio mediante cristalización. Esta sal es relativamente menos soluble que otras sales dobles de tierras raras y, por tanto, permanece en el residuo. [15] Se debe tener cuidado al manipular algunos de los residuos, ya que contienen 228 Ra , hija del 232 Th, que es un potente emisor gamma. [48] ​​El lantano es relativamente fácil de extraer ya que solo tiene un lantánido vecino, el cerio, que puede eliminarse aprovechando su capacidad para oxidarse al estado +4; posteriormente, el lantano puede separarse mediante el método histórico de cristalización fraccionada de La(NO 3 ) 3 ·2NH 4 NO 3 ·4H 2 O, o mediante técnicas de intercambio iónico cuando se desea una mayor pureza. [48]

El lantano metálico se obtiene a partir de su óxido calentándolo con cloruro o fluoruro de amonio y ácido fluorhídrico a 300-400 °C para producir el cloruro o fluoruro: [15]

La 2 O 3 + 6 NH 4 Cl → 2 LaCl 3 + 6 NH 3 + 3 H 2 O

A esto le sigue la reducción con metales alcalinos o alcalinotérreos al vacío o en atmósfera de argón: [15]

LaCl 3 + 3 Li → La + 3 LiCl

Además, el lantano puro se puede producir mediante electrólisis de una mezcla fundida de LaCl 3 anhidro y NaCl o KCl a temperaturas elevadas. [15]

Aplicaciones

Una lámpara de gas blanca Coleman ardiendo a pleno brillo

La primera aplicación histórica del lantano fue en las lámparas de gas . Carl Auer von Welsbach utilizó una mezcla de óxido de lantano y óxido de circonio , a la que llamó Actinóforo y que patentó en 1886. Las repisas originales daban una luz teñida de verde y no tuvieron mucho éxito, y su primera empresa, que estableció una fábrica en Atzgersdorf en 1887, fracasó en 1889. [49]

Los usos modernos del lantano incluyen:

Laboratorio
6cátodo caliente
Comparación de la transmitancia infrarroja del vidrio ZBLAN y la sílice

papel biológico

El lantano no tiene ningún papel biológico conocido en los seres humanos. El elemento se absorbe muy mal tras la administración oral y cuando se inyecta su eliminación es muy lenta. El carbonato de lantano (Fosrenol) fue aprobado como quelante de fosfato para absorber el exceso de fosfato en casos de enfermedad renal terminal . [67]

Si bien el lantano tiene efectos farmacológicos sobre varios receptores y canales iónicos, su especificidad por el receptor GABA es única entre los cationes trivalentes. El lantano actúa en el mismo sitio modulador del receptor GABA que el zinc , un conocido modulador alostérico negativo . El catión de lantano La 3+ es un modulador alostérico positivo en los receptores GABA nativos y recombinantes, lo que aumenta el tiempo del canal abierto y disminuye la desensibilización de una manera dependiente de la configuración de la subunidad. [71]

El lantano es un cofactor esencial de la metanol deshidrogenasa de la bacteria metanotrófica Methylacidiphilum fumariolicum SolV, aunque la gran similitud química de los lantánidos hace que pueda sustituirse por cerio, praseodimio o neodimio sin efectos nocivos, y por el samario, de menor tamaño, europio. o gadolinio que no produce otros efectos secundarios que un crecimiento más lento. [72]

Precauciones

El lantano tiene un nivel de toxicidad de bajo a moderado y debe manipularse con cuidado. La inyección de soluciones de lantano produce hiperglucemia , presión arterial baja, degeneración del bazo y alteraciones hepáticas . [ cita necesaria ] La aplicación en la luz de arco de carbono provocó la exposición de las personas a óxidos y fluoruros de elementos de tierras raras, lo que a veces provocó neumoconiosis . [74] [75] Como el ion La 3+ es similar en tamaño al ion Ca 2+ , a veces se utiliza como un sustituto fácil de rastrear para este último en estudios médicos. [76] Se sabe que el lantano, al igual que los otros lantánidos, afecta el metabolismo humano, reduciendo los niveles de colesterol, la presión arterial, el apetito y el riesgo de coagulación sanguínea. Cuando se inyecta en el cerebro, actúa como analgésico, de manera similar a la morfina y otros opiáceos, aunque aún se desconoce el mecanismo detrás de esto. [76] El lantano destinado a la ingestión, generalmente en forma de tableta masticable o polvo oral, puede interferir con las imágenes gastrointestinales al crear opacidades en todo el tracto gastrointestinal; Si las tabletas masticables se tragan enteras, se disolverán, pero inicialmente se presentarán como opacidades en forma de moneda en el estómago, potencialmente confundidas con objetos metálicos ingeridos, como monedas o baterías. [77]

Precios

El Instituto de Elementos de Tierras Raras y Metales Estratégicos indica que el precio de una tonelada (métrica) [1000 kg] de óxido de lantano al 99% (FOB China en USD/Mt) es inferior a 2000 dólares durante la mayor parte del período comprendido entre principios de 2001 y septiembre. 2010 (a 10.000 dólares a corto plazo en 2008); aumentó bruscamente hasta los 140.000 dólares a mediados de 2011 y volvió a caer con la misma rapidez hasta los 38.000 dólares a principios de 2012. [78] El precio medio de los últimos seis meses (de abril a septiembre de 2022) lo proporciona el Instituto de la siguiente manera: Óxido de lantano - 99,9 % min FOB China - 1308 EUR/tm y para Lantano Metal - 99%min FOB China - 3706 EUR/tm . [79]

Ver también

| CASNo_Ref = | Número CAS = 7439–91–0 | UNII_Ref = | UNII = 6I3K30563S controlarY controlarY

Referencias

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Bibliografía

Otras lecturas