Grundstoffer: Lanthaniderne – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Grundstoffer: Lanthani...

24. juni 2008

Grundstoffer: Lanthaniderne

Hej NBI

Hvilke fysiske og kemiske egenskaber har lanthaniderne til fælles?  Er de alle ferromagnetiske som grundstof, eller skal de være en legering som f.eks kobalt-samarium og neodym (NdFeB)?

Med venlig hilsen
T C

Det er en serie af grundstoffer, hvor der er det samme antal elektroner i yderste skal, men hvor der sker en opfyldning af 4f- niveauet, dvs. der sker en opfyldning af en indre skal.

Det betyder, at deres kemiske egenskaber stort set er ens. Disse 14 grundstoffer fra nr. 58 til nr. 71 kaldes en overgangsgruppe.

Sammen med Scandium, Yttrium og Lanthan kaldes de "de sjældne jordarter". Kemisk set ligger de under overgangsgruppe III, dvs. de er trivalente metaller og stærkt elektropositive. Deres kemi er alle stort set som Lanthans, dvs. de reagerer med vand under brintudvikling, og de danner forholdsvis stærke baser, styrken er dog aftagende hen igennem rækken. 

"De sjældne jordarter", undtagen Promethium, er ikke sjældne i naturen, men findes som bestanddele i mange forskellige mineraler, som f.eks. monazit og bastnasite. De er dog vanskelige at udvinde fra mineralerne. Cerium, og i sjælden grad Terbium og Praseodym, kan optræde med valensen 4, og har i de tilfælde egenskaber tilfælles med IV undergruppe. Saltene er paramagnetiske og som regel farvede.

Et af de stoffer som har størst teknisk betydning er Cerium, som sammen med jern anvendes til lightersten. Cerium anvendes også i gasglødenet, stærklyslamper på basis af gas (benzin, petroleum). Det anvendes desuden i kulbuelamper som tilsætning til kullene for at give større lysudbytte.  En række af stofferne indgår i det fluorescerende lag i TV-skærme som giver farverne. Flere indgår også i specielle lasere.

Lanthan blev opdaget i 1839 af den svenske kemiker Carl Gustaf Mosander. Metallet er sølvhvidt og meget reaktivt, Det er blødt nok til at man kan skære i det med en kniv. Det oxideres hurtigt i luften. Lanthan og dets isotoper findes i fissionsfragmenter fra uranfission. Ved fissionen splittes uranatomet op i to nogenlunde lige store dele. Dette sker på mange måder, men herunder også en del der danner Lanthan.

Det var opdagelsen af Lanthan samt Barium der i 1939 fik Otto Hahn og Otto Frisch til at få ideen og forklaringen på kernefission (Hahn og  Frisch havde et årelangt samarbejde med Lise Meitner. Hun var den der først forstod betydningen af deres opdagelse, men som jøde var hun uønsket i Nazitidens Tyskland og  endte kort efteri Sverige)

Carl Gustaf Mosander (1797-1858)

Promethium findes ikke i naturen men laves ved reaktorreaktioner. De kendte isotoper har forholdsvis kort halveringstid, 2,6 og 17,7 år. Det findes dog i spektre fra en række stjerner i f.eks. Andromeda-galaksen.

Samarium og Europium selvantænder i luft helt ned til temperaturer på 150 ⁰C

Gadolinium  har to isotoper,  som er de kraftigste absorbere af neutroner som kendes. Metallet er ferromagnetisk med en Curietemperatur på 293 K og et magnetisk moment pr. atom, som ved mætning  er 7,63 µ(enheden er elektronens magnetiske moment, en "Bohr magneton") . I de øvrige lanthanide-metaller er der observeret mange forskelligartede ordnede strukturer, hvor de magnetiske momenter ændrer retning fra det ene atomare lag til det næste. Ved helt lave temperaturer bliver en række af dem ferromagnetiske. Det gælder Terbium ( Curie 220 K, 9,34 µB), Dysprosium ( Curie 85 K, 10,3 µB), Erbium (Curie 20 K, 8.0 µB) , Holmium (Curie 20 K, 1.8 µB). Til sammenligning Jern (Curie 1043 K, 2,22 µB), Cobalt (Curie 1390 K, 1,72 µB), Nikkel (Curie 631 K, 0,60 µB).

De sjældne jordarters metaller ordner først magnetisk ved så lave temperaturer, at de ikke er praktisk anvendelige magneter. Ved at blande dem med magnetiske overgangsmetaller med høje Curietemperaturer, kan dannes legeringer, som er ferromagnetiske ved stuetemperatur, som har en høj mætningsmagnetiseringen, og som er meget anisotrope.  Her udnyttes at de atomare momenter af de sjældne jordarter er meget større end elektronens, og at de har en kraftig tendens til at låse sig fast langs nogle få retninger i metallet. En række af de sjældne jordarter indgår derfor som vigtige komponenter i stærke moderne magneter, se tidligere besvarelse:  http://www.nbi.ku.dk/besoeg_os/spoerg_om_fysik/fysik/neodyniummagnet/

Med venlig hilsen
Jens Jensen, lektor
Malte Olsen