Лантаноиды представляют собой серию элементов с атомными номерами от 57 (лантан) до 71 (лутий), расположенных в шестой периодической серии d‑блока переходных элементов. Они обладают характерной заполненной 4f-подоболочкой, что определяет их уникальные химические и физические свойства. Характерной особенностью лантаноидов является постепенное уменьшение атомных радиусов при увеличении заряда ядра — явление известно как лантанидная редукция, которая оказывает влияние на их химическую реактивность и сродство к образованию соединений.
Физические свойства лантаноидов включают высокую температуру плавления (от 920 до 1650 °C), плотность от 6,15 до 9,84 г/см³ и металлоподобный блеск. Эти элементы обладают высокой реакционной способностью, особенно при контакте с кислородом и водой, образуя оксиды и гидроксиды.
Лантаноиды преимущественно проявляют степень окисления +3, которая является наиболее стабильной. В некоторых случаях наблюдаются редкие степени окисления +2 (например, Eu²⁺, Yb²⁺) и +4 (Ce⁴⁺).
Взаимодействие с кислородом: при нагревании лантаноиды легко окисляются, образуя оксиды Ln₂O₃. Исключением является церий, способный образовывать CeO₂ в степени окисления +4.
Взаимодействие с галогенами: элементы реагируют с галогенами (F₂, Cl₂, Br₂, I₂) с образованием трёхгалогенидов LnX₃. Реакция протекает с выделением тепла, а тяжёлые лантаноиды могут формировать и соединения с валентностью +2 при мягких условиях.
Взаимодействие с кислотами: при растворении в минеральных кислотах (HCl, H₂SO₄) образуются соответствующие соли LnCl₃, Ln₂(SO₄)₃, которые характеризуются высокой гидратацией.
Взаимодействие с щелочами: щелочи и их растворы вызывают образование гидроксидов Ln(OH)₃, которые являются амфотерными для тяжёлых лантаноидов (например, Lu(OH)₃) и слабо растворимыми в воде.
Оксиды лантаноидов (Ln₂O₃) делятся на три типа кристаллических структур: кубическую, моноклинную и гексагональную, что зависит от размера атома. Все оксиды обладают высокой термической стабильностью, высокой твердостью и основными свойствами.
Гидроксиды (Ln(OH)₃) — аморфные или кристаллические вещества белого цвета, плохо растворимы в воде. Они проявляют кислотно-основные свойства: взаимодействуют с кислотами с образованием солей и могут частично растворяться в концентрированных щелочах.
Фториды и хлориды (LnF₃, LnCl₃) — высокостабильные соли, часто используются в металлургии и керамике. Фториды лантаноидов крайне тугоплавки, обладают низкой растворимостью в воде.
Сульфиды (Ln₂S₃) — получают нагреванием оксидов с серой. Сульфиды проявляют высокую термическую стабильность, тугоплавкость и электрохимическую активность.
Нитриды (LnN) — получают прямым взаимодействием с азотом при высоких температурах или термическим разложением аммонийных солей. Нитриды обладают высокой твердостью и устойчивы к коррозии.
Лантаноиды образуют комплексные соединения с полидентатными лигандами, включая этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА) и β-дикетоны. Эти комплексы обладают высоким сродством к 4f-электронам, что используется в аналитической химии для разделения и концентрирования отдельных лантаноидов.
Комплексообразование сопровождается изменением окраски растворов и повышением стабильности металлов в растворимых формах, что важно для промышленного извлечения и очистки.
Лантаноиды находят широкое применение в промышленности:
Лантаноиды отличаются высокой химической активностью и способностью образовывать многочисленные стабильные соединения, что делает их ключевыми элементами в современном материаловедении и химической технологии.