Скандий, иттрий, лантан, актиний

Распространение в природе и получение.

В природе встречаются устойчивые изотопы скандия, иттрия, лантана.

Радиоактивный актиний не имеет устойчивых изотопов (наиболее устойчив ²8qAc с периодом полураспада 21,6 года). Содержание скандия в земной коре не так уж мало, оно примерно такое же, как для мышьяка, и в 2 раза больше, чем бора. Но элементы ШВ-подгруппы — это рассеянные и редкие металлы. Встречаются минералы, относительно богатые этими элементами. Например, тортвейтит содержит 43% (мае.) оксида скандия (Ш), а гадолииит — 46,5% (мае.) иттрия. Однако эти минералы настолько рассеяны, что переработка их связана с обязательным концентрированием (отделением от большого количества пустой породы).

Поскольку металлы ШВ-подгруппы имеют отрицательные значения стандартных электродных потенциалов (см. табл. 9.1), получают скандий, иттрий и лантан электролизом расплавленных хлоридов или нитратов; для понижения температур плавления добавляют соли других металлов. Например, скандий получают электролизом (на цинковом катоде) расплавленной смеси хлоридов скандия ScCl₃, калия и лития при 700 °C.

Помимо этого, скандий, иттрий и лантан восстанавливают (при высокой температуре) из их хлоридов или фторидов наиболее активными металлами (калием, кальцием). Например:

Физические и химические свойства. Скандий, иттрий и лантан — серебристо-белые металлы, существующие в двух кристаллических модификациях с различными типами и параметрами решеток.

В химических реакциях атомы скандия, иттрия и лантана теряют по три электрона и ведут себя как сильные восстановители (наиболее активен лантан).

По химической активности элементы подгруппы скандия уступают лишь щелочным и щелочноземельным металлам.

При обычной температуре поверхность металлов окисляется кислородом с образованием защитных пленок, но при нагревании эти металлы горят в кислороде и образуют оксиды типа Э₂0₃. Скандий и иттрий устойчивы на воздухе, а лантан легко окисляется:

Другие неметаллы (галогены, сера, азот) взаимодействуют с ними при нагревании с образованием галогенидов, сульфидов, нитридов. Многочисленные соединения актиния пока мало исследованы.

Металлический лантан непосредственно реагирует с азотом с образованием нитрида LaN, с водородом образует гидрид LaH₃, с бором и углеродом образуются бориды и карбиды различного состава.

С водой скандий и иттрий взаимодействуют медленно, образующиеся при этом гидроксиды покрывают металлы защитной пленкой, а лантан уже в обычных условиях разлагает воду с выделением водорода:

Все эти три металла растворяются в разбавленных кислотах, но не растворяются в щелочах:

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой, как и в случае щелочноземельных металлов, образуется нитрат аммония NH₄N0₃:

/-Элементы семейства лантана (лантаноиды) также являются сильными восстановителями, их активность от церия к лютецию уменьшается. При окислении атомы лантаноидов, как правило, проявляют валентность, равную трем. Первые пять элементов от церия до европия, включая лантан, называются цериевыми элементами. Остальные элементы вместе с иттрием называются иттриевыми элементами. Они являются более тугоплавкими металлами, чем цериевые. Упомянутое деление основано на том, что в одних природных минералах сосредоточены преимущественно цериевые элементы, из которых наиболее распространенным является церий, а в других — иттрий вместе с остальными элементами.

Восстановительные свойства цериевых элементов, имеющих больший радиус атома, выражены сильнее, чем иттриевых элементов.

Свойства соединений элементов III В-подгруппы. Состав соединений скандия, иттрия и лантана аналогичен составу соединений алюминия, по их свойства подобны свойствам щелочноземельных металлов. Эта близость более резко выражена у иттрия и лантана, чем у скандия, который в этом отношении ближе к алюминию.

Оксиды скандия, иттрия и лантана (Э₂0₃) бесцветны, тугоплавки, получаются обычно разложением карбонатов, оксалатов или нитратов, например:

Оксид скандия обладает амфотерными свойствами (чем похож на алюминий):

Оксиды иттрия и лантана обладают основным характером, они энергично реагируют с водой, образуя гидроксиды:

Гидроксиды мало растворимы в воде, но легко растворяются в кислотах.

Соли скандия, иттрия и лантана бесцветны, из водных растворов кристаллизуются в виде аквасоединений. Хлориды, нитраты и ацетаты этих металлов растворимы в воде, гидролизуются в незначительной степени.

Положительные ионы скандия, иттрия и лантана имеют координационные числа от 3 до 6. Важнейшие лиганды в комплексах этих металлов — это фторид-, карбонати оксалат-ионы. Например, ион скандия Sc³⁺ образует с фторид-ионами комплексные соединения:

При растворении карбоната лантана в избытке раствора карбоната калия также получается комплексное соединение:

Кроме карбонатных, известны также сульфатные и оксалатные комплексы скандия, иттрия и лантана, например, K₃[Sc (SO₍₁)₃], K₃|Y (C0₃)₃], K₃[La (C₂0₄)₃].

Применение. Оксид скандия (Ш) используют при изготовлении ферритов и других деталей в радиотехнике.

Оксид иттрия (Ш) Y₂0₃ высокой чистоты также идет на изготовление иттриевых ферритов (используемых в радиоэлектронике, в слуховых приборах). Изотоп применяют в медицине для лечения (источник излучения).

Оксид лантаиа (Ш) La₂0₃ добавляют к оптическому стеклу для повышения показателя преломления. Присадка лантана к сталям, чугуну и сплавам цветных металлов повышает их устойчивость к коррозии и жаростойкость, улучшает механические свойства.

Применение актиния ограничено тем, что он опасный а-излучатель, а все соединения его ядовиты.

Токсичность элементов.

Воздействие на людей скандия, иттрия, лантана и РЗЭ обычно происходит в условиях промышленного производства при вдыхании воздуха, содержащего распыленные примеси этих элементов, а также у лиц, занятых в процессах получения и переработки руд. Содержание следов хлоридов скандия, иттрия, лантана в воздухе до 0,001—0,005% об. соответствует их предельно допустимой концентрации (ПДК).