Элементы III б подгруппы
-
Общая характеристика элементов
-
Природные формы и методы получения металлов
-
Физические и химические свойства
-
Соединения элементов
-
Области применения
-
Общая характеристика элементов
Эта подгруппа занимает особое положение в Периодической системе. Формально она самая многочисленная – 32 химических элемента: помимо четырех d-элементов – скандия, иттрия, лантана и актиния – в состав группы входят два семейства f-элементов – лантаноиды-14 и актиноиды-14. Между элементами скандия, иттрия, лантана и лантаноидами много общего по их распространенности в природе, методам получения и свойствам металлов, а также по составу, структуре и свойствам образуемых ими химических соединений.
Все три элемента Sc, Y, La имеют по три валентных электрона (n –1) d1ns2 и открывают ряды d-элементов. Эти элементы практически имеют одну степень окисления (+3), причем низшие степени окисления не реализуются из-за неустойчивости электронной конфигурации d1, а высшая степень окисления (+4) невозможна из-за чрезвычайно устойчивости электронной конфигурации благородных газов.
Таблица 1
Основные характеристики элементов IIIБ подгруппы
Основные характеристики |
Sc |
Y |
La |
Атомная масса |
44,956 |
88,906 |
238,906 |
Атомный радиус, нм |
0,164 |
0,181 |
0,187 |
Потенциал ионизации, В Э0 → Э3+ + ē |
6,54 |
6,38 |
5,58 |
Ионный радиус Э3+, нм |
0,089 |
0,104 |
0,117 |
Электроотрицательность |
1,20 |
1,11 |
1,08 |
Содержание в земной коре, % (масс.) |
6 · 10-4 |
2,8 · 10-3 |
1,8 · 10-3 |
Плотность, г/см3 |
3,02 |
4,47 |
6,15; 6,19; 5,97 |
Температура кипения, °C |
2836 |
3337 |
3454 |
Температура плавления, °C |
1544 |
1520 |
920 |
Стандартный потенциал, эВ |
2,08 |
2,37 |
2,52 |
2. Природные формы и методы получения металлов
Скандий – типичный рассеянный литофильный элемент. Собственные минералы скандия – тортвейтит Sc2Si2O7, стереттит – ScPO4 · 2H2O – промышленного значения не имеют. Скандий содержится в вольфрамитах (Mn, Fe)WO4, касситеритах SnO, бокситах Al2O3 · xH2O, ильменитах, цирконах, урановых рудах, часто сопутствует рудам лантаноидов. Выделения Скандия весьма сложная задача ввиду его маленького содержания (от 0,01 – 1 %). Иттрий содержится во всех рудах, содержащих лантаноиды: монацит, бастенезит, апатит, лопарит и др. Как и скандий самостоятельных месторождений иттрий не образует, хотя имеет известные минералы, например, фергусонит YNbO4 и др. Лантан всегда встречается вместе с лантаноидами.
Получение скандия, иттрий и лантана из природного сырья всегда связано с предварительным обогащением и получением концентратов, которые затем перерабатывают в чистые соединения. Из концентратов после кислотного или щелочного выщелачивания или спекания извлекают отдельные элементы методами экстракции, осаждения или ионного обмена. Скандий обычно осаждают в виде гидроксида, фторида, оксалата или карбоната. Удобство этого метода заключается в том, что эти малорастворимые соли растворяются в избытке осадителя с образованием комплексов с анионами [ScF6]3-; [Sc(C2O4)3]3-.
При очень низкой концентрации скандия в растворе применяют ионный обмен. Металлический скандий был впервые получен в 1897 г. шведским ученым Л. Ф. Нильсоном и назван в честь Скандинавии, хотя за 9 лет до этого он был предсказан Менделеевым. В настоящее время металл получают тремя методами:
1) электролизом расплава хлорида скандия, лития и калия при температуре 700 – 800 °С с выделением металлического скандия на жидком катоде из цинка с последующей вакуумной отгонкой цинка, лития и калия из сплава Zn – Sc при 1250 °С;
2) электролизом расплава при температуре 800 °С;
3) восстановлением фторида или хлорида скандия кальцием пр температуре 1500 – 1600 °С.
Рафинирование скандия проводится вторичным электролизом, сублимацией в вакууме или вытягиванием монокристаллов из расплава.
Металлический иттрий впервые был получен в 1794 г. финским ученым Ф. Гадолином и назван по названию минерала иттербита, найденного в Швеции близ селения Иттербю.
Лантан был впервые получен шведским ученым К. Мосандером и назван от греческого слова скрываться.