ランタン

ランタン 、57La
ランタン
発音/ ˈ l æ n θ ə n ə m / ⓘ ​( LAN -thə-nəm )
外観銀白色
標準原子量 A r °(La)
  • 138.905 47 ± 0.000 07 [1]
  • 138.91 ± 0.01  （要約）[2]
周期表におけるランタン
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
–
↑
ラ
↓
アック
バリウム←ランタン→セリウム
原子番号 （Z）57
グループfブロックグループ（番号なし）
期間6期
ブロック  fブロック
電子配置[ Xe ] 5d 1 6s 2
殻あたりの電子数2、8、18、18、9、2
物理的特性
STPでの 位相固体
融点1193  K (920 °C、1688 °F)
沸点3737 K (3464 °C、6267 °F)
密度（20℃）6.145 g/cm 3  [3]
液体の場合（  mp）5.94 g/cm 3
融解熱6.20  kJ/モル
蒸発熱400 kJ/モル
モル熱容量27.11 J/(モル·K)
蒸気圧（外挿）
P （パ）1101001キロ1万10万
T （K）で 200522082458277231783726
原子の性質
酸化状態共通: +3
0, [4] +1, [5] +2 [6]
電気陰性度ポーリングスケール：1.10
イオン化エネルギー
  • 1位: 538.1 kJ/モル
  • 2位: 1067 kJ/mol
  • 3位: 1850.3 kJ/mol
原子半径経験的: 午後187時
共有結合半径午後207±8時
スペクトル範囲における色の線
ランタンのスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造α型：二重六方最密充填（dhcp）（hP4）
格子定数
α型の二重六方最密充填結晶構造：ランタン
a  = 0.37742 nm
c  = 1.2171 nm (20℃) [3]
熱膨張5.1 × 10 −6 /K（20℃）[3] [a]
熱伝導率13.4 W/(m⋅K)
電気抵抗率α, ポリ: 615 nΩ⋅m ( 室温で)
磁気秩序常磁性[7]
モル磁化率+118.0 × 10 -6  cm 3 /mol (298 K) [8]
ヤング率α型: 36.6 GPa
せん断弾性率α型: 14.3 GPa
体積弾性率α型: 27.9 GPa
音速の 細い棒2475 m/s（20℃）
ポアソン比αフォーム：0.280
モース硬度2.5
ビッカース硬度360～1750 MPa
ブリネル硬度350～400MPa
CAS番号7439-91-0
歴史
ネーミングギリシア語の λανθάνειν から、「隠れて横たわる」、セライトで「隠れる」という意味
発見カール・グスタフ・モサンダー（1838）
ランタンの同位体
主な同位体[9]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
137ラシンセ6 × 10 4 年ε137バ
138ラ0.0890%1.03 × 10 11 年β +138バ
β −西暦138年
139ラ99.9%安定した
140ラシンセ40.289時間β −西暦140年
 カテゴリー: ランタン
|参照

ランタンは化学元素であり、記号 La、原子番号57で表されます。柔らかく延性のある銀白色の金属 で、空気に触れると徐々に変色します。ランタンは、周期表でランタンとルテチウムの間にある15個の類似元素からなるランタノイド系列の最初で原型です。ランタンは伝統的に希土類元素に分類されます。他のほとんどの希土類元素と同様に、通常の酸化状態は+3ですが、+2の化合物も知られています。ランタンはヒトにおいて生物学的役割を担っていませんが、一部の細菌によって利用されています。ヒトに対して特に毒性はありませんが、ある程度の抗菌作用を示します。

ランタンは通常、セリウムや他の希土類元素と一緒に存在します。ランタンは、1839年にスウェーデンの化学者カール・グスタフ・モサンダーによって硝酸セリウムの不純物として初めて発見されました。そのため、古代ギリシャ語で「隠れている」を意味するλανθάνειν ( lanthanein ) にちなんでランタンという名前が付けられました。ランタンは希土類元素に分類されていますが、地殻では28番目に豊富な元素であり、鉛のほぼ3倍です。モナザイトやバストネサイトなどの鉱物では、ランタンはランタノイド含有量の約4分の1を構成しています。[10]これらの鉱物からランタンを抽出するプロセスは非常に複雑なため、純粋なランタン金属が単離されたのは1923年になってからでした。

ランタン化合物は、触媒、ガラス添加剤、スタジオ照明やプロジェクター用のカーボンアークランプ、ライターやトーチの点火素子、電子陰極、シンチレーター、ガスタングステンアーク溶接電極など、様々な用途に使用されています。炭酸ランタンは、腎不全に伴う血中リン濃度の上昇を治療するためのリン吸着剤として使用されます。

特徴

物理的な

ランタンはランタノイド系列の最初の元素であり、その原型である。周期表では、アルカリ土類金属の バリウムの右側、ランタノイドのセリウムの左側に位置する。ランタンについて書いている著者らは、一般的にランタンを f ブロック元素の最初とみなしている。[11] [12] [13] [14] [15]ランタン原子の 57 個の電子は[Xe]5d 1 6s 2の構成で配置され、3 つの価電子が希ガス核の外側にある。化学反応では、ランタンはほぼ常に 5d および 6sサブシェルからこれらの 3 つの価電子を放出して+3 の酸化状態を形成し、前述の希ガスであるキセノンの安定した構成を実現する。[16]いくつかのランタン(II) 化合物も知られているが、通常ははるかに安定性が低い。[17] [18]一酸化ランタン（LaO）は、いくつかの恒星のスペクトルにおいて強い吸収帯を生成する。[19]

ランタノイドの中で、ランタンは例外的で、単一の気相原子として 4f 電子を持たない。そのため、後のランタノイドの強い常磁性とは異なり、非常に弱い常磁性しか示さない（最後の 2 つであるイッテルビウムとルテチウムは例外で、これらの原子は 4f 殻が完全に満たされている）。[20]しかし、ランタンの 4f 殻は化学的環境下で部分的に占有され、化学結合に関与することがある。[21] [22]例えば、3価ランタノイド（ユーロピウムとイッテルビウムを除くすべて）の融点は、6s、5d、および 4f 電子の混成の程度に関係しており（4f の関与が増すほど低下する）[23]、ランタンの融点はその中で 2 番目に低く、920 °C である。 （ユーロピウムとイッテルビウムは、原子あたり3つではなく約2つの電子を非局在化するため、融点が低くなります。）[24] f軌道の化学的利用可能性は、ランタンが異常な基底状態構成にもかかわらず、fブロックに配置されることを正当化します[25] [26]（これは単に強い電子間反発の結果であり、4f殻を占有することは、小さく中心電子に近いため、あまり有利ではありません）。[27]

ランタノイドは、系列が進むにつれて硬くなります。予想通り、ランタンは柔らかい金属です。ランタンの常温抵抗率は615 nΩmと比較的高く、比較すると良導体であるアルミニウムの値はわずか26.50 nΩmです。 [28] [29]ランタンはランタノイドの中で最も揮発性が低いです。[30]ほとんどのランタノイドと同様に、ランタンは常温で六方晶系の結晶構造（ α -La）を示します。310 °Cでは面心立方構造（β -La）に、865 °Cでは体心立方構造（γ -La）に変化します。[29]

化学薬品

周期的傾向から予想されるように、ランタンはランタノイドの中で最も大きな原子半径を持っています。そのため、ランタンはランタノイドの中で最も反応性が高く、空気中では非常に急速に変色し、数時間後には完全に暗色になり、容易に燃焼してランタン(III)酸化物（La ）を形成します。
2お
3は、酸化カルシウムとほぼ同じくらい塩基性です。[31]ランタンのセンチメートルサイズのサンプルは、アルミニウム、スカンジウム、イットリウム、ルテチウムのような保護酸化物コーティングを形成する代わりに、その酸化物が鉄の錆のように剥離するため、1年で完全に腐食します。 [32]ランタンは室温でハロゲンと反応して三ハロゲン化物を形成し、温めると非金属の窒素、炭素、硫黄、リン、ホウ素、セレン、ケイ素、ヒ素と二元化合物を形成します。 [16] [17]ランタンは水とゆっくりと反応して水酸化ランタン(III)、La(OH)
3[ 33]希硫酸中では、ランタンは容易に水和三価イオン[La(H
2O)
9]3歳以上
: これは水溶液中では無色である。なぜならLa3歳以上
d電子もf電子も持たない。[33]ランタンは希土類元素の中で最も強く硬い塩基であり、これは希土類元素の中で最も大きいことからも予想される。[34]

ランタン(II)化合物もいくつか知られていますが、それらははるかに不安定です。[17]そのため、ランタンの化合物を正式に命名する際には、必ずその酸化数を明記する必要があります。

同位体

バリウム（ Z = 56）からネオジム（Z = 60）までの安定同位体（黒）を示す核種チャートからの抜粋

天然のランタンは2つの同位体から構成されており、安定同位体は139
Laと原始の長寿命放射性同位元素 138
ラ。139
Laは圧倒的に豊富で、天然ランタンの99.911%を占めています。S過程（低質量から中質量の恒星で起こる遅い中性子捕獲）とR過程（重力崩壊型超新星で起こる速い中性子捕獲）で生成されます。ランタンの唯一の安定同位体です。[35]非常に希少な同位体138
Laは数少ない原始奇奇核の一つであり、半減期は1.03×1011年。s過程やr過程では生成できない陽子過剰p核。138
ラ、さらに珍しい180メートル
Taは、ニュートリノが安定原子核と相互作用するν過程で生成される。 [36]他のランタン同位体はすべて合成である。137
半減期が約6万年のLaを除き、すべての同位体の半減期は2日未満で、ほとんどは1分未満です。139
ラと140
Laはウランの核分裂生成物として発生する。[37]

化合物

酸化ランタンは、構成元素の直接反応によって得られる白色固体です。ランタンのサイズが大きいため、3歳以上
イオン、ラ
2お
3六方7配位構造をとり、酸化スカンジウム（Sc
2お
3）および酸化イットリウム（Y
2お
3）を高温で加熱すると、水と反応して水酸化ランタンが生成されます。[38]反応中に大量の熱が発生し、シューという音が聞こえます。水酸化ランタンは大気中の二酸化炭素と反応して塩基性炭酸塩を形成します。[39]

フッ化ランタンは水に溶けないので、ランタンの存在の定性試験として使用できる。3歳以上
重ハロゲン化物はすべて非常に溶解性の高い潮解性化合物です。無水ハロゲン化物は、水和物を加熱すると加水分解が起こるため、元素同士の直接反応によって生成されます。例えば、水和LaClを加熱すると、
3LaOClを生成する。[39]

ランタンは水素と発熱反応を起こし、二水素化物LaHを生成する。
2、黒色で、自然発火性で、脆く、フッ化カルシウム構造を持つ導電性化合物である。[40]これは非化学量論的化合物であり、さらに水素を吸収することが可能であり、同時に電気伝導性は失われ、より塩のようなLaH
3到達しました。LaIのように
2およびLaI、LaH
2おそらくエレクトライド化合物である。[39]

Laのイオン半径が大きく、電気陽性率も高いため3歳以上
ランタンの結合には共有結合がほとんど寄与しないため、イットリウムや他のランタノイドと同様に、配位化学が限られている。 [41] ランタンシュウ酸はアルカリ金属シュウ酸塩溶液にほとんど溶解せず、[La(acac)
3（H
2O)
2]は約500℃で分解します。ランタン錯体において、酸素は最も一般的なドナー原子です。ランタン錯体はほとんどがイオン性で、配位数が6を超えることが多いです。中でも8が最も特徴的で、正方逆柱状および十二面体構造を形成します。これらの高配位種は、Laなどのキレート配位子を用いることで配位数が12まで達します。
2（それで
4）
3· 9(H
2O)は、立体化学的要因により対称性が低いことが多い。[41]

ランタンの化学は、その電子配置の都合上、π結合を伴わない傾向があるため、その有機金属化学は非常に限られている。最もよく特徴づけられている有機ランタン化合物は、シクロペンタジエニル錯体 La(C
5H
5）
3無水LaClを反応させることで生成される。
3NaCを含む
5H
5テトラヒドロフランおよびそのメチル置換誘導体[ 42]

歴史

ランタン、テルビウム、エルビウムを発見した科学者、カール・グスタフ・モザンダー

1751年、スウェーデンの鉱物学者アクセル・フレドリック・クロンステットはバストネス鉱山で重鉱物を発見し、後にセライトと名付けられた。30年後、鉱山所有者の家族の15歳のヴィルヘルム・ヒジンガーは、そのサンプルをカール・シェーレに送ったが、シェーレはその中に新しい元素は何も発見しなかった。1803年、ヒジンガーは鉄工所の学者になった後、イェンス・ヤコブ・ベルセリウスと共に再びこの鉱物を研究し、2年前に発見された準惑星ケレスにちなんでセリアと名付けた新しい酸化物を単離した。[43]セリアはドイツで同時にマルティン・ハインリヒ・クラプロートによって独立に単離された。[44] 1839年から1843年の間に、ベルセリウスと同じ家に住み、彼の下で学んだスウェーデンの外科医で化学者のカール・グスタフ・モサンダーは、セリアが酸化物の混合物であることを示し、さらに2つの酸化物を分離し、ランタナとジディミアと名付けました。[45] [46]彼は、硝酸セリウムのサンプルを空気中で焙焼し、得られた酸化物を希硝酸で処理することで、部分的に分解しました。[b] [48]同年、カロリンスカ研究所の学生であったアクセル・エルドマンは、ノルウェーのフィヨルドにあるラーヴェン島で新しい鉱物の中にランタンを発見しました。

ついにモサンデルは、セリウムから第二の元素を抽出し、これをジジムと名付けたと述べて、遅れた理由を説明した。彼は気づいていなかったが、ジジムも混合物であり、1885年にプラセオジムとネオジムに分離した。

ランタンの性質はセリウムとわずかに異なり、塩の形でセリウムと共存していたため、彼は古代ギリシャ語の 「隠された」を意味する「λανθάνειν」 [ランタネイン]にちなんでランタンと名付けました。[44]比較的純粋なランタン金属は1923年に初めて単離されました。[49]

発生と生成

ランタンは地殻中に39 mg/kg存在し[50] [51] 、ネオジム（ 41.5 mg/kg）とセリウム（66.5 mg/kg）に次ぐ含有量です。いわゆる「希土類金属」に分類されるランタンは、決して希少な元素ではありませんが、歴史的には石灰やマグネシアなどの「ありふれた土類元素」よりも希少であることから「希土類元素」と呼ばれています。また、採掘が困難で時間がかかり、費用もかかることから、「希土類元素」とみなされることも少なくありません。[17]ランタンは希土類鉱物において主要なランタノイド元素として見られることは稀であり、化学式では通常、セリウムが前に付きます。Laを主成分とする鉱物の稀な例としては、モナザイト（La）とランタナイト（La）があります。[52]

モナザイト砂からのランタン生産

ラ​3歳以上
イオンは、周期表ですぐ後に続くセリウムグループの初期のランタノイド（サマリウムとユーロピウムまで）とほぼ同じ大きさであるため、モナザイト（M III PO 4）やバストネサイト（M III CO 3 F ）などのリン酸塩、ケイ酸塩、炭酸塩鉱物に一緒に存在する傾向がある。ここで、Mはスカンジウムと放射性プロメチウム（主にCe、La、およびY）以外のすべての希土類金属を指す。 [53]バストネサイトには、通常、トリウムと重いランタノイドが不足しており、そこから軽いランタノイドを精製することはそれほど複雑ではない。鉱石は、破砕および粉砕された後、最初に熱い濃硫酸で処理され、二酸化炭素、フッ化水素、および四フッ化ケイ素が発生する。その後、製品は乾燥され、水で浸出され、ランタンを含む初期のランタノイドイオンが溶液中に残る。[54]

通常、トリウムだけでなく全ての希土類元素を含むモナザイトの分離手順はより複雑である。モナザイトは磁性を有するため、電磁分離を繰り返すことで分離できる。分離後、熱濃硫酸で処理して水溶性の希土類元素硫酸塩を生成する。酸性濾液は水酸化ナトリウムでpH 3～4に部分的に中和する。トリウムは水酸化物として溶液から沈殿するので、これを除去する。その後、溶液をシュウ酸アンモニウムで処理して希土類元素を不溶性のシュウ酸塩に変換する。シュウ酸塩はアニーリングによって酸化物に変換される。酸化物は硝酸に溶解するが、この硝酸は主成分の一つであるセリウムを除外する。セリウムの酸化物はHNOに不溶である。
3ランタンは結晶化によって硝酸アンモニウムとの複塩として分離されます。この塩は他の希土類元素の複塩に比べて溶解性が低いため、残留物中に残ります。[17]一部の残留物には以下の成分が含まれているため、取り扱いには注意が必要です。228
ラーの娘232
Thは強いガンマ線放出体である。ランタンは、隣接するランタノイドであるセリウムのみが存在するため、比較的容易に抽出できる。セリウムは+4価に酸化される性質を利用して除去することができる。その後、ランタンは、La ( NO
3）
3· 2 NH
4いいえ
3· 4時間
2O、またはより高い純度が必要な場合はイオン交換技術によって精製される。[54]

ランタン金属は、その酸化物から塩化アンモニウムまたはフッ化アンモニウムとフッ化水素酸を300～400℃で加熱して塩化物またはフッ化物を生成することによって得られる。 [17]

ラ
2お
3+ 6 NH
4Cl → 2 LaCl
3+ 6 NH
3+ 3時間
2お

続いて真空中またはアルゴン雰囲気中でアルカリ金属またはアルカリ土類金属による還元が行われる。[17]

塩化ランタン
3+ 3 Li → La + 3 LiCl

また、無水LaClの溶融混合物の電気分解によって純粋なランタンを生成することもできる。
3および高温でのNaClまたはKCl 。 [17]

アプリケーション

ランタンの最初の歴史的応用は、ガスランタンのマントルでした。カール・アウアー・フォン・ヴェルスバッハは、酸化ランタンと酸化ジルコニウムの混合物を使用し、これをアクチノフォアと名付け、1886年に特許を取得しました。当初のマントルは緑色がかった光を発し、あまり成功しませんでした。1887年にアツガースドルフに工場を設立した彼の最初の会社は、1889年に倒産しました。[55]

ランタンの現代的な用途には次のようなものがあります。

ラボ
6熱陰極

生物学的役割

ランタンはヒトにおいて生物学的役割が知られていない。経口投与後の吸収は非常に悪く、注射した場合も排泄は非常に遅い。炭酸ランタン（ホスレノール）は、末期腎疾患における過剰なリンの吸収を目的としたリン吸着剤として承認されている。[73]

ランタンはいくつかの受容体やイオンチャネルに薬理作用を示すが、GABA受容体への特異性は三価カチオンの中では特異性が高い。ランタンは、負のアロステリック調節因子として知られる亜鉛と同じGABA受容体の調節部位に作用する。ランタンカチオンLaは、3歳以上
は、天然および組換えGABA受容体に対する正のアロステリックモジュレーターであり、サブユニット構成依存的に開口チャネル時間を増加させ、脱感作を減少させる。[77]

ランタンは、メタン酸化細菌メチルアシディフィラム・フマリオリカムSolVのメタノール脱水素酵素の補因子であるが、ランタノイドの化学的類似性が高いため、セリウム、プラセオジム、ネオジムで代用しても悪影響はなく、より小さなサマリウム、ユーロピウム、ガドリニウムでも、成長が遅くなる以外に副作用はない。[78]

予防

ランタン
危険
GHSラベル：
GHS02: 可燃性
危険
H260
P223、P231+P232、P370+P378、P422 [79]
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideFlammability 4: Will rapidly or completely vaporize at normal atmospheric pressure and temperature, or is readily dispersed in air and will burn readily. Flash point below 23 °C (73 °F). E.g. propaneInstability 2: Undergoes violent chemical change at elevated temperatures and pressures, reacts violently with water, or may form explosive mixtures with water. E.g. white phosphorusSpecial hazard W: Reacts with water in an unusual or dangerous manner. E.g. sodium, sulfuric acid
0
4
2
W

ランタンは低～中程度の毒性があり、慎重に取り扱う必要があります。ランタン溶液を注射すると、高血糖、低血圧、脾臓の変性、肝臓の異常などを引き起こします。[要出典]炭素アーク灯への応用により、希土類元素の酸化物やフッ化物への曝露が起こり、塵肺症を引き起こすこともありました。[80] [81]ランタンは、3歳以上
イオンの大きさはCa2歳以上
ランタンは、他のランタノイドと同様に、コレステロール値、血圧、食欲、血液凝固リスクを低下させるなど、人体の代謝に影響を与えることが知られています。脳内に注射すると、モルヒネなどの麻薬と同様に鎮痛剤として作用しますが、そのメカニズムはまだ解明されていません。[82]ランタンは、通常、チュアブル錠または経口粉末として摂取されますが、消化管全体に陰影を作り出し、消化管造影検査の妨げとなる可能性があります。チュアブル錠を丸ごと飲み込むと、溶解しますが、最初は胃の中でコイン型の陰影として現れ、コインや電池などの金属片と混同される可能性があります。[83]

価格

希土類元素および戦略金属研究所（IREESM）によると、99%ランタン酸化物1トン（1000 kg）の価格（FOB中国、USD/Mt）は、2001年初頭から2010年9月までのほとんどの期間で2,000ドル以下であった（2008年の短期では10,000ドル）。その後、2011年半ばに140,000ドルまで急騰し、2012年初頭には38,000ドルまで同じように急速に下落した。[84]過去6か月間（2022年4月～9月）の平均価格は、IREESMによると以下のとおりである。ランタン酸化物 - 99.9%以上 FOB中国 - 1,308 EUR/mt、ランタン金属 - 99%以上 FOB中国 - 3,706 EUR/mt。[85]

注記

  1. ^ α-Laの熱膨張は異方性がある：各結晶軸のパラメータ（20℃）はα a  = 2.9 × 10 −6 /K、α c  = 9.5 × 10 −6 /K、α平均= α V /3 = 5.1 × 10 −6 /K.[3 ]
  2. ^ ベルセリウス（1839a）356ページより
    「セリウムの酸化物、通常の手続きによるセリテの追加、セリウムの所有権を維持するための新しい金属の変化、安全性の確保。Cette raison a M. モザンデルは、ランタンの新しい金属の名前を作りました。」
    [ 通常の手順でセライトから抽出されたセリウム酸化物には、その重量のほぼ5分の2が、セリウムと性質がわずかに異なる新金属酸化物に含まれており、いわば「隠れた」状態にあります。この理由から、モサンダー氏はこの新金属にランタンという名前を付けました。] [47]

参考文献

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