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Los lantánidos son una serie de 15 elementos de la tabla periódica numerados del 57 al 71. Forman parte de las tierras raras, junto con el escandio y el itrio. Su nombre proviene del lantano, el primer elemento de la familia (número atómico 57) cuyo símbolo químico es La. Este se utiliza a menudo como referencia para caracterizar las propiedades químicas y físicas de la serie de los lantánidos en su conjunto. Es relativamente abundante en la corteza terrestre, pero raramente se encuentra en forma pura en la naturaleza. En la mayoría de los casos, se extrae de minerales de tierras raras. Este metal suave, plateado y reactivo puede combinarse fácilmente con otros elementos para formar compuestos químicos. Este elemento se utiliza en la producción de imanes permanentes, baterías recargables, vidrios especiales, pigmentos, catalizadores, aleaciones y otros productos industriales y comerciales.
El símbolo colectivo de los lantánidos es Ln. Con excepción del lutecio, que pertenece al bloque d, todos los elementos están en el bloque f. Todos forman cationes trivalentes Ln3+ que tienen una configuración electrónica externa similar con tres electrones de valencia faltantes. Su química está determinada principalmente por su radio iónico, que disminuye regularmente del lantano al lutecio. Esta variación en el tamaño de los iones Ln3+ afecta su reactividad química y su capacidad para formar complejos con otros iones o moléculas.
Los lantánidos tienen un uso importante en diversas aplicaciones industriales y tecnológicas, así como en la ciencia y la medicina. Sus 10 primeros elementos son el lantano, el cerio, el praseodimio, el neodimio, el prometio, el samario, el europio, el gadolinio, el terbio y el disprosio. Los 5 restantes incluyen el holmio, el erbio, el tulio, el iterbio y el lutecio.
Los lantánidos son metales brillantes con superficie plateada que tienden a empañarse rápidamente cuando se exponen al aire libre. Su dureza aumenta con su número atómico. En comparación con otros elementos metálicos, excepto los metales de transición, sus temperaturas de fusión y ebullición son relativamente altas. Los lantánidos son muy reactivos con la mayoría de los no metales y pueden arder en el aire. Esta propiedad se utiliza en la fabricación de piedras para encendedores que están diseñadas a partir de una aleación de lantánidos llamada mischmetal.
Aunque su nombre sugiere lo contrario, los elementos de los lantánidos no se consideran raros en la naturaleza. De hecho, algunos de ellos, como el cerio, son más abundantes en la corteza terrestre que metales comúnmente utilizados como el cobre. El neodimio también está presente en cantidades importantes, superando incluso al cobalto en abundancia. El lutecio, aunque es el menos abundante de los lantánidos no radioactivos, es aún más común que la plata. En cuanto al tulio, es más abundante que el yodo.
La profusión de los lantánidos parece confirmar el efecto de Oddo-Harkins, cuya observación fue realizada por primera vez en 1914 por químicos italianos. Según esta regla empírica, los elementos con número atómico superior a 4 son más frecuentes en el universo cuando su número atómico es par.
Aunque el prometio se considera un lantánido, en realidad es el único elemento de esta familia que es radioactivo. Es decir, es capaz de sufrir una desintegración radiactiva espontánea. Esto ocurre cuando el núcleo del átomo inestable se descompone emitiendo partículas subatómicas y/o fotones (radiación gamma).
Las propiedades físicas y químicas de los 15 elementos de los lantánidos se resumen en la siguiente tabla.
| Elemento | Masa atómica | Densidad | Temperatura de ebullición | Temperatura de fusión | Radio atómico |
| Lantano | 138,905 47 u | 6,162 g·cm-3 | 3 464 °C | 920 °C | 187 pm |
| Cerio | 140,116(1) u | 6,770 g·cm-3 | 3 443 °C | 795 °C | 181,8 pm |
| Praseodimio | 140,907 66 u | 6,77 g·cm-3 | 3 130 °C | 935 °C | 182 pm |
| Neodimio | 144,242(3) u | 7,01 g·cm-3 | 3 074 °C | 1 024 °C | 181 pm |
| Prometio | [145] | 7,26 g·cm-3 | 3 000 °C | 1 042 °C | 183 pm |
| Samario | 150,36(2) u | 7,52 g·cm-3 | 1 900 °C | 1 072 °C | 180 pm |
| Europio | 151,964(1) u | 5,264 g·cm-3 | 1 529 °C | 826 °C | 180 pm |
| Gadolinio | 157,25(3) u | 7,90 g·cm-3 | 3 000 °C | 1 312 °C | 180 pm |
| Terbio | 158,925 35 u | 8,23 g·cm-3 | 3 123 °C | 1 356 °C | 177 pm |
| Disprosio | 162,500(1) u | 8,540 g·cm-3 | 2 562 °C | 1 407 °C | 178 pm |
| Holmio | 164,930 33 u | 8,79 g·cm-3 | 2 600 °C | 1 461 °C | 176 pm |
| Erbio | 167,259(3) u | 9,066 g·cm-3 | 2 868 °C | 1 529 °C | 176 pm |
| Tulio | 168,934 22 u | 9,32 g·cm-3 | 1 950 °C | 1 545 °C | 176 pm |
| Iterbio | 173,045 u | 6,90 g·cm-3 | 1 196 °C | 824 °C | 176 pm |
| Lutecio | 174,966 8 u | 9,841 g·cm-3 | 3 402 °C | 1 652 °C | 174 pm |
Como precisión, la masa atómica [145] para el prometio significa que este elemento tiene varios isótopos con diferentes masas atómicas. El número 145 indica la masa del isótopo más estable del prometio, que es el Prometio 145. Este es radioactivo y su vida media es de aproximadamente 17 años.
En general, la temperatura de fusión de los lantánidos aumenta desde el lantano (920 °C) hasta el lutecio (1 652 °C). Se supone que esta variación depende de cómo los electrones se distribuyen entre los orbitales 6s, 4f y 5d. Es decir, estaría relacionada con su grado de hibridación, que sería máximo para el cerio. Este tiene una configuración electrónica [Xe] 6s2 4f1 5d1 (la distribución de electrones en los diferentes orbitales). Su temperatura de fusión es la más baja de la familia (795 °C).
El europio se distingue de los otros lantánidos por su densidad notablemente más baja (5,264 g•cm-3) y su radio metálico más alto (208,4 pm). También se caracteriza por su configuración electrónica [Xe] 6s2 4f7 con un subcapa 4f medio llena. Este elemento químico de la tabla periódica puede compararse con el bario, cuyo radio metálico es de 222 pm. Estaría constituido por iones Eu2+ que envían solo dos electrones a la banda de conducción.
El iterbio también se caracteriza por su configuración electrónica [Xe] 6s2 4f14 con una subcapa 4f completa. Esta propiedad le confiere un gran radio metálico (aproximadamente 176 pm). Este elemento químico de símbolo Yb en estado metálico también estaría formado por cationes Yb2+ que liberan cada uno dos electrones en la banda de conducción.
La resistencia específica de los metales de la familia de los lantánidos es bastante alta, oscilando entre 29 y 134 μΩ•cm. En comparación, el aluminio, que se considera un buen conductor eléctrico, tiene una resistividad de solo 2,655 μΩ•cm.
La mayoría de los lantánidos tienen una propiedad llamada paramagnetismo. Solo el lantano, el iterbio y el lutecio, que no tienen electrones desapareados, no poseen esta característica. Por lo tanto, estos elementos tienen una alta susceptibilidad magnética. El gadolinio es un caso particular, ya que se vuelve ferromagnético por debajo de 16 °C (el punto de Curie).
Excepto para el lantano y el lutecio, todos los iones trivalentes Ln3+ poseen electrones desapareados en la subcapa 4f. Sin embargo, su momento magnético difiere considerablemente del valor que se esperaría en función del espín solo, debido a un fuerte acoplamiento espín-órbita. El ion Gd3+ tiene el máximo de electrones desapareados con un momento magnético de 7,94 M.B. En cuanto a los iones Dy3+ y Ho3+, tienen los momentos magnéticos más altos (10,4-10,7 M.B.). Los electrones de Gd3+ tienen todos un espín paralelo. Este es un parámetro importante para el uso del gadolinio en imágenes por resonancia magnética.
La diferencia de energía entre los orbitales 4f en los iones de lantánidos es relativamente pequeña. Esta característica significa que su distribución de energía es más estrecha que el efecto causado por el acoplamiento espín-órbita. Los iones de lantánidos tienen orbitales 4f cuyas transiciones están prohibidas por la regla de Laporte. Su acoplamiento con las vibraciones moleculares es débil dado su ubicación relativamente interna al átomo. Por lo tanto, el espectro de los iones de lantánidos es poco marcado con bandas de absorción estrechas. Sin embargo, se pueden observar intensos picos de absorción en el rango espectral de 200 a 900 nm. Tal es el caso particularmente en los vidrios que contienen óxido de holmio(III) Ho2O3 y en soluciones de óxido de holmio(III) en ácido perclórico HClO4. Estos están disponibles en el mercado y pueden servir para la calibración de espectroscopios y monocromadores.
Los lantánidos se utilizan en la realización de láseres, ya que las transiciones entre orbitales 4f están prohibidas. Esta característica hace que la relajación de un electrón excitado a su estado fundamental sea bastante lenta, permitiendo así una inversión de población fácil. De hecho, los elementos químicos Ln son conocidos por sus notables propiedades luminiscentes que provienen de sus orbitales 4f. Estas se explotan en diversas aplicaciones como en el láser Nd:YAG (granate de itrio-aluminio Y3Al5O12 dopado con neodimio). El vanadato de itrio YVO4 dopado con europio también fue una de las primeras sustancias fosforescentes utilizadas para los tubos de rayos catódicos en color.
Los lantánidos constituyen una familia muy coherente caracterizada por el relleno gradual de la subcapa electrónica 4f. Así, todos están clasificados en el bloque f, a excepción de su elemento más pesado, el lutecio 71Lu. Este se sitúa en el bloque d. En general, tienen una fuerte electropositividad y presentan una gran similitud química con el lantano, de ahí su denominación. Todos tienen un estado de oxidación más estable de +3 que es notablemente uniforme en la tabla periódica.
Los lantánidos están presentes principalmente en forma de cationes trivalentes (Ln3+) en sus estados naturales y en los compuestos sintéticos más comunes. Sin embargo, también pueden constituir cationes divalentes (Ln2+) en solución. Con excepción del cerio (58Ce) y del europio (63Eu), los otros lantánidos generalmente tienen un solo estado de oxidación estable que es +3. En efecto, cuando el 58Ce puede presentar los estados de oxidación +3 y +4, el 63Eu es susceptible de tener los estados +2 y +3. Esta propiedad única permite distinguir los lantánidos de otros elementos en la tabla periódica.
Además, los lantánidos más pesados que el cerio tienen dificultad para alcanzar el grado de oxidación +4. Esta característica se debe a la localización interna de sus orbitales f y hace difícil la extracción de electrones f. Los tricationes Ln3+ de los lantánidos a menudo se consideran cationes duros según la teoría HSAB (Hard and Soft Acids and Bases).
Se observa una contracción de los lantánidos que se traduce en una disminución del radio iónico de los cationes Ln3+ a medida que aumenta el número atómico. Se debe al débil efecto de apantallamiento de los electrones de los orbitales f, cuya eficacia es menor que la de los orbitales s, p y d. Así, la carga creciente del núcleo atómico no está completamente compensada.
El lutecio se encuentra en el sexto período de la tabla periódica de los elementos, justo encima del itrio que está en el quinto período. Sin embargo, el radio iónico de estos dos elementos es similar debido a la contracción de los lantánidos.
Los orbitales f de los lantánidos tienen la particularidad de hacer que sus electrones estén poco disponibles para formar enlaces covalentes. Así, los cationes de los lantánidos forman complejos de coordinación sin favorecer una geometría particular. Concretamente, cada uno de ellos está rodeado de 8 a 10 átomos donantes. Estos representan una coordinación más elevada que la observada para los cationes de los metales de transición.
Los elementos neodimio, terbio e iterbio también pueden formar compuestos sándwich llamados lantanocenos del tipo M(COT)2. M designa el elemento y COT el anión ciclooctatetraeno [C8H8]2−.
Es posible comparar la energía de ionización de los lantánidos con la del aluminio. Para este último, la suma de las tres primeras energías de ionización es de 5 139 kJ•mol-1. En cambio, para los elementos químicos Ln, está comprendida entre 3 455 y 4 186 kJ•mol-1. Este resultado es coherente con su carácter altamente reactivo. El valor de esta suma es mínimo para el lantano y máximo para el iterbio, con un máximo local para el europio. Esta característica se debe al llenado parcial de la subcapa 4f para el europio y a la saturación de esta subcapa para el iterbio.
El berilio, el magnesio, el calcio, el estroncio, el bario y el radio son capaces de formar sales con un estado de oxidación de +2. Por este hecho, muestran propiedades similares a los metales alcalinotérreos que son elementos químicos del grupo 2 de la clasificación periódica de los elementos. Además, la suma de las dos primeras energías de ionización del europio es de 1 632 kJ•mol-1. Es comparable a la del bario que asciende a 1 563,1 kJ•mol-1.
El hecho de que un cuarto electrón pueda ser retirado relativamente fácilmente del cerio y, en menor medida, del praseodimio explica la formación de compuestos de cerio (IV) y de praseodimio (IV). Así, cuando el cerio reacciona con el oxígeno O2, forma dióxido de cerio CeO2 en lugar de sesquióxido Ce2O3.
Los lantánidos adyacentes tienen radios iónicos muy similares lo que dificulta su separación en los minerales naturales o cuando están mezclados. En el pasado, los métodos de separación en cascada y por cristalización fraccionada fueron comúnmente utilizados. Aunque los radios iónicos de los elementos Ln son muy cercanos, todavía se observan ligeras distinciones entre ellos. Tal es particularmente el caso en la energía reticular de sus sales y en la energía de hidratación de sus iones. Esta característica causa diferencias de solubilidad mínimas, pero detectables. De esta manera, es posible utilizar las sales de fórmula general Ln(NO3)3•2NH4NO3•4H2O para separar los lantánidos.
En el ámbito industrial, se emplean dos métodos comunes para este mismo fin. El primero consiste en la extracción líquido-líquido. Para ello, los elementos Ln se liberan de una solución acuosa de nitratos hacia queroseno que contiene fosfato de tributilo (CH3CH2CH2CH2O)3PO. Los complejos formados se vuelven cada vez más estables a medida que disminuye el radio iónico. Ahora bien, este fenómeno provoca un aumento de la solubilidad de la fase orgánica. Una separación completa puede realizarse continuamente mediante intercambio a contracorriente. El segundo método consiste en la cromatografía de intercambio iónico. Explota el hecho de que la constante de estabilidad para la formación del EDTA crece significativamente con el número atómico de los lantánidos. Esta aumenta de logK ≈ 15,5 para [La(EDTA)]− a logK ≈ 19,8 para [Lu(EDTA)]−.
Los componentes a base de lantánidos se utilizan en diversas aplicaciones industriales, en particular:
En cuanto a los iones de lantánidos, se utilizan frecuentemente como elementos activos en materiales luminiscentes destinados a aplicaciones optoelectrónicas. Permiten especialmente realizar láseres Nd:YAG. Los amplificadores ópticos de fibras dopadas con erbio también son componentes clave de los sistemas de telecomunicaciones de fibra óptica. Son necesarios para amplificar las señales luminosas en largas distancias.
Además, los óxidos de lantánidos mezclados con tungsteno se utilizan a menudo para mejorar las propiedades térmicas de los electrodos de tungsteno. También permiten prolongar la vida útil de estos elementos esenciales en las soldaduras TIG. Además, pueden reemplazar el dióxido de torio, un compuesto químico altamente tóxico.
Por otra parte, los lantánidos pueden servir en la fabricación de diversos equipos militares tales como los prismáticos de visión nocturna y los telémetros. También se utilizan en la fotocatálisis, la fotoluminiscencia y la formulación de materiales avanzados para la electrónica. Asimismo, estos elementos juegan un papel en la industria nuclear para crear matrices que permiten la incorporación, el almacenamiento y el reprocesamiento de los actínidos. Finalmente, ciertos lantánidos, como el europio, el gadolinio, el erbio y el disprosio sirven como venenos consumibles en los reactores nucleares. Tienen la capacidad de capturar neutrones.
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