Lantanoidene

Lantanoidene er den største gruppen med naturlig forekommende grunnstoffer. Egenskapene til disse grunnstoffene er så like at når J. Gadolin i 1794 isolerte yttria som han trodde var oksidet til et eneste nytt grunnstoff, så inneholdt prøven hans sannsynligvis ikke mindre enn åtte til da ukjente grunnstoffer. Dette overrasket kjemikerne. Det var kun plass til to grunnstoffer mellom Ba og Ta i periodesystemet som eksisterte på de tider (Hf ble oppdaget først i 1923).

Monasitt, (Ce,La,Nd, Th)PO4: et av de to viktigste lantanoidemineralene. Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.

Først i 1913 forsto man at det skulle være 14 grunnstoffer mellom La og den tomme plassen i periodesystemet som senere skulle fylles av Hf.

Flere betegnelser har blitt benyttet om disse grunnstoffene og fortsatt diskuteres hvilke grunnstoffer som skal inkluderes i gruppen vi kaller lantanoidene og hva begrepet sjeldne jordartsmetaller innebærer. Før 1920 ble begrepet sjeldne jordarter benyttet om nesten alle ukjente nye oksider. Selv thoriumoksid og zirkoniumoksid gikk inn under den betegnelsen. På de tider endret imidlertid nomenklaturen seg slik at begrepet ikke lengre ble brukt på oksidene og men i stedet på metallene disse oksidene inneholdt. To undergrupper ble ofte omtalt. Ceriumgruppen som inneholdt de lettere jordartsmetallene og yttriumgruppen som inneholdt de tyngre. Denne inndeling har historisk opphav. Yttrium-mineralet gadolinitt startet det hele og viste seg etter hvert å inneholde terbium, erbium, ytterbium, lutetium, holmium, thulium og dysprosium. Alle de andre lantanoidene ble funnet i ett annet mineral, ceritt. Dette inneholder i tillegg til cerium, lantan, neodym, praseodym, samarium, gadolinium og europium.

I dag benyttes betegnelsen lantanoidene om de 15 grunnstoffene fra lantan til og med lutetium. Ofte kalles den noe større gruppen av lantanoidene samt yttrium og scandium for de sjeldne jordartmetallene. Dette navnet er misvisende. Disse grunnstoffene er slettes ikke sjeldne! Det finnes mer cerium (lantanoiden med høyest forekomst i jordskorpa) i jordskorpa enn det er kopper, og det finnes mer av den sjeldneste lantanoiden thulium i jordskorpa enn det finnes sølv (ser bort ifra det radioaktive lantanoiden promethium). Hva er så årsaken til at vi likevel snakker om sjeldne jordartsmetaller? Lantanoidene, Sc og Y er svært godt ”spredd” i jordskorpen og derfor tok det lang tid før disse ble påvist. Det finnes så mange som 160 sjeldne-jordarts-mineraler og i svært mange av disse finnes mange av disse grunnstoffene sammen, de fleste eller alle i relativ beskjedne konsentrasjoner. Den gjennomsnittlige konsentrasjonen av lantanoidene i jordskorpen er gitt i figuren under. Som ellers i periodesystemet er forekomsten av grunnstoffer med partall atomnummer større enn forekomsten av grunnstoffer med oddetall atomnummer.

Forekomst

Lantanoidene finnes overalt og også i massive bergarter som basalter, granitter og gneiss, men da kun i svært små konsentrasjoner (10-300 ppm). Lantanoidene kan imidlertid ikke utvinnes fra slike lavkonsentrasjonskilder. I stedet utvinnes alle grunnstoffene fra de to viktigste mineralene; monasitt (et fosfatmineral) og bästnasitt (et fluoridkarbonatmineral). Begge disse inneholder alle lantanoidene, men lantan og cerium dominerer. Mens monzanitt som finnes sør i India, vest i Australia, i Brasil, Sør-Afrika og Sri Lanka, inneholder radioaktivt thorium, så er bästnasitt (Kina og USA) fri for denne uønskede bestanddelen. Totalt produseres ca 70 000 tonn hvert år. Kun en liten del av dette benyttes til å produsere de forskjellige grunnstoffene rent siden det meste benyttes som en blanding av lantanoider som kalles mischmetall. Dette materialet inneholder omtrent 50 % Ce, omtrent 25 % La og omtrent 15 % Nd. De resterende 10 % er en blanding av de andre lantanoidene. Denne legering blir brukt som legeringsmetall for jern og stål samt i aluminium og magnesiumlegeringer. Tilsetninger av små mengder cerium (ca. 0.1 %) gir økt bestandighet mot korrosjon ved høye temperaturer.

Utvalgte mineraler som inneholder lantanoider er gitt i tabellene under.

Noen yttriumgruppemineraler

Gadolinitt Be2FeY2Si2O10

Fergusonitt ABO4; Y(Nb,Ta)O4

Yttrotantalitt ABO4; (Y,U,Fe)(Ta,Nb)O4

Thalenitt Y2Si2O7

Euxenitt AB2O6; (Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,TaTi)2O6

Xenotime YPO4

Smarskitt AB2O6; (Y,Ce,U,Ca,Fe,Pb,Th)(Nb,Ta,Ti,Sn)2O6

Noen ceriumgruppemineraler

Thortveititt A2B2O7; (Sc,Y)2Si2O7

Kolbeckitt ScPO4.2H2O

Monazitt (Ce,La,Nd,Th)(PO4,SiO4)

Bastnasitt (Ce,La)CO3(F,OH)

Ceritt (Ca,Mg)2Ce8[Si(O,F)4]7.3H2O


Bastnasitt, (Ce,La)CO3F, fra Afganistan
Foto: Rune Selbekk, Naturhistorisk museum, UiO.

Fremstilling

Historisk har blandingen av sjeldne jordsartmetaller blitt separert ved en lang rekke av krystalliseringer (utfellinger). Hvert steg ga en viss grad av forfining. Men dette var en lang og dyr prosess. Kommersielt ble derfor ionebytting benyttet i mange år. De forskjellige grunnstoffene ble her separert i en lang kolonne som inneholdt et stoff som absorberte de forskjellige grunnstoffene i forskjellige områder av kolonnen. I dag benyttes væske-væske ekstraksjon. Forskjellige metaller og salter løser seg i ulik grad i forskjellige væsker; ved å benytte par av en vannfase og en oljefase blir grunnstoffene separert. Prosessen består av mer enn 60 steg.

I kroppen

Lantanoidene tas ikke opp i kroppen i særlig grad, og det som tas opp er lite giftig. Disse grunnstoffene irriterer likevel hud og kan gi sår som gror dårlig.

Kjemisk likhet

Alle lantanoidene er kjemisk sett temmelig like. Dette gjør det vanskelig å separere disse fra hverandre med tradisjonelle kjemiske metoder. Grunnen til denne likheten er at når vi går fra et grunnstoff til det neste så finner vi ikke det ekstra elektronet i ytterste skall. Det ville nemlig ha påvirka egenskapene i stor grad. Elektronet fylles i stedet i et innenforliggende skall og dermed blir effekten av det ekstra elektronet mye mindre. De ytterste elektronskallet er for alle lantanoidene 6s skallet som er fylt med to elektroner.

Svein Stølen

Publisert 20. apr. 2011 07:51 - Sist endret 18. apr. 2018 11:22