Lantanidi, terre rare e elementi sfuggenti

22 01 2013

       I lantanidi (o lantanoidi) costituiscono una serie di 15 elementi chimici che nella Tavola periodica occupano i posti compresi tra il lantanio e il lutezio, con numero atomico dal 57 al 71. Nell’ordine sono: Lantanio (La), Cerio (Ce), Praseodimio (Pr), Neodimio (Nd), Promezio (Pm, l’unico prodotto artificialmente), Samario (Sm), Europio (Eu), Gadolinio (Gd), Terbio (Tb), Disprosio (Dy), Olmio (Ho), Erbio (Er), Tulio (Tm), Itterbio (Yb) e Lutezio (Lu). Sono stati definiti “terre rare” perché si pensava fossero molto poco diffusi in natura. In realtà alcuni di essi (ad esempio il cerio ha un’abbonbanza paragonabile a quella del rame) non sono affatto rari, però non sono distribuiti in modo uniforme nella crosta terrestre e si trovano solo come composti di particolari minerali.

     Quali sono le loro caratteristiche? In tutti questi elementi gli ultimi elettroni hanno la stessa configurazione (6s2). Ciò permette loro di avere proprietà chimiche abbastanza simili e simili energie di ionizzazione. Formano ossidi con caratteristiche quasi uguali a quelli dei metalli alcalino-terrosi (gruppo 2). Tutti hanno gli orbitali 4f riempiti in tutto o in parte, mentre rimangono vuoti gli orbitali p e d, più esterni. Le proprietà chimiche molto simili ne hanno resa difficile l’identificazione e la separazione, tanto che anche Mendeleev non riuscì ad andare oltre al cerio e, nella “sua” tavola periodica del 1869, dopo questo elemento lasciò ben 15 caselle vuote prima di sistemare un altro elemento.

     Perché i lantanidi, come anche gli attinidi, sono inseriti a parte al fondo della tavola periodica? Perché questa soluzione rende la tavola più compatta, meno allungata e meglio utilizzabile e permette una suddivisione degli elementi contenuti in quattro grandi blocchi indicati come s, p, d, f. Nell’immagine: in giallo gli elementi del blocco s, in azzurro quelli del blocco p, in rosa quelli del blocco d, in verde quelli del blocco f.

     Molti lantanidi sono stati identificati e separati da minerali ricavati da una località svedese: Ytterby.

     Come mai Ytterby? Nella seconda metà del 1600 venne individuato un sistema per produrre porcellane di buona qualità. Le porcellane, per le corti di quell’epoca, rappresentavano un vero e proprio status symbol: la ricchezza e il prestigio delle famiglie reali si misurava anche in base alla qualità dei servizi di porcellana che possedeva. Questo materiale, importato nei secoli precedenti dalla Cina, sembrava avere proprietà “regali”, per la sua durezza, lucentezza e le varie colorazioni e decorazioni. Ma la porcellana grezza era tenuta in ottima considerazione, soprattutto nei Paesi dell’Europa centrale e settentrionale, anche per la costruzione di stufe che consentivano di raggiungere alte temperature e mantenere il calore più a lungo. Per ricavare materiali per la produzione di porcellana, in un’isola a circa 20 km da Stoccolma nel 1780 venne aperta la cava di Ytterby. I minerali ricavati dalla cava avevano una particolarità che venne subito notata: quando erano riscaldati assumevano colorazioni strane. Tra i tanti che osservarono questo fenomeno ci fu un chimico, Johan Gadolin (1760-1852), che aveva viaggiato molto in vari Paesi europei e si era conquistata una certa fama come geologo. Ricevette, per pareri e consulenze, vari campioni dei minerali ricavati dalla miniera di Ytterby e nelle pubblicazioni che ne seguirono ipotizzò la presenza di vari nuovi elementi, pur non avendo né la preparazione teorica né gli strumenti per separarli e identificarli. Da questo momento in poi, Ytterby venne immortalato in vari modi nella tavola periodica: uno dopo l’altro incominciarono ad essere identificati vari lantanidi i cui nomi richiamano questa località: itterbio, terbio, erbio, olmio (simbolo Ho, da Stock-Holm, la capitale), tulio (dall’antico nome della Scandinavia, Thule), gadolinio, proprio in onore di Johan Gadolin. In tutto, dai minerali di Ytterby, vennero scoperti sei lantanidi più un altro elemento: l’ittrio, numero atomico 39, dello stesso gruppo del lantanio. La Scandinavia è stata celebrata anche da un altro elemento: lo scandio, numero atomico 21, sempre del gruppo 3, la cui esistenza venne predetta dal solito Mendeleev che gli aveva dato il nome di ekaboro, ma venne scoperto da Lars Fredrick Nilson dieci anni dopo, nel 1879, che propose il nome scandio.

     Per celebrare la miniera di Ytterby, che ha un posto particolare nella storia della chimica e dei materiali, nel 1989 la Società ASM International (una società di informazione-formazione e servizi su materiali e nanomateriali, fondata nel 1913) ha installato una targa su una roccia della zona.

Per saperne di più: http://it.wikipedia.org/wiki/Johan_Gadolin

http://it.wikipedia.org/wiki/Lantanoidi

 




Alcuni degli elementi di transizione

5 09 2010

elem-transizione1Sono detti di transizione tutti quegli elementi compresi tra il II e il III gruppo (esclusi) e tra il 4° e il 7° periodo (compresi). Sono anche chiamati “metalli di transizione” perché hanno tutti aspetto metallico. La loro configurazione elettronica esterna è s2 perciò hanno proprietà chimiche molto simili a quelle degli elementi del II gruppo, però sono caratterizzati dalla comparsa di elettroni nei livelli d oppure f. Gli elementi del blocco d sono raggruppati in tre serie corrispondenti rispettivamente ai livelli 4, 5 e 6. Quelli del blocco f  compaiono sia nella III sia nella IV serie e comprendono anche i lantanidi e gli attinidi, non indicati nell’immagine ma che avrai sicuramente notato nel Sistema periodico. Nella formazione di composti tendono a formare due legami ionici e a dare cationi generalmente bivalenti ma in alcuni casi (ad esempio Ag+ e Fe3+) anche monovalenti o trivalenti. Molti hanno un’elevata temperatura di fusione e il tungsteno o wolframio (W), utilizzato fino a pochi mesi fa come filamento nelle lampadine ad incandescenza, fonde addirittura a 3410 °C. Al contrario, il mercurio (Hg) è liquido già a temperatura ambiente. Si trovano tutti sotto forma di composti ma, alcuni, quelli meno reattivi come oro, platino e rame possono trovarsi anche allo stato elementare.

Da punto di vista industriale e storico, l’elemento più importante è il ferro. Ha dato il nome ad una età della civiltà umana. Forma numerosi minerali (soprattutto ematite, Fe2O3; magnetite, Fe3O4; pirite, FeS2; siderite, FeCO3 )  ed è stato estratto con facilità per produrre strumenti di ogni tipologia. Poiché il ferro si ossida facilmente vengono prodotte e utilizzate molto anche due leghe ferro-carbonio: l’acciaio contenete una percentuale di carbonio che varia dallo 0,3% al 2%; la ghisa con il 5% di carbonio. Sulla crosta terrestre, con il 4,7% è il quarto elemento in ordine di abbondanza, dopo ossigeno, silicio e alluminio. Il nucleo interno della Terra invece, secondo ipotesi ormai consolidate, è composto prevalentemente da ferro e nichel.

Il rame pur essendo un metallo tenero, per la facilità di preparazione è stato utilizzato fin dal 3.500 a.C. circa. Ha il vantaggio rispetto al ferro di ossidarsi difficilmente ed è un ottimo conduttore di calore ed elettricità. I cavi elettrici sono costituiti da rame e, negli ultimi anni, sono aumentati molto i furti di questi materiali a causa del crescente aumento del costo del metallo. Spesso il rame è stato utilizzato nella formazione delle monete; oggi le monete da 1, 2, 5 centesimi di euro sono rivestite di rame. Diverse leghe contengono rame: il bronzo è una lega rame-stagno, l’ottone è una lega rame-zinco. In agricoltura viene utilizzato molto il solfato di rame (CuSO4) per il trattamento di viti e ortaggi contro i parassiti.

L’oro, per le sue caratteristiche (difficilmente ossidabile, inattaccabile dagli acidi, giallo-brillante, raro, facilmente lavorabile), è uno dei metalli più preziosi e costosi. Nei periodi di crisi è sempre stato considerato un bene rifugio, al riparo da inflazioni e svalutazioni. L’oro bianco, ultimamente molto utilizzato per gli anelli, contiene il 20% di platino.

Altri elementi importanti della zona di transizione sono: titanio, argento, cromo, manganese, nichel, zinco, platino, mercurio, cobalto. Altre proprietà le troveremo nel corso di chimica, intanto cercate le loro caratteristiche e in quali prodotti vengono utilizzati.