Lantanídeos
No final do século XVIII, descobriu-se na Suécia uma série de minerais, denominada terras raras, que compreendiam elementos químicos de características peculiares. A estrutura atômica desses elementos, depois chamados de lantanídeos, foi explicada após a descoberta do conceito de orbitais.
Lantanídeos, lantânios ou terras-raras são os elementos químicos da família que compreende o escândio (Sc), de um número atômico 21; o ítrio (Y) de número atômico 39, e a série de 15 elementos encabeçados pelo lantânio (La), de números atômicos entre 57 e 71. O fato de suas propriedades físicas e químicas serem semelhantes às do lantânio justifica o nome lantanídeos com que são designados. Integram ainda essa família: cério (Ce), praseodímio (Pr), neodímio (Nd), promécio (Pm), samário (Sm), európio (Eu), gadolínio (Gd), térbio (Tb), disprósio (Dy), hólmio (Ho), érbio (Er), túlio (Tm), itérbio (Yb) e lutécio (Lu).
Embora chamados terras-raras, os lantanídeos, na verdade, não são escassos na natureza. Calcula-se que a crosta terrestre seja formada por 0,02% de lantanídeos e 0,00002% de prata, que tem, portanto, ocorrência mil vezes menor que os lantanídeos.
O súbito resfriamento de rochas fundidas e soluções aquosas superaquecidas sob a ação de pressões elevadas produzem, com freqüência, minerais com mais de cinqüenta por cento de terras-raras. A composição e a presença desses minerais no subsolo fornecem aos geofísicos uma importante fonte de dados para a determinação dos processos geológicos. A relativa abundância de lantanídeos na Lua também é de grande importância para o estudo da formação e evolução do satélite. Além disso, o conhecimento da proporção desses elementos nos meteoritos torna-se indispensável na elaboração de teorias sobre a origem do universo e sobre a criação dos elementos químicos.
Estrutura atômica:
O envoltório exterior dos átomos, em que os elétrons circulam em diferentes orbitais ou níveis de energia, apresenta vários tipos de distribuição. Existem quatro tipos de orbitais: s, p, d e f, que admitem, respectivamente, o máximo de dois, seis, dez a catorze elétrons, agrupados em pares. Os lantanídeos caracterizam-se pelo fato de que seus elétrons apresentam um orbital f no quarto nível de energia. Essa disposição eletrônica explica a maioria das propriedades físicas e químicas desses elementos.
Os lantanídeos comportam-se como elementos trivalentes por possuírem três elétrons nos níveis mais externos dos átomos que participam em ligações de valência. Devido a sua estrutura, todos têm propriedades semelhantes. O cério, o praseodímio e o térbio existem também no estado valente. O samário, o európio e o itérbio formam compostos divalentes, facilmente oxidáveis.
Descoberta e obtenção:
As primeiras terras raras foram descobertas graças às pesquisas feitas em 1794 por Johan Gadolin, quando investigava o minério iterbita, encontrado em Ytterby, na Suécia, em 1788. Mais tarde, ao pesquisar a cerita, Jöns Jacob Berzelius supôs ter descoberto um elemento, que seria a terra de cerita. Entre 1839 e 1843, Carl Gustav, Mosander, colaborador e discípulo de Berzelius, conseguiu desagregar tanto a terra ítria, por desagregação, deu origem aos óxidos de térbio, de érbio e do próprio ítrio.
Em 1789, o francês Paul-Émile Lecoq de Boisdran separou, por precipitação, o samário do didímio. Em 1880, o sueco Per Teodor Cleve conseguiu desdobrar o óxido de érbio nos óxidos de túlio, de hólmio e de érbio propriamente dito. Cinco anos depois, o austríaco Karl Auer, barão Von Welsbach, separou também do didímio, os óxidos de praseodímio e de neodímio, com base em métodos de diferenças de solubilidade e basicidade. Trabalhos posteriores levaram outros pesquisadores à descoberta dos lantanídeos restantes.
A história das terras-raras aponta para a dificuldade de separação dos diversos elementos por meio de processos químicos. O desenvolvimento de procedimentos radioativos e dos métodos de espectroscopia de massa, baseados na separação de átomos em função de seu peso, fornecem um meio eficaz para a determinação da abundância relativa de cada um desses elementos, mesmo quando presentes em quantidades extremamente relativas.
Propriedades e aplicações:
Os lantanídeos, quando puros, são brilhantes e de coloração prateada. Possuem em alguns casos uma atividade química tão acentuada que em contato com o oxigênio do ar reduzem a pó em poucos dias. Suas propriedades físicas e químicas variam significativamente quando as substâncias derivadas das terras-raras apresentam impurezas quando combinam com outros elementos, principalmente no que se refere a seus pontos de fusão e ebulição.
O lantanídeo que apresenta aplicação mais difundida é o cério, utilizado na preparação de ligas pirofóricas para isqueiros, dispositivos de iluminação a gás e na fabricação de vidros especiais que absorvem as radiações térmicas e ultravioleta. Entre os outros elementos, o gadolínio forma um óxido que é usado como substância fluorescente nos tubos de televisão a cores. O óxido de térbio também é usado nos tubos de televisores em cores, para dar fluorescência verde.
Propriedades físicas e químicas dos lantanídeos | ||||||
Nome | Símbolo atômico | Peso atômico | Ponto de fusão (º C) | Ponto de ebulição (º C) | Densidade 25º C (g/cm3) | Configuração eletrônica |
Cério | 58 | 140,12 | 799 | 3.426 | 6,672 | (Xe)4f26s2 |
Praseodímio | 59 | 140,407 | 931 | 3.512 | 6,773 | (Xe)4f36s2 |
Neodímio | 60 | 144,24 | 1.021 | 3.068 | 7,007 | (Xe)4f46s2 |
Promécio | 61 | (145)* | 1.168 | 2.700 | 7,264 | (Xe)4f56s2 |
Samário | 62 | 150,35 | 1.077 | 1.791 | 7,520 | (Xe)4f66s2 |
Európio | 63 | 151,96 | 822 | 1.597 | 5,2434 | (Xe)4f76s2 |
Gadolínio | 64 | 157,25 | 1.313 | 3.266 | 7,9004 | (Xe)4f75d16s2 |
Térbio | 65 | 158,8254 | 1.356 | 3.123 | 8,2294 | (Xe)4f96s2 |
Disprósio | 66 | 162,5 | 1.412 | 2.262 | 8,5500 | (Xe)4f106s2 |
Hólmio | 67 | 164,93 | 1.474 | 2.695 | 8,7947 | (Xe)4f116s2 |
Érbio | 68 | 167,26 | 1.529 | 2.863 | 9,006 | (Xe)4f126s2 |
Túlio | 69 | 168,934 | 1.545 | 1.947 | 9,3208 | (Xe)4f136s2 |
Itérbio | 70 | 173,04 | 819 | 1.194 | 6,9654 | (Xe)4f146s2 |
Lutécio | 71 | 174,97 | 1.663 | 3.395 | 9,8404 | (Xe)4f145d16s2 |
* Isótopo radioativo separado a partir de resíduos de fissão. |