Elemen tanah jarang

Sifat logam

Seperti yang dinyatakan di atas, unsur-unsur nadir bumi - terutama lantanida - sangat serupa. Mereka berlaku bersama-sama di alam semula jadi, dan pemisahan lengkap mereka sukar dicapai. Walau bagaimanapun, terdapat beberapa perbezaan yang ketara, terutamanya pada sifat fizikal unsur logam tulen. Contohnya, titik leburnya berbeza dengan hampir dua faktor, dan tekanan wap berbeza dengan faktor lebih daripada satu bilion. Ini dan fakta menarik lain dibincangkan di bawah.

Struktur kristal

Semua logam nadir bumi kecuali europium mengkristal dalam salah satu daripada empat struktur rapat. Ketika seseorang bergerak di sepanjang siri lantanida dari lanthanum ke lutetium, struktur kristal berubah dari kubik berpusat muka (fcc) menjadi padat heksagon (hcp), dengan dua struktur perantaraan yang terdiri daripada campuran kedua-dua lapisan fcc dan hcp, satu masing-masing 50 peratus (heksagon berganda [dhcp]) dan yang satu lagi adalah satu pertiga fcc dan dua pertiga hcp (Sm-type). Kedua-dua struktur perantaraan itu unik di antara struktur kristal dari semua unsur logam, sementara struktur fcc dan hcp agak umum.

Beberapa elemen mempunyai dua struktur rapat: lanthanum dan cerium mempunyai struktur fcc dan dhcp, samarium mempunyai struktur jenis Sm dan hcp, dan ytterbium mempunyai struktur fcc dan hcp. Kewujudan struktur ini bergantung pada suhu. Sebagai tambahan kepada struktur rapat, kebanyakan logam nadir bumi (scandium, yttrium, lanthanum melalui samarium, dan gadolinium melalui dysprosium) mempunyai polimorf kubik (bcc) berpusat pada badan dengan suhu tinggi. Pengecualian adalah europium, yang bcc dari 0 K (−273 ° C, atau −460 ° F) hingga titik leburnya pada 822 ° C (1,512 ° F), dan holmium, erbium, thulium, dan lutetium, yang monomorfik dengan struktur hcp. Cerium, terbium, dan dysprosium mempunyai transformasi suhu rendah (di bawah suhu bilik). Cerium disebabkan oleh perubahan valensi, sementara yang terbium dan dysprosium berasal dari magnetik.

Titik lebur

Titik lebur logam lantanida meningkat dengan cepat dengan peningkatan bilangan atom dari 798 ° C (1,468 ° F) untuk cerium menjadi 1,663 ° C (3,025 ° F) untuk lutetium (penggandaan suhu titik lebur), sementara titik lebur scandium dan yttrium setanding dengan anggota terakhir logam lanthanide trivalen. Titik lebur rendah untuk cahaya ke lantanida pertengahan disebabkan oleh sumbangan elektron 4f pada ikatan, yang maksimum pada serium dan menurun dengan peningkatan bilangan atom menjadi kira-kira sifar pada erbium. Titik lebur rendah europium dan ytterbium disebabkan oleh perbezaannya.

Takat didih

Titik didih logam nadir bumi berbeza dengan hampir tiga faktor. Lanthanum, cerium, praseodymium, yttrium, dan lutetium adalah antara unsur kimia yang paling tinggi, sementara unsur europium dan ytterbium boleh diletakkan dalam kumpulan logam dengan titik didih terendah. Perbezaan besar ini timbul dari perbezaan struktur elektronik atom dalam logam pepejal dan gas masing-masing. Untuk logam pepejal trivalen dengan titik didih tertinggi, atom gas mempunyai tiga elektron luar, 5d ¹ 6s ², sementara logam pepejal divalen dengan titik didih rendah mempunyai atom gas dengan hanya dua elektron luar, 6s ². Lantanida dengan titik didih perantaraan adalah pepejal trivalen, tetapi bentuk gasnya hanya mempunyai dua elektron luar, 6s ². Perbezaan keadaan elektronik logam pepejal ini dibandingkan dengan atom gasnya yang sesuai menyumbang kepada tingkah laku yang diperhatikan.

Sifat elektrik

Ketahanan elektrik logam nadir bumi bervariasi dari 25 hingga 131 mikroohm-cm (μΩ- cm), yang jatuh ke tengah-tengah nilai rintangan elektrik unsur-unsur logam. Sebilangan besar logam jarang bumi mempunyai nilai pada suhu bilik antara sekitar 60 hingga 90 μΩ-cm. Nilai rendah 25 μΩ-cm adalah untuk logam fcc ytterbium divalen, sementara dua nilai terbesar, gadolinium (131 μΩ-cm) dan terbium (115 μΩ-cm), disebabkan oleh sumbangan magnet terhadap ketahanan elektrik yang berlaku berhampiran suhu pesanan magnetik suatu bahan.

Logam Lanthanum adalah satu-satunya superkonduktor (iaitu, tidak ada rintangan elektrik) logam nadir bumi pada tekanan atmosfera, sementara scandium, yttrium, cerium, dan lutetium juga superkonduktor tetapi pada tekanan tinggi. Pengubahsuaian fcc lanthanum menjadi superkonduktor pada T _s = 6.0 K (−267.2 ° C, atau 48448.9 ° F), sementara polimorfik dhcp mempunyai T _s 5.1 K (−268.1 ° C, atau −450.5 ° F).

Sifat magnet

Sifat magnetik logam, aloi dan sebatian nadir bumi sangat bergantung pada bilangan elektron 4f yang tidak berpasangan. Logam yang tidak mempunyai elektron yang tidak berpasangan (scandium, yttrium, lanthanum, lutetium, dan divalent ytterbium) lemah magnetik, seperti kebanyakan logam bukan-bumi yang lain. Selebihnya lantanida, cerium melalui thulium, sangat kuat magnetik kerana mempunyai elektron 4f yang tidak berpasangan. Oleh itu, lantanida membentuk keluarga logam magnet terbesar. Suhu pesanan magnetik biasanya bergantung pada bilangan elektron 4f yang tidak berpasangan. Cerium dengan satu pesanan elektron yang tidak berpasangan pada suhu sekitar 13 K (60260 ° C, atau −436 ° F), dan gadolinium dengan tujuh pesanan (bilangan maksimum mungkin) pada suhu bilik. Semua suhu pesanan magnetik lanthanide lain jatuh di antara kedua-dua nilai tersebut. Gadolinium memerintahkan secara feromagnetik pada suhu bilik dan merupakan satu-satunya elemen selain elemen elektron 3d (besi, kobalt, dan nikel) yang melakukannya. Kekuatan magnetik, seperti yang diukur oleh momen magnetik efektifnya, mempunyai korelasi yang lebih rumit dengan bilangan elektron 4f yang tidak berpasangan, kerana ia juga bergantung pada pergerakan orbitnya. Apabila ini diambil kira, momen magnetik berkesan maksimum dijumpai di dysprosium dengan holmium kedua, 10.64 berbanding 10.60 Bohr magneton; nilai gadolinium ialah 7.94.

Logam nadir bumi mempunyai struktur magnet eksotik (dan kadang-kadang rumit) yang berubah dengan suhu. Sebilangan besar lantanida mempunyai sekurang-kurangnya dua struktur magnet. Pada suhu bilik gadolinium mempunyai struktur yang paling sederhana. Semua putaran 4f diselaraskan dalam satu arah selari antara satu sama lain; struktur ini dipanggil feromagnetik gadolinium. Sebilangan besar logam lanthanide lain mempunyai putaran 4f yang sejajar antara satu sama lain, kadang-kadang sepenuhnya tetapi biasanya hanya sebahagian; ini semua disebut logam antiferromagnetik, sama ada putaran diberi kompensasi sepenuhnya atau sebahagiannya. Di banyak struktur antiferromagnetik, putaran membentuk struktur lingkaran.

Pengembangan haba

Dalam membandingkan nilai-nilai LCTE logam heksagon, pengembangan haba selalu lebih besar dalam arah rapat daripada di bidang (lapisan A, B, dan C). Nilai LCTE yang sangat besar untuk europium dan ytterbium sekali lagi mengesahkan sifat dua logam tersebut.