Lantano

El lantano es un elemento químico con el símbolo La y el número atómico 57. Es un metal blando, dúctil, de color blanco plateado que se deslustra lentamente cuando se expone al aire. Es el epónimo de la serie de los lantánidos, un grupo de 15 elementos similares entre el lantano y el lutecio en la tabla periódica, de los cuales el lantano es el primero y el prototipo. El lantano se cuenta tradicionalmente entre los elementos de tierras raras. Como la mayoría de los otros elementos de tierras raras, el estado de oxidación habitual es +3. El lantano no tiene ningún papel biológico en los seres humanos, pero es esencial para algunas bacterias. No es particularmente tóxico para los humanos, pero muestra cierta actividad antimicrobiana.

El lantano generalmente ocurre junto con el cerio y otros elementos de tierras raras. El lantano fue encontrado por primera vez por el químico sueco Carl Gustaf Mosander en 1839 como una impureza en el nitrato de cerio, de ahí el nombre lantano, del griego antiguo λανθάνειν (lanthanein), que significa 'escondida'. Aunque está clasificado como un elemento de tierras raras, el lantano es el vigésimo octavo elemento más abundante en la corteza terrestre, casi tres veces más abundante que el plomo. En minerales como la monacita y la bastnasita, el lantano constituye aproximadamente una cuarta parte del contenido de lantánidos. Se extrae de esos minerales mediante un proceso de tal complejidad que el lantano metálico puro no se aisló hasta 1923.

Los compuestos de lantano tienen numerosas aplicaciones como catalizadores, aditivos en vidrio, lámparas de arco de carbono para luces y proyectores de estudio, elementos de ignición en encendedores y antorchas, cátodos de electrones, centelleadores, electrodos de soldadura por arco de tungsteno con gas y otras cosas. El carbonato de lantano se usa como quelante de fosfato en casos de niveles altos de fosfato en la sangre que se observan con insuficiencia renal.

Características

Físico

El lantano es el primer elemento y prototipo de la serie de los lantánidos. En la tabla periódica, aparece a la derecha del metal alcalinotérreo bario ya la izquierda del lantánido cerio. Se ha cuestionado su ubicación, pero la mayoría de los que estudian el asunto junto con un informe provisional de la IUPAC de 2021 consideran que el lantano está mejor ubicado como el primero de los elementos del bloque f. Los 57 electrones de un átomo de lantano están dispuestos en la configuración [Xe]5d 6s, con tres electrones de valencia fuera del núcleo de gas noble. En las reacciones químicas, el lantano casi siempre cede estos tres electrones de valencia de las subcapas 5d y 6s para formar el estado de oxidación +3, logrando la configuración estable del gas noble anterior xenón.También se conocen algunos compuestos de lantano (II), pero son mucho menos estables.

Entre los lantánidos, el lantano es excepcional ya que no tiene electrones 4f como un solo átomo en fase gaseosa. Por lo tanto, es solo muy débilmente paramagnético, a diferencia de los lantánidos posteriores fuertemente paramagnéticos (con las excepciones de los dos últimos, iterbio y lutecio, donde la capa 4f está completamente llena). Sin embargo, la capa 4f de lantano puede ocuparse parcialmente en ambientes químicos y participar en enlaces químicos. Por ejemplo, los puntos de fusión de los lantánidos trivalentes (todos menos el europio y el iterbio) están relacionados con el grado de hibridación de los electrones 6s, 5d y 4f (disminuyendo al aumentar la participación de 4f),y el lantano tiene el segundo punto de fusión más bajo entre ellos: 920 °C. (El europio y el iterbio tienen puntos de fusión más bajos porque se deslocalizan alrededor de dos electrones por átomo en lugar de tres). Esta disponibilidad química de los orbitales f justifica la colocación del lantano en el bloque f a pesar de su configuración anómala del estado fundamental (que es simplemente el resultado de fuertes repulsión interelectrónica que hace menos rentable ocupar la capa 4f, ya que es pequeña y está cerca de los electrones del núcleo).

Los lantánidos se vuelven más duros a medida que se recorre la serie: como era de esperar, el lantano es un metal blando. El lantano tiene una resistividad relativamente alta de 615 nΩm a temperatura ambiente; en comparación, el valor para el buen conductor de aluminio es de solo 26,50 nΩm. El lantano es el menos volátil de los lantánidos. Como la mayoría de los lantánidos, el lantano tiene una estructura cristalina hexagonal a temperatura ambiente. A 310 °C, el lantano cambia a una estructura cúbica centrada en las caras y a 865 °C, cambia a una estructura cúbica centrada en el cuerpo.

Químico

Como se esperaba de las tendencias periódicas, el lantano tiene el radio atómico más grande de los lantánidos. Por lo tanto, es el más reactivo entre ellos, se empaña rápidamente en el aire, se oscurece por completo después de varias horas y puede quemarse fácilmente para formar óxido de lantano (III), La ₂ O ₃, que es casi tan básico como el óxido de calcio. Una muestra de lantano del tamaño de un centímetro se corroerá por completo en un año a medida que su óxido se desprendiera como el óxido de hierro, en lugar de formar una capa protectora de óxido como el aluminio, el escandio, el itrio y el lutecio. El lantano reacciona con los halógenos a temperatura ambiente para formar trihaluros y, al calentarse, formará compuestos binarios con los no metales nitrógeno, carbono, azufre, fósforo, boro, selenio, silicio y arsénico.El lantano reacciona lentamente con el agua para formar hidróxido de lantano (III), La(OH) ₃. En ácido sulfúrico diluido, el lantano forma fácilmente el ion tripositivo acuoso [La(H ₂ O) ₉ ]: éste es incoloro en solución acuosa ya que el La no tiene electrones d o f. El lantano es la base más fuerte y dura entre los elementos de tierras raras, lo que nuevamente se espera por ser el más grande de ellos.

También se conocen algunos compuestos de lantano (II), pero son mucho menos estables. Por lo tanto, al nombrar oficialmente compuestos de lantano, siempre se debe mencionar su número de oxidación.

Isótopos

El lantano natural se compone de dos isótopos, el estable La y el radioisótopo primordial de vida prolongada La. La es, con diferencia, el más abundante y constituye el 99,910 % del lantano natural: se produce en el proceso s (captura lenta de neutrones, que ocurre en estrellas de masa baja a media) y el proceso r (captura rápida de neutrones, que ocurre en supernovas con colapso del núcleo). Es el único isótopo estable del lantano. El muy raro isótopo La es uno de los pocos núcleos impares primordiales, con una vida media larga de 1,05 × 10 años. Es uno de los núcleos p ricos en protones que no se puede producir en los procesos s o r. La, junto con el aún más raro Ta, se produce en el proceso ν, donde los neutrinos interactúan con núcleos estables.Todos los demás isótopos de lantano son sintéticos: con la excepción de La con una vida media de unos 60.000 años, todos ellos tienen una vida media de menos de un día y la mayoría tiene una vida media de menos de un minuto. Los isótopos La y La se producen como productos de fisión del uranio.

Compuestos

El óxido de lantano es un sólido blanco que se puede preparar por reacción directa de sus elementos constituyentes. Debido al gran tamaño del ion La, La ₂ O ₃ adopta una estructura hexagonal de 7 coordenadas que cambia a la estructura de 6 coordenadas del óxido de escandio (Sc ₂ O ₃) y el óxido de itrio (Y ₂ O ₃) a alta temperatura. Cuando reacciona con el agua, se forma hidróxido de lantano: se genera mucho calor en la reacción y se escucha un silbido. El hidróxido de lantano reaccionará con el dióxido de carbono atmosférico para formar el carbonato básico.

El fluoruro de lantano es insoluble en agua y se puede utilizar como prueba cualitativa para la presencia de La. Los haluros más pesados ​​son todos compuestos delicuescentes muy solubles. Los haluros anhidros se producen por reacción directa de sus elementos, ya que el calentamiento de los hidratos provoca la hidrólisis: por ejemplo, el calentamiento de LaCl ₃ hidratado produce LaOCl.

El lantano reacciona exotérmicamente con hidrógeno para producir el dihidruro LaH ₂, un compuesto conductor negro, pirofórico, quebradizo, con estructura de fluoruro de calcio. Este es un compuesto no estequiométrico, y es posible una mayor absorción de hidrógeno, con una pérdida concomitante de conductividad eléctrica, hasta que se alcanza el LaH ₃ más salino. Al igual que LaI ₂ y LaI, LaH ₂ es probablemente un compuesto de electruro.

Debido al gran radio iónico y la gran electropositividad del La, no hay mucha contribución covalente a su enlace y, por lo tanto, tiene una química de coordinación limitada, como el itrio y los otros lantánidos. El oxalato de lantano no se disuelve mucho en soluciones de oxalato de metal alcalino y [La(acac) ₃ (H ₂ O) ₂ ] se descompone alrededor de los 500 °C. El oxígeno es el átomo donante más común en los complejos de lantano, que son en su mayoría iónicos y a menudo tienen números de coordinación altos por encima de 6: 8 es el más característico, formando estructuras cuadradas antiprismáticas y dodecadeltaédricas. Estas especies de alta coordinación, llegando hasta el número de coordinación 12 con el uso de ligandos quelantes como en La ₂ (SO ₄)₃ ·9H ₂ O, a menudo tienen un bajo grado de simetría debido a factores estereoquímicos.

La química del lantano tiende a no involucrar enlaces π debido a la configuración electrónica del elemento: por lo tanto, su química organometálica es bastante limitada. Los compuestos de organolantano mejor caracterizados son el complejo de ciclopentadienilo La(C ₅ H ₅) ₃, que se produce haciendo reaccionar LaCl ₃ anhidro con NaC ₅ H ₅ en tetrahidrofurano y sus derivados sustituidos con metilo.

Historia

En 1751, el mineralogista sueco Axel Fredrik Cronstedt descubrió un mineral pesado en la mina de Bastnäs, más tarde llamado cerita. Treinta años después, Wilhelm Hisinger, de quince años, de la familia propietaria de la mina, envió una muestra de la misma a Carl Scheele, quien no encontró ningún elemento nuevo en su interior. En 1803, después de que Hisinger se convirtiera en un maestro del hierro, volvió al mineral con Jöns Jacob Berzelius y aisló un nuevo óxido al que llamaron ceria en honor al planeta enano Ceres, que había sido descubierto dos años antes. Ceria fue aislada simultáneamente de forma independiente en Alemania por Martin Heinrich Klaproth.Entre 1839 y 1843, el cirujano y químico sueco Carl Gustaf Mosander, que vivía en la misma casa que Berzelius, demostró que la ceria era una mezcla de óxidos: separó otros dos óxidos a los que llamó lanthana y didymia. Descompuso parcialmente una muestra de nitrato de cerio tostándola al aire y luego tratando el óxido resultante con ácido nítrico diluido. Ese mismo año, Axel Erdmann, alumno también del Instituto Karolinska, descubrió lantano en un nuevo mineral procedente de la isla de Låven situada en un fiordo noruego.

Finalmente, Mosander explicó su retraso, diciendo que había extraído un segundo elemento del cerio, y lo llamó didimio. Aunque él no se dio cuenta, el didimio también era una mezcla, y en 1885 se separó en praseodimio y neodimio.

Dado que las propiedades del lantano diferían solo ligeramente de las del cerio, y se encontraban junto con él en sus sales, lo nombró del griego antiguo λανθάνειν [lanthanein] (lit. mentir oculto). El lantano metálico relativamente puro se aisló por primera vez en 1923.

Ocurrencia y producción

El lantano es el tercero más abundante de todos los lantánidos, representando 39 mg/kg de la corteza terrestre, detrás del neodimio con 41,5 mg/kg y el cerio con 66,5 mg/kg. Es casi tres veces más abundante que el plomo en la corteza terrestre. A pesar de estar entre los llamados "metales de tierras raras", el lantano no es raro en absoluto, pero históricamente se le llama así porque es más raro que las "tierras comunes" como la cal y la magnesia, e históricamente solo se conocían unos pocos depósitos.. El lantano se considera un metal de tierras raras porque el proceso de extracción es difícil, requiere mucho tiempo y es costoso. El lantano rara vez es el lantánido dominante que se encuentra en los minerales de tierras raras, y en sus fórmulas químicas suele estar precedido por el cerio. Ejemplos raros de minerales dominantes de La son la monacita-(La) y lantanita-(La).

Producción de Lantano a partir de arena de Monacita

El ion La tiene un tamaño similar a los primeros lantánidos del grupo del cerio (aquellos hasta el samario y el europio) que siguen inmediatamente en la tabla periódica y, por lo tanto, tiende a aparecer junto con ellos en minerales de fosfato, silicato y carbonato, como la monacita. (M PO ₄) y bastnäsita (M CO ₃ F), donde M se refiere a todos los metales de tierras raras excepto el escandio y el prometio radiactivo (principalmente Ce, La e Y).La bastnäsita suele carecer de torio y de los lantánidos pesados, y la purificación de los lantánidos ligeros es menos complicada. El mineral, después de ser triturado y molido, se trata primero con ácido sulfúrico concentrado caliente, generando dióxido de carbono, fluoruro de hidrógeno y tetrafluoruro de silicio: el producto luego se seca y se lixivia con agua, dejando los primeros iones de lantánido, incluido el lantano, en solución..

El procedimiento para la monacita, que normalmente contiene todas las tierras raras además del torio, es más complicado. La monacita, debido a sus propiedades magnéticas, puede separarse mediante separación electromagnética repetida. Después de la separación, se trata con ácido sulfúrico concentrado caliente para producir sulfatos de tierras raras solubles en agua. Los filtrados ácidos se neutralizan parcialmente con hidróxido de sodio a pH 3-4. El torio precipita de la solución como hidróxido y se elimina. Después de eso, la solución se trata con oxalato de amonio para convertir las tierras raras en sus oxalatos insolubles. Los oxalatos se convierten en óxidos por recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico que excluye uno de los principales componentes, el cerio, cuyo óxido es insoluble en HNO ₃. El lantano se separa como una sal doble con nitrato de amonio por cristalización. Esta sal es relativamente menos soluble que otras sales dobles de tierras raras y, por lo tanto, permanece en el residuo. Se debe tener cuidado al manipular algunos de los residuos, ya que contienen Ra, la hija de Th, que es un fuerte emisor de rayos gamma. El lantano es relativamente fácil de extraer ya que solo tiene un lantánido vecino, el cerio, que puede eliminarse haciendo uso de su capacidad para oxidarse al estado +4; a partir de entonces, el lantano se puede separar por el método histórico de cristalización fraccionada de La(NO ₃) ₃ ·2NH ₄ NO ₃ ·4H ₂ O, o por técnicas de intercambio iónico cuando se desea una mayor pureza.

El lantano metálico se obtiene a partir de su óxido calentándolo con cloruro o fluoruro de amonio y ácido fluorhídrico a 300-400 °C para producir el cloruro o fluoruro:La ₂ O ₃ + 6 NH ₄ Cl → 2 LaCl ₃ + 6 NH ₃ + 3 H ₂ O

A esto le sigue la reducción con metales alcalinos o alcalinotérreos en vacío o atmósfera de argón:LaCl ₃ + 3 Li → La + 3 LiCl

Además, el lantano puro se puede producir por electrólisis de una mezcla fundida de LaCl ₃ anhidro y NaCl o KCl a temperaturas elevadas.

Aplicaciones

La primera aplicación histórica del lantano fue en mantos de lámparas de gas. Carl Auer von Welsbach utilizó una mezcla de óxido de lantano y óxido de circonio, a la que llamó Actinophor y patentó en 1886. Los mantos originales daban una luz teñida de verde y no tuvieron mucho éxito, y su primera empresa, que estableció una fábrica en Atzgersdorf en 1887, fracasó en 1889.

Los usos modernos del lantano incluyen:

• Un material utilizado para el material anódico de las baterías de hidruro de níquel-metal es La (Ni_3.6Minnesota_0.4Alabama_0.3Co_0.7). Debido al alto costo de extraer los otros lantánidos, se usa un mischmetal con más del 50% de lantano en lugar de lantano puro. El compuesto es un componente intermetálico del AB₅escribe. Las baterías de NiMH se pueden encontrar en muchos modelos de Toyota Prius vendidos en los EE. UU. Estas baterías de hidruro de níquel-metal más grandes requieren cantidades masivas de lantano para la producción. La batería de NiMH del Toyota Prius 2008 requiere de 10 a 15 kilogramos (22 a 33 libras) de lantano. A medida que los ingenieros impulsan la tecnología para aumentar la eficiencia del combustible, se podría requerir el doble de esa cantidad de lantano por vehículo.
• Las aleaciones de esponja de hidrógeno pueden contener lantano. Estas aleaciones son capaces de almacenar hasta 400 veces su propio volumen de hidrógeno gaseoso en un proceso de adsorción reversible. La energía térmica se libera cada vez que lo hacen; por lo tanto, estas aleaciones tienen posibilidades en los sistemas de conservación de energía.
• Mischmetal, una aleación pirofórica utilizada en pedernales más ligeros, contiene entre un 25 % y un 45 % de lantano.
• El óxido de lantano y el boruro se utilizan en tubos de vacío electrónicos como materiales de cátodo caliente con una fuerte emisividad de electrones. Cristales de LaB₆se utilizan en fuentes de emisión de electrones termoiónicos de alto brillo y duración prolongada para microscopios electrónicos y propulsores de efecto Hall.
• Trifluoruro de lantano (LaF₃) es un componente esencial de un vidrio pesado de fluoruro llamado ZBLAN. Este vidrio tiene una transmitancia superior en el rango infrarrojo y, por lo tanto, se usa para sistemas de comunicación de fibra óptica.
• El bromuro de lantano dopado con cerio y el cloruro de lantano son los centelleadores inorgánicos recientes, que tienen una combinación de alto rendimiento de luz, mejor resolución de energía y respuesta rápida. Su alto rendimiento se convierte en una resolución energética superior; además, la salida de luz es muy estable y bastante alta en un amplio rango de temperaturas, lo que la hace particularmente atractiva para aplicaciones de alta temperatura. Estos centelleadores ya se utilizan ampliamente comercialmente en detectores de neutrones o rayos gamma.
• Las lámparas de arco de carbono utilizan una mezcla de elementos de tierras raras para mejorar la calidad de la luz. Esta aplicación, especialmente por parte de la industria cinematográfica para iluminación y proyección de estudios, consumió alrededor del 25% de los compuestos de tierras raras producidos hasta la eliminación gradual de las lámparas de arco de carbón.
• Óxido de lantano (III) (La₂O₃) mejora la resistencia a los álcalis del vidrio y se utiliza en la fabricación de vidrios ópticos especiales, como el vidrio absorbente de infrarrojos, así como lentes de cámaras y telescopios, debido al alto índice de refracción y la baja dispersión de los vidrios de tierras raras. El óxido de lantano también se utiliza como aditivo para el crecimiento de granos durante la sinterización en fase líquida de nitruro de silicio y diboruro de circonio.
• Pequeñas cantidades de lantano añadidas al acero mejoran su maleabilidad, resistencia al impacto y ductilidad, mientras que la adición de lantano al molibdeno disminuye su dureza y sensibilidad a las variaciones de temperatura.
• Pequeñas cantidades de lantano están presentes en muchos productos para piscinas para eliminar los fosfatos que alimentan a las algas.
• El aditivo de óxido de lantano para tungsteno se utiliza en electrodos de soldadura por arco de tungsteno con gas, como sustituto del torio radiactivo.
• Varios compuestos de lantano y otros elementos de tierras raras (óxidos, cloruros, etc.) son componentes de varias catálisis, como los catalizadores de craqueo de petróleo.
• La datación radiométrica con lantano-bario se utiliza para estimar la edad de rocas y minerales, aunque la técnica tiene una popularidad limitada.
• El carbonato de lantano fue aprobado como medicamento (Fosrenol, Shire Pharmaceuticals) para absorber el exceso de fosfato en los casos de hiperfosfatemia que se observa en la enfermedad renal en etapa terminal.
• El fluoruro de lantano se utiliza en los recubrimientos de lámparas de fósforo. Mezclado con fluoruro de europio, también se aplica en la membrana cristalina de los electrodos selectivos de iones de fluoruro.
• Al igual que la peroxidasa de rábano picante, el lantano se utiliza como trazador denso en electrones en biología molecular.
• La bentonita modificada con lantano (o phoslock) se usa para eliminar los fosfatos del agua en los tratamientos de lagos.
• Se considera que el telururo de lantano (La ₃ Te ₄) se aplica en el campo del sistema de energía de radioisótopos (planta de energía nuclear) debido a sus importantes capacidades de conversión. Los elementos e isótopos transmutados en el segmento no reaccionarán con el material en sí, por lo que no presentan ningún daño a la seguridad de la planta de energía. Aunque se sospecha que el yodo, que se puede generar durante la transmutación, reacciona con el segmento La ₃ Te ₄, la cantidad de yodo es lo suficientemente pequeña como para representar una amenaza para el sistema de energía.

Rol biológico

El lantano no tiene ningún papel biológico conocido en los seres humanos. El elemento se absorbe muy poco después de la administración oral y cuando se inyecta su eliminación es muy lenta. El carbonato de lantano (Fosrenol) fue aprobado como quelante de fosfato para absorber el exceso de fosfato en casos de enfermedad renal en etapa terminal.

Si bien el lantano tiene efectos farmacológicos sobre varios receptores y canales iónicos, su especificidad por el receptor GABA es única entre los cationes trivalentes. El lantano actúa en el mismo sitio modulador del receptor GABA que el zinc, un conocido modulador alostérico negativo. El catión lantano La es un modulador alostérico positivo en los receptores GABA nativos y recombinantes, lo que aumenta el tiempo de apertura del canal y disminuye la desensibilización de una manera dependiente de la configuración de la subunidad.

El lantano es un cofactor esencial para la metanol deshidrogenasa de la bacteria metanotrófica Methylacidiphilum fumariolicum SolV, aunque la gran similitud química de los lantánidos significa que puede sustituirse con cerio, praseodimio o neodimio sin efectos nocivos, y con los más pequeños samario, europio, o gadolinio que no produce efectos secundarios aparte de un crecimiento más lento.

Precauciones

El lantano tiene un nivel de toxicidad de bajo a moderado y debe manejarse con cuidado. La inyección de soluciones de lantano produce hiperglucemia, hipotensión arterial, degeneración del bazo y alteraciones hepáticas. La aplicación en la luz de arco de carbono condujo a la exposición de las personas a óxidos y fluoruros de elementos de tierras raras, lo que a veces provocó neumoconiosis. Como el ion La es similar en tamaño al ion Ca, a veces se usa como un sustituto fácil de rastrear para este último en estudios médicos.Se sabe que el lantano, al igual que los otros lantánidos, afecta el metabolismo humano, reduce los niveles de colesterol, la presión arterial, el apetito y el riesgo de coagulación de la sangre. Cuando se inyecta en el cerebro, actúa como un analgésico, de manera similar a la morfina y otros opiáceos, aunque aún se desconoce el mecanismo detrás de esto.