Элементы III б подгруппы

1. Общая характеристика элементов

2. Природные формы и методы получения металлов

3. Физические и химические свойства

4. Соединения элементов

5. Области применения

1. Общая характеристика элементов

Эта подгруппа занимает особое положение в Периодической системе. Формально она самая многочисленная – 32 химических элемента: помимо четырех d-элементов – скандия, иттрия, лантана и актиния – в состав группы входят два семейства f-элементов – лантаноиды-14 и актиноиды-14. Между элементами скандия, иттрия, лантана и лантаноидами много общего по их распространенности в природе, методам получения и свойствам металлов, а также по составу, структуре и свойствам образуемых ими химических соединений.

Все три элемента Sc, Y, La имеют по три валентных электрона (n –1) d¹ns² и открывают ряды d-элементов. Эти элементы практически имеют одну степень окисления (+3), причем низшие степени окисления не реализуются из-за неустойчивости электронной конфигурации d¹, а высшая степень окисления (+4) невозможна из-за чрезвычайно устойчивости электронной конфигурации благородных газов.

Таблица 1

Основные характеристики элементов IIIБ подгруппы

Основные характеристики	Sc	Y	La
Атомная масса	44,956	88,906	238,906
Атомный радиус, нм	0,164	0,181	0,187
Потенциал ионизации, В Э0 → Э3+ + ē	6,54	6,38	5,58
Ионный радиус Э3+, нм	0,089	0,104	0,117
Электроотрицательность	1,20	1,11	1,08
Содержание в земной коре, % (масс.)	6 · 10-4	2,8 · 10-3	1,8 · 10-3
Плотность, г/см3	3,02	4,47	6,15; 6,19; 5,97
Температура кипения, °C	2836	3337	3454
Температура плавления, °C	1544	1520	920
Стандартный потенциал, эВ	2,08	2,37	2,52

2. Природные формы и методы получения металлов

Скандий – типичный рассеянный литофильный элемент. Собственные минералы скандия – тортвейтит Sc₂Si₂O₇, стереттит – ScPO₄ · 2H₂O – промышленного значения не имеют. Скандий содержится в вольфрамитах (Mn, Fe)WO₄, касситеритах SnO, бокситах Al₂O₃ · xH₂O, ильменитах, цирконах, урановых рудах, часто сопутствует рудам лантаноидов. Выделения Скандия весьма сложная задача ввиду его маленького содержания (от 0,01 – 1 %). Иттрий содержится во всех рудах, содержащих лантаноиды: монацит, бастенезит, апатит, лопарит и др. Как и скандий самостоятельных месторождений иттрий не образует, хотя имеет известные минералы, например, фергусонит YNbO₄ и др. Лантан всегда встречается вместе с лантаноидами.

Получение скандия, иттрий и лантана из природного сырья всегда связано с предварительным обогащением и получением концентратов, которые затем перерабатывают в чистые соединения. Из концентратов после кислотного или щелочного выщелачивания или спекания извлекают отдельные элементы методами экстракции, осаждения или ионного обмена. Скандий обычно осаждают в виде гидроксида, фторида, оксалата или карбоната. Удобство этого метода заключается в том, что эти малорастворимые соли растворяются в избытке осадителя с образованием комплексов с анионами [ScF₆]^3-; [Sc(C₂O₄)₃]^3-.

При очень низкой концентрации скандия в растворе применяют ионный обмен. Металлический скандий был впервые получен в 1897 г. шведским ученым Л. Ф. Нильсоном и назван в честь Скандинавии, хотя за 9 лет до этого он был предсказан Менделеевым. В настоящее время металл получают тремя методами:

1) электролизом расплава хлорида скандия, лития и калия при температуре 700 – 800 °С с выделением металлического скандия на жидком катоде из цинка с последующей вакуумной отгонкой цинка, лития и калия из сплава Zn – Sc при 1250 °С;

2) электролизом расплава при температуре 800 °С;

3) восстановлением фторида или хлорида скандия кальцием пр температуре 1500 – 1600 °С.

Рафинирование скандия проводится вторичным электролизом, сублимацией в вакууме или вытягиванием монокристаллов из расплава.

Металлический иттрий впервые был получен в 1794 г. финским ученым Ф. Гадолином и назван по названию минерала иттербита, найденного в Швеции близ селения Иттербю.

Лантан был впервые получен шведским ученым К. Мосандером и назван от греческого слова скрываться.