Лантан оксид: свойства и применение

Лантан оксид - уникальное химическое соединение, широко используемое в промышленности и науке. Открытие элемента лантана в 1839 году Карлом Мосандером стало отправной точкой для создания новых технологий и разработок.

История открытия и получения лантана оксида

Элемент лантан был впервые выделен в 1839 году шведским химиком Карлом Мосандером при исследовании минерала церита в Стокгольме. До этого, в 1803 году другой шведский ученый Йонс Берзелиус открыл оксид церия в том же минерале. Мосандер, работавший под руководством Берзелиуса, предположил, что церий на самом деле является смесью двух элементов.

Мосандер взял нитрат церия в виде порошка и добавил холодную разбавленную азотную кислоту. Часть нитрата диссоциировала в кислоте, показывая, что в составе действительно есть новый элемент, который в действительности являлся базовым, в отличие от церия.

Используя осадительную реакцию с оксалатом натрия и нагревание, Мосандер выделил осадок нового элемента, который Берзелиус назвал лантаном (от греческого "скрытый").

Первое промышленное применение лантан нашел в 1885 году, когда австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах запатентовал состав для газовых фонарей под названием "актинофор". Этот состав включал 60% оксида магния, 20% оксида лантана и 20% оксида иттрия. Однако из-за зеленоватого оттенка света фонари с актинофором не получили широкого распространения.

Существует несколько способов получения лантана оксида в промышленности:

• Прямое окисление металлического лантана кислородом воздуха при нагревании
• Термическое разложение лантана нитрата, гидроксида, карбоната и других солей
• Окисление сульфида лантана

Химические и физические свойства

Лантан оксид имеет химическую формулу La2O3, что означает, что в соединении присутствуют 2 атома лантана на 3 атома кислорода. Молярная масса составляет 325,81 г/моль.

Физически это белый кристаллический порошок без запаха, плотностью 6,51 г/см3. Температура плавления 2280°C, а температура кипения 4200°C. Воспламеняется при температуре выше 400°C.

Лантан оксид не растворяется в воде, но хорошо вступает в реакцию с кислотами. Также этот оксид способен поглощать углекислый газ из воздуха с образованием основного карбоната лантана:

В присутствии восстановителей оксид лантана может взаимодействовать с газообразным хлором и сероводородом. Например:

• 2La₂O₃ + 6HCl + 3Zn → 4LaCl₃ + 3ZnCl2 + 3H2O
• La₂O₃ + 3H₂S → 2La₂S₃ + 3H₂O

Применение лантана оксида

Лантан оксид находит широкое применение в различных областях промышленности и науки.

В металлургии его используют в качестве раскислителя и модификатора при производстве стали и чугуна. Добавка оксида лантана позволяет улучшить механические свойства металла, повысить износостойкость, коррозионную стойкость и другие характеристики.

Благодаря высокому показателю преломления, лантан оксид широко используется при производстве оптических линз и волоконно-оптических кабелей. Он входит в состав специальных оптических стекол.

Оксид лантана цена

Стоимость оксида лантана на рынке варьирует в зависимости от производителя, объема партии и чистоты продукта. В России цена за 1 кг высокочистого оксида лантана 99,999% составляет около 70 000 рублей.

Оксид лантана III

Обозначение оксид лантана(III) или оксид лантана III указывает на степень окисления атома лантана, равную +3. Это соответствует тому, что в формуле La₂O₃ лантан находится в окисленном трехвалентном состоянии.

Что такое оксид лантана

Оксид лантана - это бинарное неорганическое соединение, состоящее из атомов металла лантана и кислорода. По химической природе представляет собой основной оксид, так как при взаимодействии с кислотами, кислотными оксидами образует соли лантана.

Примеси в оксиде лантана

Оксид лантана, используемый в оптической промышленности, должен иметь высокую чистоту по примесям других редкоземельных элементов. Основные примеси - это оксиды церия, празеодима, неодима, иттербия и эрбия. Их содержание в высокочистом лантана оксиде не превышает сотых и тысячных долей процента.

Применение в нефтепереработке

Еще одно перспективное направление использования лантана оксида - это нефтепереработка и нефтехимия. Добавки оксида лантана к катализаторам крекинга и риформинга позволяют увеличить выход целевых фракций - высокооктанового бензина, дизельного топлива, авиационного керосина.

Применение в водородной энергетике

Соединения лантана, в частности лантан оксид, активно исследуются как перспективные материалы для водородной энергетики. Их добавляют в состав электролитов и электродов твердооксидных топливных элементов - устройств, которые напрямую преобразуют химическую энергию водорода в электричество.

Применение в сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве изучается возможность использования лантана оксида в качестве микроудобрения для стимулирования роста и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Положительный эффект наблюдался при выращивании пшеницы, кукурузы, сои и других культур.

Токсичность и меры предосторожности

Несмотря на широкое применение, лантан оксид обладает умеренной токсичностью. При проглатывании возможно отравление, раздражение слизистых и внутренних органов. Вдыхание пыли оксида лантана вызывает раздражение органов дыхания. При работе требуются защитные очки, перчатки, респиратор.

Утилизация отходов с оксидом лантана

Отработанные катализаторы и другие промышленные отходы, содержащие оксид лантана, нуждаются в специальных методах переработки и утилизации во избежание попадания токсичных веществ в окружающую среду. Разрабатываются технологии извлечения ценных редкоземельных компонентов из таких отходов.

Производство продуктов на основе лантана оксида

На основе лантана оксида производятся различные неорганические и органические соединения лантана, которые также находят широкое применение в промышленности и научных исследованиях:

• Галогениды (фторид, хлорид, бромид лантана)
• Сульфаты и нитраты
• Комплексные фториды и оксифториды
• Алкоголяты на основе лантана

Методы синтеза

Получение этих соединений осуществляют методами прямого синтеза из оксида лантана или путем замещения атомов в молекуле исходных реактивов на атом лантана. Например:

• La2O3 + 6HCl → 2LaCl3 + 3H2O
• La2O3 + H2SO4 → La2(SO4)3 + H2O

Очистка полученных продуктов

Для использования в высокотехнологичных отраслях получаемые на основе лантана оксида вещества подвергают дополнительной многостадийной очистке от примесей методами перекристаллизации, сублимации, экстракции и ионного обмена.

Упаковка и хранение

Готовую продукцию упаковывают в специальные герметичные пластиковые, металлические или комбинированные контейнеры в зависимости от условий хранения и транспортировки. Хранят в сухом месте при комнатной температуре.

Перспективы использования лантана и его соединений

С каждым годом растет спрос на редкоземельные металлы, в том числе лантан и лантан оксид, для высокотехнологичных отраслей промышленности. Это стимулирует научные исследования и разработку новых областей применения лантана и его производных.