Lantan, periyodik sistemindeki kimyasal bir elementtidir. Adı, Yunanca “lantano” – gizlilikten tercüme edilen Latin Lanthanum’dan gelmektedir. Lantan, nadir bulunan bir nadir toprak metalidir. Atom numarası 57, atom kütlesi ise, 138.9050’dir. Doğada, element iki izotoptan oluşmaktadır. Bunlar; Lantan 139 ve radyoaktif lantan 138’i içermektedir.
Kısa atomik ve kimyasal özellikler
Periyodik tabloda altıncı periyotta olmakta ve III B grubundalardır. Yakınlarda seryum ve neodimyum vardır. Lantanın elektronik formülü: KLMN4s24p64d105s25p65d16s2, Eion(Me=>Me++e)=5.59 eV. Atom kütlesi 138.9055, atomun yarıçapı 187 pm ve yoğunluk santimetre küp başına 6.162 gramdır. Kristal kafes altıgendir. Periyodu 3.750 A’dır.
Lantan kimyasal elementinin atomu pozitif yüklü bir çekirdektir (+57). 57 proton ve 82 nötron içeriğinde bulunmaktadır. Çekirdek etrafında 6 yörüngede hareket halinde olan 57 elektron vardır.
Lantan elementinin keşfinin kısa tarihi
Lantan kimyasal elementinin varlığı teorik olarak tahmin edildikten sonra 36 yıldır bulunamamıştır. Bu metalin keşfi, 1803’te şimdi serit olarak bilinen minerali dikkatle inceleyen genç İsveçli kimyager Jens Jakob Berzelius’ tarafından tespit edilmiştir. Bilim adamı, yapısının heterojen olduğunu ve bilinmeyen bazı elementler içerdiğini belirlemiştir.
Bir süre önce, Erdman adlı bir kimyager-öğrenci, Norveç kayalarında bilim tarafından bilinmeyen ve öğretmeni Karl Mosander – mosanderite adını verdiği bir mineral keşfetmiştir.
Bir süre sonra, Mozander bir kez daha bulunan mineralleri ayrıntılı olarak incelemiş ve gerçekten de bilimin bilmediği bir metal içerdiği sonucuna varmıştır. Ancak bu elementi 1839’da kanıtlayacak kadar şanslı olmuştur. Deneylerinin bir sonucu olarak, Berzelius’un Lantan olarak adlandırmayı önerdiği yeni bir elementi izole etmiştir.
Kimyasal özellikler, görünüm
Lanthanum yumuşaklık ve dövüle bilirlik bakımından farklılık göstermektedir. Metal yapışkandır. Kimyasal özellikler ise, sıradandır. Ancak yüksek refrakterlik ile karakterize edilmektedir. Lantan gümüşi beyaz bir metaldir. Kuru havaya maruz kaldıklarında oksitlenmeden, oksit film ile iç yapılarını korumaktadır. Bununla birlikte, havada hafif bir nem bile varsa, metalik lantan oldukça hızlı bir şekilde oksitlenmekte ve hidroksite dönüşmektedir.
Bu metal oksijen ortamında 400 santigrat dereceye kadar ısıtıldığında yanmaktadır. Oluşan alev ise, büyük bir ısı salınımı ile parlak olmaktadır.
Bir nitrojen atmosferinde ısıtıldığında, lantan siyah nitrür oluşturmaktadır. Klorlu ortamda ise, oda sıcaklığında tutuşabilmektedir. Ayrıca mineral asitlerde iyi çözünmektedir. Alkali çözeltilere de tepki vermemektedir. Lantan kimyasal elementinin bileşikleri 3+ değere sahiptir. Hidrojen ile temas ettiğinde metal, halihazırda yaklaşık 20-25 santigrat derecelik bir ortam sıcaklığında büyük miktarda ısı salmaya başlamaktadır. Bunun dışında Lantan, sıcaklığa bağlı olarak farklı hidrojen absorpsiyon derecelerine sahip olduğundan, değişken hidritler oluşturmaktadır.
Elde Etme
Başlangıçta, Lantan saf haliyle saptanmamıştır. Ancak büyük miktarda safsızlıkla elde edilmeye çalışılmıştır. Mozander, bu kimyasal elementi Lantan klorür ve potasyumun ısıtılması sürecinde almıştır. Günümüzde endüstri, yaklaşık %100 saflıkta lantan elde etme yeteneğine sahiptir. Lantan kimyasal elementi, hammaddenin fraksiyonlarına ayrılmasıyla bağlantılı uzun ve karmaşık bir kimyasal işlemle izole edilmektedir.
Lantan her zaman neodim, seryum ve praseodim ile birlikte kayalarda bulunmaktadır. Başlangıçta, seryum bu tür kayalardan izole edilmektedir. Ancal daha sonra diğer kimyasal elementler iyon kromatografisi ve ekstraksiyon ile izole edilmektedir.
Ayrıca çökeltme ile lantan oksalat olarak ayrılmakta ve kalsine edilmektedir. Bu durum da sonuç ise, lantan oksittir.
Bir metal olarak lantan, büyük miktarlarda lantan içeren bileşiklerin kalsiyuma maruz bırakılmasıyla veya belirli kimyasal katalizörlerle kombinasyon halinde elektroliz yoluyla elde edilmektedir. Günümüzde, endüstriyel ölçekte %99,9’a kadar yüksek saflıkta metal elde etmek için daha gelişmiş ekstraksiyon ve iyon değiştirme yöntemleri kullanılmaktadır. Ayrıca bu elementin izolasyon teknolojileri, özel kimya ders kitaplarında ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.
Doğada Bulunması
Yerkabuğunda, lantan kimyasal elementi nadir bulunan bir maddedir. Ayrıca nadir toprak elementleri olarak anılması da boşuna değildir. Bununla birlikte doğada saf halde bulunmamaktadır. Minerallerin bir parçasıdır. Yani: bastensit, monosit, lopartit ve apatit elementlerinin bir parçasıdır. Bu çok yaygın bir elementtir. Yerkabuğunda, gezegenin toplam kütlesinin 1.8.10-3’ü kadar alan kaplamaktadır.
Lantanit ailesi
Lantan kimyasal elementi, adını 15 metalin bir araya geldiği bir gruba vermiştir. Diğer elementler gibi değillerdir. Ayrıca ortak adları lantanidlerdir. Endüstride oldukça aktif olarak kullanılmalarına rağmen, şimdiye kadar çok az çalışılmış olmaları ile ayırt edilmektelerdir. Günümüzde lantanitlere ilgi çok yüksektir. İlk nükleer reaktörler çalışmaya başladıktan sonra da önemli ölçüde artmıştır. Bunlar, diğer şeylerin yanı sıra yan ürünler olarak lantanit grubunun unsurlarını oluşturmaktadır. Lantanit grubunun metallerinin tüm temsilcileri prometyum hariç, kararlı izotoplara sahiptir. Toplamda, aşağıdaki metaller bu nadir toprak elementleri serisine (grubuna) aittir. Bunlar;
Lantan uygulamaları
Yerkabuğunda lantanit grubuna ait metallerin çok az olmasına rağmen, endüstride yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Lantan içeren malzemelerden son derece popüler ve aranan çakmakların tekerlekleri de yapılmaktadır. Bu nedenle, optik camların (lantan cam olarak adlandırılan) imalatı için lantan oksit kullanılmaktadır. Bu metal kullanılarak yapılan lensler, prizmalar fotoğraf ve film ekipmanlarında, astronomik optikte kullanılmaktadır.
Magnezyum, stronsiyum veya kalsiyum ile alaşımlanmış lantan kromit, oksijen atmosferinde 1780 santigrat dereceye kadar sıcaklıklarda çalışabilen güvenilir bir elementtir. Ayrıca yüksek sıcaklıklı ısıtıcıların imalatında kullanılmaktadır.
Artan sıcaklıkla, lantan kromitinin direnci azalmaktadır. Lantan kimyasal elementinin termal genleşme katsayısı, elektrikli ısıtıcıların önemli dayanıklılık ile ayırt edilmesinin bir sonucu olarak oldukça düşüktür. Ayrıca Lantan oksitler, yüksek sıcaklıklarda çalışmak üzere tasarlanmış süper iletkenlerin sentezinde kullanılmaktadır.
Lantan kimyasal elementi, cam odalara yönelik özel camların imalatında uygulaması da bulmuştur. Yapısı lantan bileşikleri içeren bu tür tuvaller benzersiz özelliklere sahiptir. Bu nedenle odalarda sıcaklığı 7 dereceye kadar azaltılabilmektedir.
Lantan-nikel alaşımları (hidritler), hidrojen akümülatörleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Geniş ve güvenilir depolardır. Onlar için, alternatif yakıtları depolamak için kaplar olarak otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaya açıktır.
Elektronikte lantan iletken olarak kullanılmaktadır. Ayrıca Lanthanum hexaboride elektron mikroskoplarında uygulamasını bulmuştur. Bu nedenle, elektron mikroskobu sistemlerinin çözünürlüğünü önemli ölçüde artırmayı ve hizmet ömürlerini artırmayı mümkün kılmıştır.
Lantan kimyasal elementinin kullanımı için başka bir olasılık olarak, modern araştırmacılar onu katı elektrolitli yeni bir pil tipinin ana bileşeni olarak görmüşlerdir. Deneyler, bu tür kaynakların yüksek bir özgül elektrik kapasitesine sahip olduğunu da göstermektedir. Bunun nedeni kayıpsız uzun bir enerji depolama süresine sahip olmalarıdır. Ayrıca dayanıklılık bakımından da farklılık göstermektedir. Sonuç olarak, yakın gelecekte diğer pillerle ciddi şekilde rekabet edebilirler.
Tıpta, lantan içeren müstahzarlar hiper fosfatemide uygulamada bulunmuştur. Yemek yerken fosfatların emilimini önleyen bir ilaç olarak da reçete edilmektelerdir.
Nükleer endüstride Lantan
Yüksek saflıkta metal lantan nükleer endüstride çok önemli bir elemettir. Bu kimyasal element, plütonyum üretmek için nükleer yakıt işleme teknolojisinde vazgeçilmezidir. Erimiş lantan, metalik plütonyumun bir safsızlık olarak dahil edildiği erimiş uranyum içine dökülmektedir. Ayrıca bu durum da hemen uranyumdan plütonyum izotoplarını çıkarmaya başlamakta ve yavaş yavaş yüzeye çıkmaktadır. Bu nedenle de yüzeyde yüzmeye başlayacaktır. Uranyum ile karışmaz. Elde edilen alaşım daha sonra plütonyumu çıkarmak için kimyasal yollarla işlenmektedir. Sonuç olarak, nükleer fizikçiler, lantanumun nükleer silahların babası olduğunu iddia etmektedir.
Özellikler ve yapı
Her şey 1826’da birkaç bilim adamının yeni dünyayı temsil eden iki bilinmeyen malzeme keşfetmesiyle başlamıştır. Bu yeni yeryüzü, bazı araştırmacıların ardından itriyum ve seryum olarak da adlandırılmıştır. İşin garibi, yeryüzü nihayet homojen olarak tanınmamış ve bazı kirlilikler tespit edilmiştir. Daha onlarca yıl sonra bu topraklar, aralarında Berzelius Mozander’in de bulunduğu bilim adamları tarafından omuzları üzerinde araştırmaya tabi tutulmuş ve Lantan’ın keşfi kaydedilmiştir. Lantan, seryum toprağında küçük lantan tozu parçacıkları şeklinde bulunmuştur. İşin garibi lantan tozunun keşfiyle, lantan maddesinin kendisini keşfetmek de zor olmamıştır.
Kimyasal özellikleri
Lanthanum, seri ve atom numarası 75 olan nadir toprak malzemelerinden biridir. Bu maddenin atom kütlesinin 138,91 olduğu, yoğunluğu ise oldukça düşük olduğu 6,16 g/cm3 olduğu hesaplanmıştır. Aynı zamanda, bu malzemenin ana ve benzersiz özelliği, bu malzemenin yüksek refrakterliği ve 920 santigrat derece olan yüksek erime noktasıdır. Bu malzemenin sertliği, aynı zamanda su elementlerini de ayrıştırdığı için kalay elementleriyle tam olarak karşılaştırılabilmektedir.
Ek olarak, bu malzeme çeşitli asitlerle kimyasal reaksiyonlarda mükemmel özelliklere sahiptir. Bu malzeme, erime noktasından çok daha düşük olan belirli bir sıcaklığa ısıtılırsa, klor ve kükürt elementleriyle de reaksiyona girebilmektedir.
Açık havada, bu malzeme çok kolay oksitlenmektedir. Bu nedenle yüzeyinde, malzemenin içinde oksitlenmesini önleyen özel bir film vardır.
Bu işlem, bu malzemenin kimyasal ve fiziksel özellikleri için oldukça benzersiz ve kullanışlıdır. Bunun nedeni yüzeyde zamanla malzemenin iç kristal kafesi bozulmamasıdır. Malzeme bozulmadan kalmakta ve dahili bir hasarı olmamaktadır. Ancak aynı zamanda üstte ince bir oksitlenmiş film oluşmaktadır.
Fiziksel Özellikleri
Daha önce bahsedildiği gibi, düşük yoğunlukta yüksek erime noktasında benzersizdir. Erime noktası yaklaşık 920 santigrat derecedir. Ancak bu durum, benzersiz özelliklerinin tümü değildir. Nispeten düşük yoğunluğu ile lantan çok yüksek bir dahili kaynama noktasına sahiptir. Fiziksel özelliklerine göre, lantan biraz gümüş granülleri andıran gümüşi-beyazımsı bir renge sahiptir. Bu malzeme, uygulama aralığını büyük ölçüde genişleten çok sünek ve dövülebilirdir.
Genel olarak, oldukça pahalı bir malzeme olduğu için saf lantan kullanılamamaktadır. Bununla birlikte bu malzeme, son ürünün iletken sıcaklığını arttırmak için çelik ve dökme demir bileşimine çok sık eklenmektedir.
Bazen Lanthanum moleküler biyolojide de kullanılmaktadır. Çünkü belirli biyolojik göstergeleri belirlemek için ışınların spektrumunu mükemmel bir şekilde genişletmenize izin vermektedir. Özelliklerinin daha basit anlaşılması için Lanthanum, LED ekranların ve lambaların oluşturulmasında da kullanılmaktadır. Ayrıca, bu malzeme herhangi bir bilgisayar teknolojisi için bellek cihazları oluşturmak için de kullanılmaktadır.
Lantan Madenciliği
Doğada çok yaygın değildir. Ayrıca genellikle bastnäsite ve monazit gibi minerallerde bulunmaktadır. Ek olarak, bu malzeme diğer birçok mineralde çok küçük miktarlarda bulunmaktadır. Lantan da dahil olmak üzere nadir toprak malzemeleri, dünya çapında yalnızca birkaç ülke tarafından çıkarılmaktadır. Lantanyum üreten en büyük ülkeler Çin, ABD ve Hindistan’dır. %99’a varan saflıkta Lantan konsantresinin ekstraksiyonu için, daha önce sunulan kayanın kaba, orta ve ince kırma ilkeleri kullanılmaktadır.
Lantan’ın küçük kırıntıları elde edildikten sonra, %99 saf Lantan’ı ortaya çıkarmayı mümkün kılan bir yapay zenginleştirme sürecinden geçmektedir.
Bu süreç karmaşık değildir. Ancak bu ürünün nihai fiyatını etkileyen oldukça uzun bir zaman almaktadır.
Lanthanum’un Nadirliği
Bu malzeme oldukça nadirdir. Çünkü dünya çapında sadece iki malzemede büyük miktarlarda bulunmaktadır. Ayrıca diğer malzemeler Lantan elementlerinin sadece küçük bir kısmını içermektedir. Lantan’ın en büyük ithalatçısı, yılda yaklaşık 100 bin ton Lantan üreten ve element üreten Çin’dir. Bu malzeme doğada saf haliyle bulunmadığından, yapay sentez ve zenginleştirme süreci gerçekleşmektedir.
Bu süreç karmaşık bir yapıya sahiptir. Ayrıca uzun zaman almakta ve bu da nihai fiyatlandırmayı etkilemektedir. Zenginleştirme işleminden önce, Lanthanum’un gelecekteki parçacıkları bir ezme işleminden geçirmektedir. Aynı şekilde son derece ince bir fraksiyona dua etmektedir. Bu da sonunda Lanthanum’un kimyasal elementi olmasına neden olmaktadır.
