I lantanidi sono quindici elementi che hanno numeri atomici che vanno dal lantanio al lutezio e hanno da 0 a 14 elettroni nel sottolivello 4f.
Procedendo lungo il gruppo, infatti, si va riempendo il guscio 4f, mentre la configurazione elettronica è per tutti gli elementi 6s2, con l’eccezione del lantanio che presenta il guscio 4f vuoto e configurazione esterna 5d16s2, del gadolinio che ha configurazione 4f7 5d1 6s2 e del lutezio che ha il guscio 4f pieno con configurazione 4f14 5d1 6s2. All’aumentare del numero atomico, quindi gli elettroni che si aggiungono sono relativamente interni, non di guscio esterno.
Contrazione lantanidica
Tale caratteristica fa sì che si parli di contrazione lantanidica, ovvero della graduale diminuzione del raggio atomico al crescere del numero atomico; la contrazione lantanidica si spiega considerando il minore effetto schermante che possiedono gli elettroni degli orbitali f nei confronti della carica nucleare dell’atomo, ed è responsabile del fatto che, in prima analisi i lantanidi abbiano proprietà simili se confrontate con le variazioni nette che si hanno all’aumentare del numero atomico negli altri blocchi della tavola periodica.
La loro somiglianza è così elevata che persino la separazione gli uni dagli altri risulta difficile.
Proprietà
I lantanidi hanno una sistematica variazione delle loro proprietà legata alla costante diminuzione del raggio ionico al crescere del numero atomico: la contrazione delle dimensioni ioniche è di ben 0.21 Å dal lantanio al lutezio.
Gli altri elementi appartenenti alla famiglia dei lantanidi sono: Cerio (Ce, 58), Praseodimio (Pr, 59), Neodimio (Nd, 60 ), Promezio (Pm, 61) , Samario (Sm, 62) Europio (Eu, 63), Gadolinio (Gd, 64), Terbio (Tb, 65), Disprosio ( Dy, 66), Olmio (Ho, 67), Erbio ( Er, 68) , Tulio ( Tm, 69), Itterbio (Yb, 70).
Venivano anticamente chiamati elementi delle terre rare per la loro somiglianza con l’alluminio, il cui ossido veniva chiamato terra, e per la loro presunta scarsità. In realtà alcuni di essi sono più abbondanti di elementi come lo stagno e il piombo e persino il tulio, è abbondante quasi come l’arsenico, il cadmio e il mercurio. Solo il promezio è stato prodotto artificialmente in quantità dell’ordine di milligrammi: i suoi isotopi sono presenti tra i prodotti di fissione dell’uranio. Di questi se ne conoscono undici tra i numeri di massa 141 e 151. L’isotopo a vita più lunga, il 14761Pm ha un tempo di dimezzamento di 2.64 anni.
Questi elementi, a causa della loro grande omogeneità di proprietà chimiche e fisiche si trovano raggruppati in natura.
Minerali
I lantanidi sono i cationi principali contenuti nella monazite, minerale bruno-rossastro di fosfato a formula generale MPO4 che si trova solitamente sotto forma di piccoli cristalli isolati. Vengono classificate quattro specie di monazite a seconda della composizione del minerale:
- Monazite- Ce (Ce, La, Pr, Nd, Th, Y) PO4
- Monazite- La ( La, Ce, Nd, Pr) PO4
- Monazite-Nd (Nd, La, Ce, Pr) PO4
- Monazite-Pr (Pr, Nd, Ce, La) PO4
Gli elementi tra parentesi vengono elencati rispetto alla relativa proporzione in cui i vari elementi si trovano nel minerale: ad esempio il lantanio è l’elemento più abbondante nella Monazite-La.
Nel minerale sono inoltre presenti tracce di SiO2 e piccole quantità di uranio e torio. A causa del decadimento α del torio e dell’uranio, la monazite contiene una certa quantità di elio che può essere estratto per riscaldamento. La monazite ha un grado di durezza compreso tra 5.0 e 5.5 della Scala di Mohs ed ha una densità che va da 4.6 a 5.7 g/cm3. La tabella riporta alcune proprietà chimico-fisiche degli elementi appartenenti alla famiglia dei lantanidi.
Dal lantanio al promezio
| Nome | Lantanio | Cerio | Praseodimio | Neodimio | Promezio |
| Simbolo | La | Ce | Pr | Nd | Pm |
| Numero atomico | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 |
| Peso atomico | 138.91 | 140.12 | 140.9 | 144.2 | 147 |
| Potenziale di ionizzazione | 5.61 eV | 6.91 eV | 5.76 eV | 6.31 eV | – |
| Raggio metallico | 1.87 Å | 1.82 Å | 1.82 Å | 1.81 Å | 1.81 Å |
| Raggio ionico | 1.02 Å | 1.03 Å | 1.01 Å | 0.99 Å | 0.97 Å |
| Potenziale normale M2+/M | -2.52 V | -2.87 V | -2.85 V | -2.84 V | -2.84 V |
| Punto di fusione | 920 °C | 798 °C | 935 °C | 1016 °C | 1168 °C |
| Punto di ebollizione | 3470 °C | 3257 °C | 3017 °C | 3127 °C | – |
| Densità g/cm3 | 6.16 | 6.77 | 6.47 | 7.0 | 7.2 |
| Abbondanza % | 1.8 ∙ 10-2 | – | 5.5 ∙ 10-4 | 2.4 ∙ 10-2 | – |
Dal samario al disprosio
| Nome | Samario | Europio | Gadolinio | Terbio | Disprosio |
| Simbolo | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy |
| Numero atomico | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 |
| Peso atomico | 150.0 | 151.9 | 157.2 | 158.9 | 162.6 |
| Potenziale di ionizzazione | 5.6 eV | 5.67 eV | 6.16 eV | 6.74 eV | 6.82 eV |
| Raggio metallico | 1.80 Å | 2.04 Å | 1.80 Å | 1.78 Å | 1.77 Å |
| Raggio ionico | 0.96 Å | 0.95 Å | 0.93 Å | 0.92 Å | 0.91 Å |
| Potenziale normale M2+/M | -2.83 eV | -2.83 eV | -2.82 eV | -2.79 eV | -2.78 eV |
| Punto di fusione | 1072 °C | 826 °C | 1312 °C | 1356 °C | 1407 °C |
| Punto di ebollizione | 1900 °C | 1439 °C | 3000 °C | 2480 °C | 2335 °C |
| Densità g/cm3 | 7.53 | 5.24 | 7.88 | 8.25 | 8.55 |
| Abbondanza % | 6.5 ∙ 10-4 | 10-4 | 6.5 ∙ 10-4 | 9 ∙ 10-4 | 4.5 ∙ 10-4 |
Dall’olmio al lutezio
| Nome | Olmio | Erbio | Tulio | Itterbio | Lutezio |
| Simbolo | Ho | Er | Tm | Yb | Lu |
| Numero atomico | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 |
| Peso atomico | 164.9 | 167.9 | 168.9 | 173 | 174.9 |
| Potenziale di ionizzazione | – | – | – | 6.2 eV | 5.0 eV |
| Raggio metallico | 1.76 Å | 1.75 Å | 1.74 Å | 1.94 Å | 1.73 Å |
| Raggio ionico | 0.89 Å | 0.88 Å | 0.86 Å | 0.85 Å | 0.84 Å |
| Potenziale normale M2+/M | -2.77 eV | -2.75 eV | -2.74 eV | -2.73 eV | -2.71 eV |
| Punto di fusione | 1470 °C | 1522°C | 1545 °C | 816 °C | 1675 °C |
| Punto di ebollizione | 2720 °C | 2510 °C | 1725 °C | 1193 °C | 3315 °C |
| Densità g/cm3 | 8.78 | 9.04 | 9.31 | 6.97 | 9.84 |
| Abbondanza % | 1.1 ∙ 10-4 | 2.5 ∙ 10-4 | 2 ∙ 10-4 | 2.7 ∙ 10-4 | 7.5 ∙ 10-5 |