鑭系元素的三氯化物
![本頁使用了標題或全文手工轉換](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cd/Zh_conversion_icon_m.svg/35px-Zh_conversion_icon_m.svg.png)
鑭系元素的三氯化物是一組化學式為LnCl3的無機化合物,其中Ln代表任何鑭系元素。三氯化物在鑭系元素的應用和學術化學研究中是標準的試劑。它們以無水固體和水合物形式存在。
性質
無水固體的熔點從582 °C(Tb)到925 °C(Lu)不等。它們一般呈淡色,通常是白色。
MCl3 | 顏色 | 結構類型 | 備註 |
---|---|---|---|
ScCl3 | 無色 | AlCl3型 | 通常不歸類為鑭系元素 |
YCl3 | 無色 | AlCl3型 | 通常不歸類為鑭系元素 |
LaCl3 | 無色 | UCl3型 | 抗磁性 |
CeCl3 | 無色 | UCl3型 | - |
PrCl3 | 綠色 | UCl3型 | - |
NdCl3 | 粉紅色 | UCl3型 | - |
PmCl3 | 綠色 | UCl3型 | 放射性 |
SmCl3 | 黃色 | UCl3型 | - |
EuCl3 | 黃色 | UCl3型 | - |
GdCl3 | 無色 | UCl3型 | 對稱電子層 |
TbCl3 | 白色 | PuBr3型 | - |
DyCl3 | 白色 | AlCl3型 | - |
HoCl3 | 黃色 | AlCl3型 | - |
ErCl3 | 紫色 | AlCl3型 | - |
TmCl3 | 黃色 | AlCl3型 | - |
YbCl3 | 無色 | YCl3型 | - |
LuCl3 | 無色 | AlCl3型 | 抗磁性 |
製備
鑭系元素的氧化物和碳酸鹽在鹽酸中溶解,得出水合陽離子的氯鹽:
- M2O3 + 6 HCl + n H2O → 2 [Ln(H2O)n]Cl3
工業途徑
- M2O3 + 3 Cl2 + 3 C → 2 MCl3 + 3 CO
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ec/Oxides_and_Clorides_of_lanthanides.jpg/1000px-Oxides_and_Clorides_of_lanthanides.jpg)
氯化銨途徑
氯化銨途徑是指鑭系元素的無水氯化物的一種生產過程。這個方法好處在於,它適用於所有14個鑭系元素,而且可以生成耐水解、對空氣穩定的中間體。使用氯化銨作為試劑相當方便,因為鹽是無水的,即使在空氣中處理也會如此。另一個好處是,氯化銨會在與三氯化物的穩定性相容的溫度,熱分解成揮發性產物。[3][4][5]
- 第一步:製備鑭系元素的氯銨化物
鑭系元素的氧化物和過量氯化銨的混合物進行反應時,會生成五氯化物和六氯化物的無水銨鹽。通常需要讓混合物在230-250 °C下反應數小時。[4]部分鑭系元素(以及鈧和釔)會形成五氯化物:
- M2O3 + 10 NH4Cl → 2 (NH4)2MCl5 + 3 H2O + 6 NH3
- Tb4O7 + 22 NH4Cl → 4 (NH4)2TbCl5 + 7 H2O + 14 NH3
其他鑭系元素則會形成六氯化物:
- M2O3 + 12 NH4Cl → 2 (NH4)3MCl6 + 3 H2O + 6 NH3
(M = La、Ce、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd)
- Pr6O11 + 40 NH4Cl → 6 (NH4)3PrCl6 + 11 H2O + 22 NH3
這些反應也可以以金屬開始,例如:[4]
- Y + 5 NH4Cl → (NH4)2YCl5 + 1.5 H2 + 3 NH3
- 第二步:將鑭系元素的氯銨化物熱分解
鑭系元素的氯銨化物在真空下受熱,轉化為三氯化物。這個反應通常在350–400 °C開始:[4]
- (NH4)2MCl5 → MCl3 + 2 HCl + 2 NH3
- (NH4)3MCl6 → MCl3 + 3 HCl + 3 NH3
其他方法
結構
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9f/ICCD22343.png/320px-ICCD22343.png)
如上表所示,無水三氯化物主要有兩種結構,UCl3和YCl3。UCl3結構有配位數為9的金屬原子。只有TbCl3具有的PuBr3結構,其金屬原子的配位數為8。其餘金屬的配位數為6,與三氯化鋁一樣。[7]
反應
在商業中,用物質(如鋁)還原鑭系元素的三氯化物,可得所對應的金屬:[2]
- LnCl3 + Al → Ln + AlCl3
在某些情況下,三氟化物更常用。
它們與潮濕空氣反應生成氯氧化物:
- LnCl3 + H2O → LnOCl + 2 HCl
對研究合成的科學家來說,這個反應反而會產生問題,因為氯氧化物的活潑性較低。
參考文獻
- ^ Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 (英語).
- ^ 2.0 2.1 I. McGill, Rare Earth Elements, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH, 2005, doi:10.1002/14356007.a22_607
- ^ 3.0 3.1 Brauer, G. (編). Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd. New York: Academic Press. 1963.
- ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 Meyer, G. The Ammonium Chloride Route to Anhydrous Rare Earth Chlorides-The Example of YCl3. Inorganic Syntheses 25. 1989: 146–150. ISBN 978-0-470-13256-2. doi:10.1002/9780470132562.ch35.
- ^ Edelmann, F. T.; Poremba, P. Herrmann, W. A. , 編. Synthetic Methods of Organometallic and Inorganic Chemistry VI. Stuttgart: Georg Thieme Verlag. 1997. ISBN 978-3-13-103021-4.
- ^ Habenschuss, A.; Spedding, F. H. Dichlorohexaaquagadolinium(III) Chloride (GdCl2(H2O)6)C. Crystal Structure Communications. 1980, 9: 213-218.
- ^ Cotton, Simon A. Scandium, Yttrium & the Lanthanides: Inorganic & Coordination Chemistry. Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry. 2011. ISBN 9781119951438. doi:10.1002/9781119951438.eibc0195.
|