Lanthane

Le lanthane est un élément chimique, de symbole La et de numéro atomique 57.

Lanthane
Échantillon de lanthane.
Baryum ← Lanthane → Cérium —     57 La                                                                                                                                                                                                                                                                                           ↑ La ↓ Ac Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole	La
Nom	Lanthane
Numéro atomique	57
Groupe	n. a. ou groupe 3[a]
Période	6e période
Bloc	Bloc f ou d[b]
Famille d'éléments	Lanthanide
Configuration électronique	[Xe] 5d1 6s2
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 18, 18, 9, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique	138,905 47 ± 0,000 07 u[2]
Rayon atomique (calc)	195 pm
Rayon de covalence	207 ± 8 pm[3]
État d’oxydation	3
Électronégativité (Pauling)	1,1
Oxyde	Base forte
Énergies d’ionisation[4]
1re : 5,576 9 eV	2e : 11,059 eV
3e : 19,177 3 eV	4e : 49,95 eV
5e : 61,6 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD MeV 137La {syn.} 60 000 ans ε 0,600 137Ba 138La 0,09 % 1,05×1011 ans ε β- 1,737 1,044 138Ba 138Ce 139La 99,91 % stable avec 82 neutrons
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire	solide
Masse volumique	6,145 g·cm-3 (25 °C)[2]
Système cristallin	Hexagonal compact double
Dureté (Mohs)	2,5
Couleur	blanc argenté
Point de fusion	920 °C[2]
Point d’ébullition	3 464 °C[2]
Énergie de fusion	6,2 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation	414 kJ·mol-1
Volume molaire	22,39×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur	1,33×10-7 Pa à 1 193 K
Vitesse du son	2 475 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique	190 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique	1,26×106 S·m-1
Conductivité thermique	13,5 W·m-1·K-1
Divers
No CAS	7439-91-0[5]
No ECHA	100.028.272
No CE	231-099-0[6]
Précautions
SGH[6] ,[7]
État pulvérulent : Danger H260, EUH014, P223, P231, P232, P370, P378 et P422 H260 : Dégage, au contact de l'eau, des gaz inflammables qui peuvent s'enflammer spontanément EUH014 : Réagit violemment au contact de l'eau P223 : Éviter tout contact avec l’eau, à cause du risque de réaction violente et d’inflammation spontanée. P231 : Manipuler sous gaz inerte. P232 : Protéger de l’humidité. P370 : En cas d’incendie : P378 : Utiliser … pour l’extinction. P422 : Stocker le contenu sous …
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le lanthane a donné son nom à la famille des lanthanides qui font partie des terres rares. Son nom dérive du verbe grec ancien λανϑάνειν / lanthánein, « être caché, demeurer caché »^[8] : le lanthane est resté longtemps caché dans l'oxyde de cérium^[Lequel ?].

À température ambiante le corps simple est un métal gris argent, malléable, ductile, assez mou pour être coupé au couteau. Il s'oxyde à l'air et dans l'eau.

Historique

Echantillon de lanthane.

Découvertes des terres rares.

Yttrium (1794) Yttrium Terbium (1843) Erbium (1843) Erbium Erbium Thulium (1879) Holmium (1879) Holmium Dysprosium (1886) Ytterbium (1878) Ytterbium Ytterbium Lutécium (1907) Scandium (1879) Cérium (1803) Cérium Lanthane (1839) Lanthane Didyme (1839) Didyme Néodyme (1885) Praséodyme (1885) Samarium (1879) Samarium Samarium Europium (1901) Gadolinium (1880) Prométhium (1947)

Diagrammes des découvertes des terres rares. Les dates entre parenthèses sont les dates d'annonces des découvertes[9]. Les branches représentent les séparations des éléments à partir d'un ancien (l'un des nouveaux éléments conservant le nom de l'ancien, sauf pour le didyme).

Le lanthane a été découvert dans la « terre » d'oxyde obtenue par Johan Gadolin et Anders Gustaf Ekeberg à partir de la gadolinite et de l'euxénite. Le lanthane sous forme d'oxyde a été isolé en 1839 par Carl Gustaf Mosander. En 1923, on a préparé pour la première fois du lanthane métallique raisonnablement pur.

On extrait le lanthane de la monazite ((Ce, La, Th, Nd,Y)PO₄) et de la bastnäsite ((Ce, La, Th, Nd,Y)(CO₃)F). Sa séparation d'avec les autres terres rares est délicate.

Caractéristiques

Propriétés physiques

Le lanthane est le premier élément et le prototype de la série des lanthanides. Dans le tableau périodique, il apparaît à droite du baryum, un métal alcalino-terreux, et à gauche, du lanthanide cérium. Le lanthane est généralement considéré comme le premier des éléments du bloc f par les auteurs écrivant sur le sujet^{[10],[11],[12],[13],[14]}. Les 57 électrons d’un atome de lanthane sont disposés dans la configuration [Xe]5d¹6s², avec trois électrons de valence à l'extérieur du coeur de gaz noble. Dans les réactions chimiques, le lanthane abandonne presque toujours ces trois électrons de valence des sous-couches 5d et 6s pour prendre l’état d'oxydation +3, obtenant la configuration stable du xénon, le gaz noble précédent^[15]. Certains composés du lanthane(II) sont également connus, mais ils sont généralement beaucoup moins stables^[16],[17]. Le monoxyde de lanthane (LaO) produit de fortes bandes d’absorption dans certains spectres stellaires^[18].

Parmi les lanthanides, le lanthane est exceptionnel car il n’a pas d’électrons 4f en tant qu’atome unique en phase gazeuse. Il n’est donc que très faiblement paramagnétique, contrairement aux lanthanides tardifs fortement paramagnétiques (à l’exception des deux derniers, l’ytterbium et le lutécium, où la sous-couche 4f est complètement pleine)^[19]. Cependant, la sous-couche 4f du lanthane peut devenir partiellement occupée dans des environnements chimiques et participer à la liaison chimique^[20],[21]. Par exemple, les points de fusion des lanthanides trivalents (tous sauf l’europium et l’ytterbium) sont liés à l’étendue de l’hybridation des électrons 6s, 5d et 4f (diminuant avec l’implication croissante de 4f)^[22], et le lanthane a le deuxième point de fusion le plus bas d’entre eux : 920 °C (l’europium et l’ytterbium ont des points de fusion plus bas parce qu’ils délocalisent environ deux électrons par atome au lieu de trois)^[23]. Cette disponibilité chimique des orbitales f justifie le placement du lanthane dans le bloc f malgré sa configuration anormale de l’état fondamental^[24],[25] (qui est simplement le résultat d’une forte répulsion interélectronique rendant moins rentable l’occupation de la sous-couche 4f, car elle est petite et proche des électrons du noyau)^[26].

Les lanthanides deviennent plus durs au fur et à mesure que la série est traversée : comme prévu, le lanthane est un métal mou. Le lanthane a une résistivité relativement élevée de 615 nΩm à température ambiante ; en comparaison, la résistivité d’un bon conducteur comme l'aluminium n’est que de 26,50 nΩm^[27],[28]. Le lanthane est le moins volatil des lanthanides^[29]. Comme la plupart des lanthanides, le lanthane a une structure cristalline hexagonale à température ambiante (α-La). À 310 °C, le lanthane se transforme en une structure cubique centrée (β-La), et à 865 °C, il se transforme en une structure cubique à faces centrées (γ-La)^[28].

Propriétés chimiques

Comme prévu d’après les tendances périodiques, le lanthane a le plus grand rayon atomique des lanthanides. Par conséquent, il est le plus réactif d’entre eux, se ternissant assez rapidement à l’air, devenant complètement noir après plusieurs heures et peut facilement brûler pour former de l’oxyde de lanthane(III), La₂O₃, qui est presque aussi basique que l’oxyde de calcium^[30]. Un échantillon de lanthane d’un centimètre cube se corrodera complètement en un an car son oxyde se détache comme de la rouille de fer, au lieu de former une couche d’oxyde protectrice comme l’aluminium, le scandium, l’yttrium et le lutécium^[31]. Le lanthane réagit avec les halogènes à température ambiante pour former les trihalogénures et, lors du chauffage, forme des composés binaires avec les non-métaux azote, carbone, soufre, phosphore, bore, sélénium, silicium et arsenic^[15],[16]. Le lanthane réagit lentement avec l’eau pour former de l’hydroxyde de lanthane(III), La(OH)₃^[32]. Dans l’acide sulfurique dilué, le lanthane forme facilement l’ion tripositif hydraté [La(H₂O)₉]³⁺ : celui-ci est incolore en solution aqueuse car La³⁺ n’a pas d’électrons d ou f. Le lanthane est la base la plus forte et la plus dure parmi les éléments de terres rares, ce qui est encore une fois attendu car il est le plus grand d’entre eux^[33].

Certains composés du lanthane(II) sont également connus, mais ils sont beaucoup moins stables^[16]. Par conséquent, lors de la dénomination officielle des composés du lanthane, son nombre d’oxydation doit toujours être mentionné.

Isotopes

Le lanthane naturel est constitué de l'isotope stable ¹³⁹La et de l'isotope radioactif primordial ¹³⁸La. ¹³⁹La est de loin le plus abondant, représentant 99,910 % du lanthane naturel : il est produit dans le processus s (capture lente des neutrons, qui se produit dans les étoiles de masse faible à moyenne) et le processus r (capture rapide des neutrons, qui se produit dans les supernovae à effondrement de cœur). C’est le seul isotope stable du lanthane.

Composés

L’oxyde de lanthane est un solide blanc qui peut être préparé par réaction directe de ses éléments constitutifs. En raison de la grande taille de l'ion La³⁺, La₂O₃ adopte une structure hexagonale de coordinence 7 qui se transforme en la structure de coordinence 6 de l’oxyde de scandium (Sc₂O₃) et l’oxyde d'yttrium (Y₂O₃) à haute température. Lorsqu’il réagit avec l’eau, de l’hydroxyde de lanthane se forme^[34] : beaucoup de chaleur est dégagée dans la réaction et un sifflement est entendu. L’hydroxyde de lanthane réagira avec le dioxyde de carbone atmosphérique pour former le carbonate basique^[35].

Le fluorure de lanthane est insoluble dans l’eau et peut être utilisé comme test qualitatif pour détecter la présence de La³⁺. Les halogénures plus lourds sont tous des composés déliquescents très solubles. Les halogénures anhydres sont produits par réaction directe de leurs éléments, car le chauffage des hydrates provoque l’hydrolyse : par exemple, le chauffage des hydrates de LaCl₃ produit l'oxychlorure LaOCl^[35].

Le lanthane réagit exothermiquement avec l’hydrogène pour produire le dihydrure LaH₂, un composé conducteur, noir, pyrophorique, cassant, avec la structure du fluorure de calcium^[36]. Il s’agit d’un composé non stœchiométrique, et une absorption ultérieure de l’hydrogène est possible, avec une perte concomitante de conductivité électrique, jusqu’à ce que le composé plus salin LaH₃ soit atteint. Comme LaI₂ et LaI, LaH₂ est probablement un composé électrure^[35].

En raison du grand rayon ionique et de la grande électropositivité de La³⁺, il n’y a pas beaucoup de contribution covalente à sa liaison et il a donc une chimie de coordination limitée, comme l’yttrium et les autres lanthanides^[37]. L’oxalate de lanthane ne se dissout pas beaucoup dans les solutions d’oxalate de métaux alcalins, et [La(acac)₃(H₂O)₂] se décompose autour de 500 °C. L’oxygène est l’atome donneur le plus courant dans les complexes de lanthane, qui sont principalement ioniques et ont souvent des nombres de coordination élevés, typiquement de 6 à 8, formant des structures antiprismes carrées et dodécadeltaédriques. Ces espèces à haute coordination, atteignant jusqu’au nombre de coordination 12 avec l’utilisation de ligands chélatants tels que dans La₂(SO₄)₃·9(H₂O), ont souvent un faible degré de symétrie en raison de facteurs stéréochimiques^[37].

La chimie du lanthane a tendance à ne pas impliquer de liaison π en raison de la configuration électronique de l’élément : sa chimie organométallique est donc assez limitée. Les composés organolanthanes les mieux caractérisés sont le complexe de cyclopentadiényle La(C₅H₅)₃, qui est produit par la réaction de LaCl₃ anhydre avec NaC₅H₅ dans le tétrahydrofurane et ses dérivés méthyl-substitués^[38].

Utilisations

• Pierre à briquet : fabriquées à partir de mischmétal, un mélange de terres rares, contenant environ 55 % de cérium, 20 % de lanthane, 15 % de néodyme, 5 % de praséodyme, 1 % de samarium et d'yttrium
• Stockage de l'hydrogène : l'alliage LaNi₅ sous forme de mousse, en absorbe 400 fois son propre volume.
• Catalyseur pour moteur à essence : le LaPbMnO₃ appliqué sur l'oxyde de lanthane est un bon catalyseur, plus économique que le platine et le palladium actuellement utilisés.
• Verre optique : l'ajout de composés du lanthane, oxyde La₂O₃ ou carbonate La₂(CO₃)₃, augmente l'indice de réfraction et diminue l'aberration chromatique .
• Autres utilisations. Comme d'autres terres rares, il est utilisé pour des alliages magnétiques, dans des composés supraconducteurs, comme composant des phosphores des tubes cathodiques, comme « dopant » dans les cristaux pour lasers à l'état solide, comme composé fluorescent (phosphate de lanthane LaPO₄) étudié pour les marquages antifraude.
• Allié au tungstène, on l'utilise sous forme de baguettes cylindriques comme électrode émissive pour les torches de soudage TiG ou les torches de soudage plasma. L'alliage tungstène - oxyde de lanthane permet d'accroître l'intensité admissible, de faciliter l'amorçage de l'arc et de limiter au maximum la dégradation de l'électrode lors du soudage.
• Le carbonate de lanthane La₂(CO₃)₃ ingéré sous forme de comprimés croquables est utilisé comme chélateur de phosphates afin de contrôler l'hyperphosphatémie chez les patients hémodialysés pour prévenir l'ostéodystrophie rénale (source : monographie Fosrenol, Shire).
• Cathode chaude : l'hexaborure de lanthane est utilisé dans certaines cathodes chaudes.

Précautions

Ne pas respirer les poussières et vapeurs.

Notes et références

Notes

1. Selon les auteurs^[1], le lanthane ou le lutécium font partie du groupe 3 sur la 6^e période, l'autre élément se retrouvant dans ce cas sans groupe.
2. Dépend des auteurs^[1].

Références

1. (en) Eric Scerri, « Which Elements Belong in Group 3? », Journal of Chemical Education, vol. 86, n^o 10,‎ octobre 2009, p. 1188 (DOI 10.1021/ed086p1188, Bibcode 2009JChEd..86.1188S, lire en ligne)
2. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90^e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
4. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, 2009, 89^e éd., p. 10-203
5. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
6. Entrée « Lanthanum » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais) (JavaScript nécessaire)
7. SIGMA-ALDRICH
8. Anatole Bailly, Dictionnaire Grec-Français, Nouvelle édition revue et corrigée dite Bailly 2020-Hugo Chávez, entrée λανϑάνω
9. (en) Episodes from the History of the Rare Earth Elements, Springer Netherlands, coll. « Chemists and Chemistry », 1^er janvier 1996 (ISBN 9789401066143 et 9789400902879, DOI 10.1007/978-94-009-0287-9), xxi.
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11. (en) L.D. Landau et E.M. Lifshitz, Quantum Mechanics: Non-relativistic theory, vol. 3, Pergamon Press, 1958, 1^re éd., 256–257 p.
12. (en) W.B. Jensen, « The positions of lanthanum (actinium) and lutetium (lawrencium) in the periodic table », Journal of Chemical Education, vol. 59, n^o 8,‎ 1982, p. 634–636 (DOI 10.1021/ed059p634, Bibcode 1982JChEd..59..634J)
13. (en) William B. Jensen, « The positions of lanthanum (actinium) and lutetium (lawrencium) in the periodic table: An update », Foundations of Chemistry, vol. 17,‎ 2015, p. 23–31 (DOI 10.1007/s10698-015-9216-1, S2CID 98624395, lire en ligne, consulté le 28 janvier 2021)
14. (en) Eric Scerri, « Provisional report on discussions on group 3 of the periodic table », Chemistry International, vol. 43, n^o 1,‎ 18 janvier 2021, p. 31–34 (DOI 10.1515/ci-2021-0115 , S2CID 231694898)
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35. Greenwood et Earnshaw 1984, p. 1107–1108
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37. Greenwood et Earnshaw 1984, p. 1108–1109
38. Greenwood et Earnshaw 1984, p. 1110

Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

• lanthane, sur le Wiktionnaire

Liens externes

• (en) « Technical data for Lanthanum » (consulté le 11 août 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope

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