Ossido di lantanio

Ossido di lantanio
	Struttura dell'ossido di lantanio
	aspetto
Nome IUPAC
	Triossido di dilantanio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	La2O3
Massa molecolare (u)	325,81
Aspetto	polvere bianca igroscopica
Numero CAS	1312-81-8
Numero EINECS	215-200-5
PubChem	150906
SMILES	[O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/l, in c.s.)	6510
Solubilità in acqua	insolubile
ΔfusH0 (kJ·mol−1)	2315 °C (2588 K)
Temperatura di ebollizione	4200 °C (4473 K)
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
Frasi H	315 - 319 - 335
Consigli P	261 - 280 - 301+310 - 304+340 - 305+351+338 - 405 - 501
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L'ossido di lantanio (La₂O₃), noto anche come lantania in ambito chimico-fisico e di scienza dei materiali,^[2]^[3] è un composto inorganico contenente il lantanio, un elemento delle terre rare, e l'ossigeno. È utilizzato in alcuni materiali ferroelettrici, come componente di materiali ottici, ed è una materia prima per alcuni catalizzatori.

L'ossido di lantanio è un solido bianco inodore, insolubile in acqua, ma solubile in acido diluito. A seconda del pH del composto, si possono ottenere diverse strutture cristalline^{[senza fonte]}. L'ossido di lantanio è igroscopico; esposto all'aria, assorbe l'umidità nel tempo e si converte in idrossido di lantanio. L'ossido di lantanio ha proprietà semiconduttive di tipo p e una banda proibita di circa 5,8 eV^[4]. La sua resistività media a temperatura ambiente è di 10 kΩ·cm, che diminuisce con l'aumento della temperatura. L'ossido di lantanio ha l'energia reticolare più bassa degli ossidi di terre rare, con costante dielettrica molto alta, circa uguale a 27.

Struttura

A basse temperature, l'ossido di lantanio ha una struttura cristallina esagonale A-M₂O₃. Gli atomi di metallo La³⁺ sono circondati da un gruppo di 7 atomi coordinati di O^2-; gli ioni di ossigeno hanno una forma ottaedrica attorno all'atomo di metallo e c'è uno ione di ossigeno sopra una delle facce ottaedriche^[5] D'altra parte, ad alte temperature l'ossido di lantanio si converte in una struttura cristallina cubica C-M₂O₃. Lo ione La³⁺ è circondato da sei ioni O²⁻ in una configurazione esagonale^[6].

Elementi ottenuti dall'ossido di lantanio

Diversi elementi sono stati scoperti come conseguenza di lunghe analisi e decomposizione del minerale gadolinite (conosciuto anche come ytterbite)^{[senza fonte]}. Man mano che il minerale veniva analizzato progressivamente, al residuo veniva prima assegnata l'etichetta ceria, poi ossido di lantanio e successivamente ittria, erbia e terbia. In ordine di data scoperta, l'elenco degli elementi comprende cerio, lantanio, erbio, terbio, ittrio, itterbio, olmio, tulio, scandio, praseodimio, neodimio e disprosio. Molti di questi nuovi elementi furono scoperti o isolati da Carl Gustav Mosander negli anni 1830 e 1840.

Sintesi

L'ossido di lantanio può essere cristallizzato in diversi polimorfi.

Per produrre ossido di lantanio esagonale, una soluzione 0,1 M di cloruro di lantanio(III) (LaCl₃) viene spruzzata su un substrato preriscaldato, solitamente costituito da calcogenuri metallici^[7]. Il processo può essere suddiviso in due fasi: idrolisi seguita da disidratazione:

{\ce {2LaCl3 \ + \ 3H2O -> La(OH)3 \ + \ 3HCl}}

{\ce {2La(OH)3 -> La2O3 \ + \ 3 H2O}}

Un percorso alternativo per ottenere ossido di lantanio esagonale prevede la precipitazione di idrossido di lantanio (La(OH)₃) nominale da una soluzione acquosa utilizzando una combinazione di 2,5% di ammoniaca (NH₃) e il tensioattivo laurilsolfato di sodio seguita da riscaldamento e agitazione per 24 ore a 80 °C:

{\ce {2LaCl3 \ + \ 3H2O \ + \ 3NH3 -> La(OH)3 \ + \ 3NH4Cl}}

Altri percorsi includono:

{\ce {2La2S3 \ + \ 3CO2 -> 2La2O3 \ + \ 3CS2}}

Reazioni

L'ossido di lantanio viene utilizzato come additivo per sviluppare alcuni materiali ferroelettrici, come il titanato di bismuto (Bi₄Ti₃O₁₂) (BLT) drogato con lantanio. L'ossido di lantanio è utilizzato nei materiali ottici; spesso i vetri ottici sono drogati con ossido di lantanio per migliorare l'indice di rifrazione del vetro, la durata chimica e la resistenza meccanica:

{\ce {3B2O3\ +\ La2O3->2La(BO2)3}}

Quando questa reazione 1:3 viene miscelata in un composito di vetro, l'alto peso molecolare del lantanio provoca un aumento della miscela omogenea del fuso che porta ad un punto di fusione più basso^[8]. L'aggiunta di ossido di lantanio al vetro fuso porta ad una temperatura di transizione vetrosa più elevata da 658 °C a 679 °C.

Usi e applicazioni

L'ossido di lantanio viene utilizzato per realizzare vetri ottici, ai quali questo ossido conferisce maggiore densità, indice di rifrazione e durezza. Insieme agli ossidi di tungsteno, tantalio e torio, l'ossido di lantanio migliora la resistenza del vetro all'attacco degli alcali. È anche un ingrediente per la produzione di materiali piezoelettrici e termoelettrici. I convertitori di gas di scarico delle automobili contengono ossido di lantanio^[9] L'ossido di lantanio è anche utilizzato negli schermi di intensificazione dell'imaging a raggi X, nei fosfori e nelle ceramiche dielettriche e conduttive. Emana un bagliore luminoso.

L'ossido di lantanio è stato esaminato per l'accoppiamento ossidativo del metano.^[10].

I film di ossido di lantanio possono essere depositati con molti metodi diversi, tra cui la deposizione chimica da vapore, la deposizione di strati atomici, l'ossidazione termica e la polverizzazione catodica. Le deposizioni di questi film si verificano in un intervallo di temperatura di 250–450 °C. I film policristallini si formano a 350 °C^[7].

Gli elettrodi di tungsteno-ossido di lantanio stanno sostituendo gli elettrodi di tungsteno toriato nella saldatura TIG a causa di problemi di sicurezza con la radioattività del torio.

Note

^ ^a ^b (EN) Lanthanum Oxide, su americanelements.com, American Elements. URL consultato il 26 ottobre 2018.
^ Elaheh K. Goharshadi, Mahvelati e Mohammad Yazdanbakhsh, Lanthania Colloidal Nanoparticles: Hydrothermal Synthesis, Structural, and Rheological Properties, in Physical Chemistry Research, vol. 4, n. 2, 1º giugno 2016, pp. 143–151, DOI:10.22036/pcr.2016.12650. URL consultato il 7 marzo 2022.
^ chemeurope.com, https://www.chemeurope.com/en/search/?q=lanthania Titolo mancante per url url (aiuto). URL consultato il 7 marzo 2022.
^ (EN) G. Shang, P.W. Peacock e J. Robertson, Stability and band offsets of nitrogenated high-dielectric-constant gate oxides, in Applied Physics Letters, vol. 84, n. 1, 2004, pp. 106–108, DOI:10.1063/1.1638896.
^ (EN) Wells, A.F., Structural Inorganic Chemistry, Oxford, Clarendon Press, 1984, p. 546.
^ (EN) Wyckoff, R. W.G., Crystal Structures: Inorganic Compounds RXn, RnMX2, RnMX3, New York, Interscience Publishers, 1963.
^ ^a ^b (EN) Kale, S.S., Jadhav, K.R., Patil, P.S., Gujar, T.P. e Lokhande, C.D., Characterizations of spray-deposited lanthanum oxide (La2O3) thin films, in Materials Letters, vol. 59, 24–25, 2005, pp. 3007–3009, DOI:10.1016/j.matlet.2005.02.091.
^ (EN) Vinogradova, N. N., Dmitruk, L. N. e Petrova, O. B., Glass Transition and Crystallization of Glasses Based on Rare-Earth Borates, in Glass Physics and Chemistry, vol. 30, 2004, pp. 1–5, DOI:10.1023/B:GPAC.0000016391.83527.44.
^ (EN) Cao, J, Ji, H, Liu, J, Zheng, M, Chang, X, Ma, X, Zhang, A e Xu, Q, Controllable syntheses of hexagonal and lamellar mesostructured lanthanum oxide, in Materials Letters, vol. 59, 2005, pp. 408-411, DOI:10.1016/j.matlet.2004.09.034.
^ (EN) O.V. Manoilova et al., Surface Acidity and Basicity of La₂O₃, LaOCl, and LaCl₃ Characterized by IR Spectroscopy, TPD, and DFT Calculations, in J. Phys. Chem. B, vol. 108, 2004, p. 15770, DOI:10.1021/jp040311m.

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Collegamenti esterni

(EN) lanthanum oxide, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.

Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia

[sds-1] (EN) Lanthanum Oxide, su americanelements.com, American Elements. URL consultato il 26 ottobre 2018.

[2] Elaheh K. Goharshadi, Mahvelati e Mohammad Yazdanbakhsh, Lanthania Colloidal Nanoparticles: Hydrothermal Synthesis, Structural, and Rheological Properties, in Physical Chemistry Research, vol. 4, n. 2, 1º giugno 2016, pp. 143–151, DOI:10.22036/pcr.2016.12650. URL consultato il 7 marzo 2022.

[3] urope.com, https://www.chemeurope.com/en/search/?q=lanthania Titolo mancante per url url (aiuto). URL consultato il 7 marzo 2022.

[4] (EN) G. Shang, P.W. Peacock e J. Robertson, Stability and band offsets of nitrogenated high-dielectric-constant gate oxides, in Applied Physics Letters, vol. 84, n. 1, 2004, pp. 106–108, DOI:10.1063/1.1638896.

[5] (EN) Wells, A.F., Structural Inorganic Chemistry, Oxford, Clarendon Press, 1984, p. 546.

[6] (EN) Wyckoff, R. W.G., Crystal Structures: Inorganic Compounds RXn, RnMX2, RnMX3, New York, Interscience Publishers, 1963.

[kale-7] (EN) Kale, S.S., Jadhav, K.R., Patil, P.S., Gujar, T.P. e Lokhande, C.D., Characterizations of spray-deposited lanthanum oxide (La2O3) thin films, in Materials Letters, vol. 59, 24–25, 2005, pp. 3007–3009, DOI:10.1016/j.matlet.2005.02.091.

[8] (EN) Vinogradova, N. N., Dmitruk, L. N. e Petrova, O. B., Glass Transition and Crystallization of Glasses Based on Rare-Earth Borates, in Glass Physics and Chemistry, vol. 30, 2004, pp. 1–5, DOI:10.1023/B:GPAC.0000016391.83527.44.

[9] (EN) Cao, J, Ji, H, Liu, J, Zheng, M, Chang, X, Ma, X, Zhang, A e Xu, Q, Controllable syntheses of hexagonal and lamellar mesostructured lanthanum oxide, in Materials Letters, vol. 59, 2005, pp. 408-411, DOI:10.1016/j.matlet.2004.09.034.

[10] (EN) O.V. Manoilova et al., Surface Acidity and Basicity of La₂O₃, LaOCl, and LaCl₃ Characterized by IR Spectroscopy, TPD, and DFT Calculations, in J. Phys. Chem. B, vol. 108, 2004, p. 15770, DOI:10.1021/jp040311m.

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