Lantanídeos

Os lantanídeos são os elementos encontrados no sexto período do grupo 3 da Tabela Periódica, sendo também conhecidos como metais terras-raras. São classificados, juntamente com os actinídeos, como elementos de transição interna. São considerados como lantanídeos os elementos entre o lantânio (Z = 57) e o lutécio (Z = 71).

Os lantanídeos possuem grande semelhança química, dado o comportamento característico do subnível 4f, o qual também explica como ocorre a chamada contração lantânica, uma queda do raio atômico durante essa série. Os lantanídeos apresentam grande demanda atualmente, sendo essenciais para tecnologias de baixo uso de carbono e na transição energética, sendo empregados em motores de veículos híbridos, dispositivos eletrônicos e em geradores eólicos de energia, por exemplo.

Leia também: O que são os terras-raras?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre lantanídeos
• 2 - O que são lantanídeos?
• 3 - Quais são os lantanídeos?
• 4 - Características dos lantanídeos
• 5 - Diferenças entre lantanídeos e actinídeos
• 6 - Para que servem os lantanídeos?
• 7 - Lantanídeos e homeopatia
• 8 - Lantanídeos são radioativos?
• 9 - Exercícios resolvidos sobre Lantanídeos

Resumo sobre lantanídeos

• Os lantanídeos se situam no sexto período do grupo 3 da Tabela Periódica.
• São também conhecidos como metais terras-raras.
• São considerados lantanídeos os elementos compreendidos entre o lantânio (Z = 57) e o lutécio (Z = 71).
• Os lantanídeos possuem grande semelhança em termos de propriedades químicas e características, consequência direta do subnível eletrônico 4f.
• Sua demanda é cada vez maior, dado o fato de que são importantes para a transição energética e desenvolvimento de tecnologias com menor impacto de carbono.

O que são lantanídeos?

Os lantanídeos são uma série de elementos químicos que estão localizados no sexto período do grupo 3 da Tabela Periódica. Tais elementos, juntamente com os actinídeos, formam os chamados elementos de transição interna. Também é comum designar os lantanídeos como sendo constituintes, junto com o escândio (Sc) e ítrio (Y), dos metais terras-raras.

Os lantanídeos são, assim sendo, os elementos que vão desde o lantânio (La, Z = 57) até o lutécio (Lu, Z = 71).

Quais são os lantanídeos?

São considerados como lantanídeos:

• Lantânio
• Cério
• Praseodímio
• Neodímio
• Promécio
• Samário
• Európio
• Gadolínio
• Térbio
• Disprósio
• Hólmio
• Érbio
• Túlio
• Itérbio
• Lutécio

Características dos lantanídeos

Quando falamos de lantanídeos, o que mais chama atenção em termos de características são as suas similaridades. A partir do lantânio (distribuição eletrônica é [Xe] 5d¹ 6s²), o subnível 4f se contrai e se torna mais estável que o subnível 5d. Dessa forma, os elétrons subsequentes não são adicionados ao subnível 5d, mas sim ao subnível 4f. O mais interessante é que, quanto maior a carga nuclear, maior a estabilidade desse subnível 4f. A partir do praseodímio, ocorre um rearranjo na camada de valência dos lantanídeos, de modo que todos apresentem configuração [Xe] 6s² 4fⁿ (em que n varia de 3 a 14 elétrons), dada a estabilidade (menor energia) do subnível 4f. Dessa forma, temos a configuração eletrônica para os lantanídeos da seguinte forma:

O gadolínio faz uma pequena quebra desse padrão em sua configuração eletrônica, pois o subnível 4f⁷, por estar preenchido exatamente na metade da sua capacidade, acaba adquirindo grande estabilidade e, por conta disso, o elétron subsequente se aloca no subnível 5d.

Como o subnível 4f acaba sendo blindado pelos subníveis 5d e 6s, a alteração do número de elétrons no subnível 4f acaba não trazendo variações significativas nas propriedades dos lantanídeos. Um exemplo clássico é o fato de que todos os lantanídeos (Ln) apresentam íons do tipo Ln³⁺, embora outros estados de oxidação possam ser vistos em alguns lantanídeos específicos, como Eu²⁺, Yb²⁺, Ce⁴⁺ e Tb⁴⁺.

Ainda dentro dessa grande semelhança, os lantanídeos acabam existindo, na maioria das vezes, em conjunto na natureza, em minérios como monazita, bastnasita e xenotímia, o que acaba dificultando, inclusive, a sua separação. Atualmente, as melhores técnicas combinam resinas de troca iônica e cristalizações fracionadas repetidas.

Todos os lantanídeos, em sua forma metálica, possuem uma coloração branca, sendo muito reativos e com alto ponto de fusão. Tais metais ainda reagem lentamente com água fria, mas rapidamente com ácidos, com subsequente produção de gás hidrogênio, H₂. Os lantanídeos na sua forma metálica são bons agentes redutores, entram em ignição em contato com o ar e são pirofóricos. Reagem com halogênios, carbono, silício, nitrogênio e enxofre em altas temperaturas. Podem, ainda, produzir ligas metálicas com diversos outros metais.

Dentro da química de seus íons Ln³⁺, percebe-se que os cloretos, cloratos, sulfatos e nitratos são solúveis em água, enquanto os oxalatos, carbonatos, hidróxidos, fluoretos e fosfatos não. Os diversos compostos de lantanídeos são bem coloridos.

Os lantanídeos apresentam uma característica interessante, conhecida como contração lantânica. Conforme o número atômico aumenta, o raio dos íons Ln³⁺ decresce, por conta da atração do núcleo ao subnível 4f.

Também se percebe que, conforme há um aumento do número atômico, há uma queda na basicidade e um aumento na solubilidade. Tais características físico-químicas podem correlacionar com a deposição desses elementos nos tecidos humanos: os íons leves, maiores e menos solúveis de lantanídeos, tendem a se depositar no fígado, enquanto os íons pesados, menores e mais solúveis de lantanídeos tendem a se depositar nos ossos.

O aumento da carga nuclear dos lantanídeos também pode se correlacionar com a toxicidade dos lantanídeos: em geral, quanto maior o número atômico, menor a toxicidade, provavelmente por conta da maior estabilidade iônica e maior solubilidade dos íons de lantanídeos mais pesados.

Leia também: Quais são os grupos da Tabela Periódica?

Diferenças entre lantanídeos e actinídeos

Embora lantanídeos e actinídeos, em conjunto, formem o grupo dos chamados elementos de transição interna, as semelhanças são muito poucas. Os actinídeos são os elementos que vão do actínio (Ac, Z = 89) ao laurêncio (Lr, Z = 103), localizados no grupo 3 da Tabela Periódica, tal qual os lantanídeos, porém no sétimo período.

A principal diferença está na presença na natureza. Todos os actinídeos são radioativos. Conforme a série avança, os isótopos vão tendo tempos de meia-vida muito pequenos. Por conta disso, boa parte dos actinídeos não pode ser observada na natureza. Outra característica que chama a atenção é a maior influência de um fenômeno quântico conhecido como efeito relativístico, que é muito presente em átomos mais pesados.

De forma simplória, o efeito relativístico faz com que os subníveis 5f dos actinídeos sejam maiores e, assim, seus elétrons estão mais fracamente ligados ao núcleo atômico. Consequentemente, tais elétrons estão mais disponíveis e, dessa forma, vê-se uma maior possibilidade de estados de oxidação para os actinídeos, algo não visto nos lantanídeos.

Para que servem os lantanídeos?

O uso mais conhecido e comum e, até certo tempo, o único uso comercial dos lantanídeos era na produção do “mischmetal”, uma liga metálica contendo diversos lantanídeos, com maior presença de cério, neodímio e lantânio.

Hoje o mercado se expandiu e a demanda por lantanídeos cresce cada vez mais. Hoje, os lantanídeos são importantes na fabricação de ímãs de alta performance, catalisadores de alta eficiência, eletrônicos, vidros, cerâmicas e ligas metálicas.

Embora sejam necessárias pequenas quantidades, não existem bons substitutos disponíveis para tais elementos. Eles são essenciais para tecnologias de baixo uso de carbono, sendo imprescindíveis na transição energética. Por exemplo, as grandes turbinas eólicas podem utilizar, cada uma, cerca de dois toneladas de ímãs de alta potência, que costumam ter um teor médio de 30% em lantanídeos. Outro caso é o de veículos híbridos, onde os sistemas de freios regenerativos e de tração elétrica do motor, além das baterias, podem usar por volta de 20 quilogramas de lantanídeos.

A tabela a seguir traz alguns usos comuns dos lantanídeos.

Lantanídeos e homeopatia

Lantanídeos e alguns de seus compostos começaram a integrar, recentemente, práticas de homeopatia. Seu uso terapêutico foi previsto por meio das ideias do químico e homeopata holandês Jan Scholten, baseado nas características únicas e distintas dos lantanídeos em termos de estrutura eletrônica. Os remédios foram preparados pelo farmacêutico austríaco Robert Münz.

Algumas condições podem ser tratadas com auxílio de remédios à base de lantanídeos desenvolvidos pela homeopatia, como dislexia, atrasos de crescimento e depressão (distimia).

Lantanídeos são radioativos?

Apenas um lantanídeo é radioativo: o promécio. Dessa forma, sua presença na natureza é ínfima e se estima que apenas traços desse elemento existam em amostras naturais. O elemento 61 possui um único isótopo estável, o de massa 145, cujo tempo de meia-vida é de 17,7 anos. Esse baixo tempo de meia-vida dificulta que ele seja encontrado em quantidades significativas na natureza.

Leia também: Quais elementos químicos são radioativos?

Exercícios resolvidos sobre Lantanídeos

Questão 1. (UFMS – PSV/2024) O 6º período é um dos mais longo da tabela periódica. Nele estão localizados os elementos que tem número atômico de 57 a 71, os chamados lantanídeos. Esses elementos estão associados ao desenvolvimento de muitas tecnologias como painéis solares, telas de TV, celulares, lasers, entre outras.

Considerando somente os elementos do 6º período, segundo a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), esses elementos também podem ser chamados de:

1. calcogênios, pois são encontrados somente em terras com alta concentração de óxidos.
2. elementos inertes ou gases nobres, daí sua importância para a tecnologia.
3. elementos transurânicos, pois possuem baixo número atômico, o que ajuda no desenvolvimento de novos dispositivos.
4. terras raras, sendo considerados terras raras leves lantânio, cério, praseodímio e neodímio.
5. elementos de transição externa e representam os maiores números atômicos exibidos pela tabela periódica.

Resposta: Letra D.

Uma denominação alternativa para os lantanídeos é a de “terras-raras”, embora tais elementos não sejam mais considerados como raros. Os primeiros lantanídeos são comumente chamados de lantanídeos (ou terras-raras) leves.

Questão 2. (Facisa/2021.1) Os elementos terras raras são aqueles da série dos lantanídeos, além do Sc e Y.

Esses lantanídeos possuem características muito similares às do elemento químico Lantânio, e a distribuição eletrônica ocorre com preenchimento do subnível 4f, exceto para o elemento químico:

1. Lutécio
2. Disprósio
3. Samário
4. Ytérbio
5. Gadolínio

Resposta: Letra A.

Dentre os lantanídeos, possuem elétrons no subnível f, aqueles compreendidos entre cério (Ce, Z = 58) e lutécio (Lu, Z = 71).

Contudo, o itérbio (Yb, Z = 70), apresenta uma configuração eletrônica [Xe] 4f¹⁴ 6s². Com isso, o elétron adicional do lutécio não pode ser alocado no subnível 4f, pois este já se encontra completo. Assim, o preenchimento ocorre no subnível 5d, fazendo com que a configuração eletrônica do lutécio seja [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s².

Fontes:

THE GEOLOGICAL SOCIETY. Rare Earth Elements – A briefing note by the Geological Society of London. Geological Society of London. dez. 2011.

CASTOR, S. B.; HEDRICK, J. B. Rare Earth Elements. Industrial Mineral and Rocks. 7ª ed. SME, 2006.

VONCKEN, J. H. L. The Rare Earth Elements: An Introduction. 1ª ed. Springer, 2016.

COTTON, S. Lanthanide and Actinide Chemistry. 1ª ed. Nova Iorque, Estados Unidos: John Wiley & Sons, 2006.

STURZA, J. M. Secret Lanthanides. Journal of Medicine and Life. n. 7, v. 3, p. 381-386, set. 2014.

COMISSION ON ISOTOPIC ABUNDANCES AND ATOMIC WEIGHTS – CIAAW. Radioactive Elements. CIAAW – IUPAC. Disponível em: <https://ciaaw.org/radioactive-elements.htm