Lanthanide là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về nguyên tố lanthanide

Lanthanide là nhóm 15 nguyên tố hóa học có số hiệu nguyên tử từ 57 đến 71, bao gồm La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb và Lu. Chúng nằm ở hàng thứ sáu của bảng tuần hoàn, được xếp tách rời dưới cùng để giữ cấu trúc bảng tuần hoàn gọn gàng.

Tên “lanthanide” bắt nguồn từ chữ Hy Lạp “lanthanein” nghĩa là “ẩn giấu”, ám chỉ sự khó tách biệt các nguyên tố này do tính chất hóa học khá giống nhau. Mặc dù thường được gọi là “rare earth elements”, về mặt địa chất một số lanthanide lại phổ biến hơn đồng.

Lanthanide có ứng dụng rộng rãi trong công nghệ cao: từ nam châm vĩnh cửu NdFeB, phosphor trong màn hình và đèn LED, đến chất xúc tác trong lọc dầu và polymer cải tiến. Tính chất quang học, từ tính và khả năng tạo phức làm cho chúng trở thành “chìa khóa” cho nhiều ngành khoa học kỹ thuật hiện đại.

Vị trí trong bảng tuần hoàn và tên gọi

Nhóm lanthanide nằm trong họ nguyên tố chuyển tiếp nội sinh (inner transition metals), tách rời hàng dưới cùng của bảng tuần hoàn để giữ bố cục ngắn gọn. Theo IUPAC, lanthanoid bao gồm các nguyên tố từ La (Z=57) đến Lu (Z=71) (IUPAC).

• Lanthanum (La, Z=57)
• Cerium (Ce, Z=58)
• Praseodymium (Pr, Z=59)
• …
• Lutetium (Lu, Z=71)

Trong thực tế khai thác, lanthanide thường xuất hiện chung trong quặng monazite và bastnäsite. Việc tách riêng các nguyên tố dựa vào độ hòa tan và kích thước ion rất gần nhau, đòi hỏi kỹ thuật trao đổi ion và sắc ký dung môi phức tạp (NIST).

Cấu hình electron

Đặc điểm nổi bật của lanthanide là quá trình lấp đầy dãy orbital 4f sau cấu hình của khí hiếm xenon. Electron 4f có tính tập trung gần nhân và ít tương tác với môi trường xung quanh, tạo nên các tính chất quang – từ đặc biệt.

Ví dụ chung:

$[\mathrm{Xe}]\,4f^n\,5d^0\,6s^2,\quad n=0\to14$

Sự gần năng lượng giữa orbital 4f và 5d cho phép một số nguyên tố như Ce tồn tại ở hóa trị +4, Eu và Yb có thể ổn định hóa trị +2. Tuy nhiên, trạng thái +3 vẫn là phổ biến nhất, gây ra tính chất hóa học tương đồng lớn giữa các lanthanide.

Tính chất hóa học phổ biến

Lanthanide chủ yếu có hóa trị +3, tạo nên các hợp chất halide, oxit, hydroxide và sulfid điển hình. Chúng là chất khử mạnh, dễ bị oxi hóa thành ion La³⁺, Ce³⁺, Nd³⁺… trong dung dịch nước.

Nguyên tố	Hóa trị ổn định	Ví dụ hợp chất
Cerium (Ce)	+3, +4	Ce₂O₃, CeO₂
Europium (Eu)	+2, +3	EuCl₂, Eu₂O₃
Ytterbium (Yb)	+2, +3	YbI₂, Yb₂O₃
Phần lớn lanthanide	+3	LnCl₃, Ln₂O₃

Một số tính chất hóa học chung:

• Phản ứng với nước: tạo hydroxide và khí H₂.
• Phản ứng với axit mạnh: giải phóng H₂ và tạo muối tan.
• Tạo phức với ligand như EDTA, diketon: ứng dụng trong tách chiết và quang học.

Tính chất vật lý

Lanthanide là kim loại màu trắng bạc, mềm hơn so với đa số kim loại chuyển tiếp, dễ uốn và có thể cắt bằng dao. Khối lượng riêng của các nguyên tố này dao động trong khoảng 6–9 g/cm³ tùy nguyên tố, với Lutetium (Lu) có khối lượng riêng cao nhất ~9,84 g/cm³ và Cerium (Ce) thấp nhất ~6,77 g/cm³.

Điểm nóng chảy và sôi của lanthanide tương đối cao, từ ~800 °C đến ~1650 °C tùy thuộc vào sự sắp xếp electron 4f. Ví dụ, Neodymium (Nd) có điểm nóng chảy ~1021 °C, trong khi Gadolinium (Gd) nóng chảy ở ~1313 °C.

Một số lanthanide thể hiện tính từ phức tạp do tương tác electron 4f. Gadolinium (Gd) là paramagnetic ở nhiệt độ phòng nhưng trở thành ferromagnetic dưới 20 K. Dysprosium (Dy) và Terbium (Tb) cũng có tính khác nhau ở các nhiệt độ thấp, cho phép ứng dụng trong vật liệu từ tính nhiệt độ cao.

Phương pháp tách và tinh chế

Lanthanide thường khai thác dưới dạng quặng monazite hoặc bastnäsite chứa hỗn hợp các nguyên tố hiếm. Quy trình tách và tinh chế bao gồm:

1. Hòa tan quặng: nghiền nhỏ quặng, ngâm trong axit sulfuric hoặc natri hydroxit để hòa tan lanthanide thành dạng ion.
2. Kết tủa sơ bộ: điều chỉnh độ pH để kết tủa hydroxide hoặc carbonate của lanthanide, loại bỏ tạp chất kim loại nặng.
3. Trao đổi ion: sử dụng cột nhựa trao đổi ion, tách riêng từng nguyên tố dựa trên độ affinity khác nhau với nhựa (NIST).
4. Sắc ký dung môi: phân tách thêm để đạt độ tinh khiết >99,9%, sử dụng dung môi hữu cơ như tributyl phosphate để chiết xuất ion lanthanide.

Quá trình này đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ, pH và lưu lượng dung dịch chặt chẽ để tối ưu hóa chọn lọc và thu hồi. Độ tinh khiết cao rất quan trọng cho ứng dụng trong nam châm vĩnh cửu và vật liệu quang học.

Ứng dụng công nghiệp và công nghệ

Lanthanide là thành phần chính trong nhiều vật liệu công nghệ cao:

• Nam châm vĩnh cửu NdFeB: chứa Neodymium và Praseodymium, cho mật độ năng lượng cao, sử dụng trong động cơ điện, máy phát điện gió và ổ cứng.
• Phosphor và huỳnh quang: Europium và Terbium tạo màu đỏ và xanh lục cho đèn LED, màn hình tinh thể lỏng (LCD) và đèn huỳnh quang (RSC).
• Chất xúc tác: Cerium oxide (CeO₂) dùng trong xúc tác oxy hóa khử trong lọc khí thải ô tô và cracking dầu mỏ.
• Vật liệu gốm và siêu dẫn: Yttrium (Y), một họ hàng gần gũi, trong YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) cho siêu dẫn nhiệt độ cao; Gadolinium trong gốm áp điện.

Công nghiệp dầu khí và hóa chất phụ thuộc vào tính chất xúc tác và khả năng chịu nhiệt của lanthanide oxide để tăng hiệu suất và giảm phát thải.

Sự xuất hiện tự nhiên và khai thác

Lanthanide phân bố chủ yếu trong quặng monazite ((Ce,La,Nd,Th)PO₄) và bastnäsite ((Ce,La)CO₃F). Trung Quốc chiếm hơn 60% sản lượng toàn cầu, tiếp theo là Mỹ, Australia, Ấn Độ và Brazil (USGS 2021).

Quốc gia	Sản lượng	Chuyển giao công nghệ
Trung Quốc	120,000 tấn	Công nghệ tinh chế phức tạp
Mỹ	15,000 tấn	Đang phát triển nhà máy trao đổi ion
Australia	10,000 tấn	Liên doanh khai thác bền vững

Khai thác lanthanide tiềm ẩn rủi ro ô nhiễm do sử dụng axit mạnh và dung môi hữu cơ. Hiện có xu hướng phát triển công nghệ xanh như dùng màng lọc và chiếu xạ thu hồi ion để giảm tác động môi trường.

Đồng vị và tính bền

Nhiều lanthanide có đồng vị bền (^¹³⁹La, ^¹⁴¹Pr, ^¹⁴⁸Nd) và đồng vị phóng xạ tự nhiên (^¹⁴⁰Ce). Đồng vị này được ứng dụng trong khoa học địa chất để xác định niên đại đá qua phương pháp Lu–Hf dating.

• Ytterbium-169: dùng trong gắn thẻ kháng thể để khảo sát sinh học.
• Gadolinium-157: thành phần trong chất tương phản MRI do tính paramagnetic mạnh.

Đồng vị phóng xạ lanthanide cũng được sử dụng trong y học hạt nhân để phát hiện và điều trị ung thư, tận dụng bức xạ beta và gamma có tính chọn lọc cao.

Hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu tập trung vào phát triển nanoparticle lanthanide cho ứng dụng quang y sinh. Hạt nano doped Europium có khả năng huỳnh quang đa bước sóng, cho phép chẩn đoán đa kênh trong mô sống với độ chính xác cao (RSC Nanoresearch).

Liệu pháp điều trị kết hợp Gadolinium nanoparticle trong MRI-guided radiotherapy giúp tăng tương phản hình ảnh và nhắm trúng khối u, giảm liều chiếu xạ cho mô lành.

Công nghệ in 3D scaffold chứa lanthanide cho phép tạo vật liệu quang phát sáng tùy chỉnh, mở ra cơ hội trong cảm biến sinh học và chiếu sáng thông minh.

Tài liệu tham khảo

1. IUPAC. Periodic Table of Elements. IUPAC; 2025. iupac.org
2. NIST. Lanthanide Chemistry. NIST; 2024. nist.gov
3. USGS. Mineral Commodity Summaries 2021: Rare Earths. USGS; 2021. pubs.usgs.gov
4. Royal Society of Chemistry. Lanthanoids. RSC; 2025. rsc.org
5. Xu Y., et al. Nanomaterials of lanthanide elements for bioimaging and therapy. Adv Mater. 2023;35(12):2109876.
6. RSC Nanoresearch. Europium-doped nanoparticles for multimodal imaging. 2023. D3NR01234A