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

Giới thiệu về Lanthanum

Lanthanum là nguyên tố hóa học mang ký hiệu La, có số nguyên tử 57, thuộc nhóm lanthanide trong bảng tuần hoàn. Nó là nguyên tố mở đầu cho chuỗi các nguyên tố đất hiếm, với tính chất hóa học khá tương đồng với các nguyên tố cùng nhóm nhưng đồng thời cũng thể hiện một số đặc điểm riêng biệt về cấu trúc electron và phản ứng hóa học. Trong điều kiện tiêu chuẩn, lanthanum tồn tại ở trạng thái rắn, màu trắng bạc, có ánh kim mờ và mềm đến mức có thể cắt bằng dao.

Tên gọi “Lanthanum” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “lanthanein”, có nghĩa là “ẩn mình” hoặc “ẩn giấu”. Điều này phản ánh thực tế rằng lanthanum ban đầu rất khó phát hiện trong quặng chứa nó, do có đặc tính hóa học tương tự với các nguyên tố đi kèm. Nguyên tố này được nhà hóa học người Thụy Điển Carl Gustaf Mosander phát hiện vào năm 1839, trong quá trình tinh chế cerium nitrate. Ông đã nhận ra một thành phần mới có tính chất khác biệt, và đặt tên cho nó là lanthanum.

Lanthanum tuy được xếp vào nhóm “đất hiếm”, nhưng không thật sự hiếm về mặt trữ lượng địa chất. Nó phổ biến hơn chì, bạc và iod trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 0.003% theo khối lượng. Do khả năng phản ứng cao với oxy và nước, lanthanum thường tồn tại dưới dạng hợp chất thay vì ở dạng nguyên tố tự do ngoài tự nhiên.

Thuộc tính vật lý và hóa học

Lanthanum có các đặc điểm vật lý điển hình của một kim loại chuyển tiếp nhẹ: mềm, dễ dát mỏng và dẫn điện tốt. Khi bị cắt, lanthanum lộ ra bề mặt sáng bóng nhưng nhanh chóng xỉn màu do quá trình oxy hóa trong không khí ẩm. Kim loại này có khối lượng nguyên tử khoảng 138.91 u, mật độ 6.15 g/cm³, điểm nóng chảy 920°C và điểm sôi khoảng 3464°C. Những giá trị này cho thấy nó tương đối bền về mặt nhiệt nhưng dễ bị tác động hóa học ở điều kiện thường.

Lanthanum phản ứng dễ dàng với nước, đặc biệt là nước nóng, để tạo thành lanthan hydroxide và khí hydro. Phản ứng điển hình như sau:

$2La + 6H_2O \rightarrow 2La(OH)_3 + 3H_2 \uparrow$

Khi tiếp xúc với không khí, lanthanum bị oxy hóa tạo thành lớp màng mỏng lanthanum oxide (La₂O₃) trên bề mặt, bảo vệ phần kim loại bên trong khỏi quá trình ăn mòn tiếp theo. Trong dung dịch axit, lanthanum tan và giải phóng ion La³⁺, cho phép nó tham gia vào nhiều phản ứng trao đổi ion trong công nghiệp hóa chất.

Dưới đây là một số thông số tiêu biểu của lanthanum:

Thuộc tính	Giá trị
Ký hiệu hóa học	La
Số nguyên tử	57
Khối lượng nguyên tử	138.91 u
Điểm nóng chảy	920°C
Điểm sôi	3464°C
Mật độ	6.15 g/cm³

Phân bố trong tự nhiên

Lanthanum không tồn tại ở trạng thái đơn chất ngoài tự nhiên mà chủ yếu xuất hiện dưới dạng hợp chất trong các khoáng vật đất hiếm. Hai khoáng vật chính chứa lanthanum là monazite và bastnäsite. Cả hai đều là nguồn cung cấp thương mại quan trọng cho việc khai thác lanthanum và các nguyên tố lanthanide khác.

• Monazite: Là hỗn hợp phốt phát của các nguyên tố đất hiếm, có công thức tổng quát $(Ce,La,Nd,Th)(PO_4)$.
• Bastnäsite: Là carbonate-fluoride của lanthanide, công thức điển hình là $(Ce,La)(CO_3)F$.

Các mỏ chứa monazite và bastnäsite có mặt ở nhiều nơi trên thế giới, nổi bật nhất là ở Trung Quốc, Hoa Kỳ (mỏ Mountain Pass), Ấn Độ, Brazil và Úc. Trung Quốc hiện là quốc gia dẫn đầu về sản xuất lanthanum toàn cầu, chiếm hơn 80% sản lượng tinh luyện và xuất khẩu.

Trong lớp vỏ Trái Đất, lanthanum có hàm lượng khoảng 30 ppm (phần triệu), cao hơn bạc, thiếc và nhiều nguyên tố kim loại khác thường được xem là “quý hiếm”. Tuy nhiên, do nó thường đi kèm với các nguyên tố tương đồng, việc tách riêng lanthanum đòi hỏi công nghệ xử lý phức tạp và tốn kém.

Phương pháp điều chế

Lanthanum được điều chế từ các khoáng vật chứa đất hiếm thông qua chuỗi quy trình gồm nghiền, tách từ, xử lý axit hoặc bazơ, và chiết tách dung môi. Quá trình làm giàu khoáng vật sẽ tách các thành phần tạp chất và tập trung hỗn hợp lanthanide, trong đó lanthanum chiếm một phần nhất định.

Bước tiếp theo là tách lanthanum ra khỏi các nguyên tố lanthanide khác bằng phương pháp trao đổi ion hoặc chiết lỏng – lỏng (solvent extraction). Vì các nguyên tố đất hiếm có tính chất hóa học rất gần nhau, việc phân tách đòi hỏi nhiều chu kỳ tinh lọc, sử dụng các hợp chất phức hữu cơ như D2EHPA hoặc TBP để đạt độ tinh khiết cao.

Sau khi thu được lanthanum ở dạng muối như LaCl₃ hoặc LaF₃, kim loại lanthanum nguyên chất được sản xuất bằng cách khử với calcium ở nhiệt độ cao:

$2LaF_3 + 3Ca \rightarrow 2La + 3CaF_2$

Phản ứng này được thực hiện trong môi trường khí trơ để tránh quá trình oxy hóa tái diễn. Lanthanum cũng có thể được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy muối clorua, nhưng phương pháp này ít phổ biến hơn do chi phí điện năng cao.

Ứng dụng công nghiệp

Lanthanum đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hiện đại nhờ tính chất hóa học ổn định, khả năng tạo hợp chất oxit và phản ứng tốt với hydrogen. Một trong những ứng dụng lớn nhất là trong sản xuất pin nickel–metal hydride (NiMH), được dùng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và xe hybrid như Toyota Prius. Hợp kim chứa lanthanum trong anode giúp pin có dung lượng cao và khả năng sạc xả nhiều lần mà không bị hiệu ứng nhớ.

Lanthanum còn được sử dụng làm thành phần phụ gia trong xúc tác cracking dùng trong công nghiệp lọc hóa dầu. Các hợp chất lanthanum oxide giúp tăng hiệu suất tách hydrocarbon từ dầu thô, đồng thời cải thiện chỉ số octane trong xăng thành phẩm. Trong lĩnh vực quang học, lanthanum được thêm vào thủy tinh để sản xuất ống kính máy ảnh, kính hiển vi, và kính bảo vệ UV nhờ tính chất khúc xạ cao và độ trong suốt tốt.

Một số ứng dụng nổi bật khác của lanthanum trong công nghiệp:

• Sản xuất kính chiếu hậu chống chói dùng trong ô tô.
• Chế tạo cảm biến hydro do lanthanum có thể hấp thụ khí H₂ và thay đổi tính chất điện trở.
• Thêm vào hợp kim nhôm để cải thiện tính dẻo, độ bền và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao.

Lanthanum cũng được dùng làm chất tạo sáng trong màn hình CRT, mặc dù ứng dụng này đang giảm dần do công nghệ màn hình LCD và OLED thay thế.

Vai trò trong nghiên cứu và khoa học vật liệu

Trong nghiên cứu khoa học vật liệu, lanthanum được ứng dụng để chế tạo các hợp chất oxit có tính chất đặc biệt như điện môi cao, siêu dẫn hoặc từ tính mạnh. Một ví dụ tiêu biểu là vật liệu siêu dẫn gốc lanthanum như $La_{2-x}Sr_xCuO_4$, được phát triển trong thập niên 1980 và là bước đột phá lớn trong vật lý vật liệu nhiệt độ cao.

Lanthanum oxide ($La_2O_3$) có hằng số điện môi lớn, được dùng trong sản xuất tụ điện gốm đa lớp (MLCC), thiết bị lưu trữ năng lượng và các ứng dụng điện tử vi mô. Nhờ đặc tính này, lanthanum còn được kết hợp vào các màng oxit trong transistor kênh cao (high-k dielectrics) để tăng hiệu suất và giảm rò rỉ dòng điện.

Trong lĩnh vực vật liệu nano, lanthanum đóng vai trò như chất pha tạp để điều chỉnh cấu trúc tinh thể hoặc tối ưu tính chất quang – điện của các vật liệu lai. Ứng dụng phổ biến bao gồm:

• La-doped ZnO cho cảm biến khí và diode phát quang.
• LaFeO₃ trong pin nhiên liệu và điện cực xúc tác.
• Hợp chất perovskite chứa lanthanum dùng trong cell năng lượng mặt trời thế hệ mới.

Ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường

Lanthanum có độc tính thấp trong điều kiện sử dụng bình thường, nhưng ở nồng độ cao hoặc phơi nhiễm lâu dài, nó có thể tích tụ trong cơ thể và gây tác động đến gan, thận và phổi. Các hợp chất của lanthanum dạng hạt mịn có thể gây kích ứng nếu hít phải, đặc biệt trong môi trường sản xuất công nghiệp không có biện pháp bảo hộ thích hợp.

Việc sử dụng lanthanum trong y học cũng được nghiên cứu, đặc biệt là muối lanthanum carbonate (La₂(CO₃)₃), được dùng để điều trị tăng phosphate huyết ở bệnh nhân suy thận mãn. Tuy nhiên, việc sử dụng y tế phải tuân thủ nghiêm ngặt về liều lượng và theo dõi tác dụng phụ.

Về mặt môi trường, quy trình khai thác và tinh luyện lanthanum tạo ra chất thải chứa hóa chất độc hại như acid sulfuric, thorium và fluorides. Nếu không được kiểm soát đúng cách, các chất này có thể gây ô nhiễm đất, nước ngầm và ảnh hưởng đến hệ sinh thái địa phương. Vì vậy, các quốc gia như Mỹ, Canada, và Úc yêu cầu doanh nghiệp tuân thủ tiêu chuẩn môi trường chặt chẽ trong mọi giai đoạn xử lý.

Xu hướng phát triển và nhu cầu thị trường

Nhu cầu lanthanum toàn cầu tăng mạnh trong hai thập kỷ gần đây, do sự phát triển của các ngành năng lượng tái tạo, ô tô điện, thiết bị lưu trữ năng lượng và công nghiệp điện tử. Theo thống kê từ USGS, Trung Quốc hiện chiếm hơn 80% sản lượng lanthanum toàn cầu, cả về khai thác và chế biến sâu.

Lanthanum được xem là nguyên tố chiến lược trong các kế hoạch đảm bảo an ninh chuỗi cung ứng khoáng sản quan trọng của nhiều quốc gia. Liên minh châu Âu (EU) và Hoa Kỳ đã đưa lanthanum vào danh sách “critical raw materials”, nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn cung từ một quốc gia duy nhất.

Dưới đây là bảng thống kê sơ bộ sản lượng lanthanum toàn cầu (ước tính):

Quốc gia	Sản lượng (tấn/năm)	Ghi chú
Trung Quốc	40,000+	Chiếm tỷ trọng lớn nhất toàn cầu
Mỹ	~4,000	Mỏ Mountain Pass hoạt động trở lại
Úc	~2,000	Tiềm năng mở rộng cao
Ấn Độ	~1,500	Tập trung khai thác monazite ven biển

So sánh với các nguyên tố đất hiếm khác

Lanthanum có nhiều đặc điểm tương đồng với các nguyên tố lanthanide như cerium, neodymium và praseodymium, nhưng mỗi nguyên tố có ứng dụng riêng biệt trong công nghiệp và công nghệ cao. Dưới đây là bảng so sánh ngắn gọn:

Nguyên tố	Ký hiệu	Ứng dụng chính
Lanthanum	La	Pin NiMH, kính quang học, xúc tác dầu
Cerium	Ce	Chất đánh bóng, xúc tác khí thải
Neodymium	Nd	Nam châm vĩnh cửu, động cơ xe điện
Praseodymium	Pr	Thủy tinh màu, hợp kim máy bay

Tài liệu tham khảo

1. US Geological Survey (2023). Mineral Commodity Summaries: Rare Earths. Retrieved from https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/rare-earths-statistics-and-information
2. Los Alamos National Laboratory. Periodic Table – Lanthanum. Retrieved from https://education.jlab.org/itselemental/ele057.html
3. Royal Society of Chemistry. Lanthanum – Element information, properties and uses. Retrieved from https://www.rsc.org/periodic-table/element/57/lanthanum
4. International Energy Agency (2021). The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions. Retrieved from https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions
5. OECD (2020). Environmental Risks of Rare Earth Elements. Retrieved from https://www.oecd.org/environment/waste/policy-highlights-rare-earth-elements.pdf