Fiecare dintre elementele chimice prezentate în învelișurile Pământului: atmosfera, litosfera și hidrosfera - poate servi drept exemplu viu, confirmând importanța fundamentală a teoriei atomice și moleculare și a legii periodice. Ele au fost formulate de luminarii științelor naturale - oamenii de știință ruși M. V. Lomonosov și D. I. Mendeleev. Lantanidele și actinidele sunt două familii care conțin fiecare câte 14 elemente chimice, precum și metalele în sine - lantan și actiniu. Proprietățile lor - atât fizice, cât și chimice - vor fi luate în considerare de noi în această lucrare. În plus, vom stabili modul în care poziția în sistemul periodic a hidrogenului, lantanidelor, actinidelor depinde de structura orbitalilor electronici ai atomilor lor.
Istoricul descoperirilor
La sfârșitul secolului al XVIII-lea, Y. Gadolin a obținut primul compus din grupul metalelor pământurilor rare - oxidul de ytriu. Până la începutul secolului al XX-lea, datorită cercetărilor lui G. Moseley în chimie, s-a cunoscut existența unui grup de metale. Ele erau localizate în sistemul periodic între lantan și hafniu. Un alt element chimic - actiniul, precum lantanul, formează o familie de 14 radioactivielemente chimice numite actinide. Descoperirea lor în știință a avut loc din 1879 până la mijlocul secolului al XX-lea. Lantanidele și actinidele au multe asemănări atât în ceea ce privește proprietățile fizice, cât și chimice. Acest lucru poate fi explicat prin aranjarea electronilor în atomii acestor metale, care se află la niveluri energetice, și anume, pentru lantanide acesta este al patrulea nivel f-subnivel, iar pentru actinide - al cincilea nivel f-subnivel. În continuare, vom lua în considerare învelișurile de electroni ale atomilor metalelor de mai sus mai detaliat.
Structura elementelor interne de tranziție în lumina învățăturilor atomice și moleculare
Descoperirea ingenioasă a structurii substanțelor chimice de către MV Lomonosov a stat la baza studiilor ulterioare ale învelișurilor de electroni ale atomilor. Modelul Rutherford al structurii unei particule elementare a unui element chimic, studiile lui M. Planck, F. Gund au permis chimiștilor să găsească explicația corectă pentru modelele existente ale modificărilor periodice ale proprietăților fizice și chimice care caracterizează lantanidele și actinidele. Este imposibil de ignorat rolul cel mai important al legii periodice a lui D. I. Mendeleev în studiul structurii atomilor elementelor de tranziție. Să ne oprim asupra acestei probleme mai detaliat.
Locul elementelor interne de tranziție în Tabelul periodic al lui D. I. Mendeleev
În a treia grupă a celei de-a șasea perioade - mai mare - în spatele lantanului se află o familie de metale care variază de la ceriu la lutețiu inclusiv. Subnivelul 4f al atomului de lantan este gol, în timp ce atomul de lutețiu este complet umplut cu al 14-leaelectroni. Elementele situate între ele umplu treptat orbitalii f. În familia actinidelor - de la toriu la lawrencium - se observă același principiu de acumulare a particulelor încărcate negativ cu singura diferență: umplerea cu electroni are loc la subnivelul 5f. Structura nivelului de energie externă și numărul de particule negative de pe acesta (egal cu două) sunt aceleași pentru toate metalele de mai sus. Acest fapt răspunde la întrebarea de ce lantanidele și actinidele, numite elemente de tranziție internă, au multe asemănări.
În unele surse de literatură chimică, reprezentanții ambelor familii sunt combinați în subgrupuri secundare. Conțin două metale din fiecare familie. În forma scurtă a sistemului periodic de elemente chimice al lui D. I. Mendeleev, reprezentanții acestor familii sunt separați de tabel în sine și aranjați în rânduri separate. Prin urmare, poziția lantanidelor și actinidelor în sistemul periodic corespunde planului general al structurii atomilor și periodicității umplerii nivelurilor interne cu electroni, iar prezența acelorași stări de oxidare a determinat asocierea metalelor de tranziție interne în grupuri comune.. În ele, elementele chimice au caracteristici și proprietăți echivalente cu lantanul sau actiniul. De aceea, lantanidele și actinidele sunt eliminate din tabelul elementelor chimice.
Cum afectează configurația electronică a subnivelului f proprietățile metalelor
Așa cum am spus mai devreme, poziția lantanidelor și actinidelor în periodicsistem determină direct caracteristicile lor fizico-chimice. Astfel, ionii de ceriu, gadoliniu și alte elemente din familia lantanidelor au momente magnetice ridicate, care sunt asociate cu caracteristicile structurale ale subnivelului f. Acest lucru a făcut posibilă utilizarea metalelor ca dopanți pentru a obține semiconductori cu proprietăți magnetice. Sulfurile elementelor din familia actiniului (de exemplu, sulfura de protactiniu, toriu) din compoziția moleculelor lor au un tip mixt de legătură chimică: ionic-covalent sau covalent-metal. Această caracteristică a structurii a condus la apariția unei noi proprietăți fizico-chimice și a servit ca răspuns la întrebarea de ce lantanidele și actinidele au proprietăți luminiscente. De exemplu, o probă de anemonă care este argintie în întuneric strălucește cu o strălucire albăstruie. Acest lucru se explică prin acțiunea curentului electric, fotonii luminii asupra ionilor metalici, sub influența cărora atomii sunt excitați, iar electronii din ei „sar” la niveluri mai mari de energie și apoi se întorc pe orbitele lor staționare. Din acest motiv, lantanidele și actinidele sunt clasificate drept fosfori.
Consecințele scăderii razelor ionice ale atomilor
În lantan și actiniu, precum și în elementele din familiile acestora, se constată o scădere monotonă a valorii indicatorilor razelor ionilor metalici. În chimie, în astfel de cazuri se obișnuiește să se vorbească despre compresia lantanide și actinide. În chimie s-a stabilit următorul tipar: odată cu creșterea sarcinii nucleului atomilor, dacă elementele aparțin aceleiași perioade, razele lor scad. Acest lucru poate fi explicat după cum urmeazămod: pentru metale precum ceriu, praseodim, neodim, numărul de niveluri de energie din atomii lor este neschimbat și egal cu șase. Cu toate acestea, sarcinile nucleelor cresc cu unu și sunt +58, +59, +60. Aceasta înseamnă că forța de atracție a electronilor învelișurilor interioare către nucleul încărcat pozitiv crește. Ca urmare, razele atomice scad. În compușii ionici ai metalelor, cu creșterea numărului atomic, razele ionice scad și ele. Modificări similare se observă în elementele familiei anemonelor. De aceea, lantanidele și actinidele sunt numite gemeni. O scădere a razelor ionilor duce, în primul rând, la o slăbire a proprietăților de bază ale hidroxizilor Ce(OH)3, Pr(OH)3 proprietăți.
Umplerea subnivelului 4f cu electroni nepereche până la jumătate din orbitalii atomului de europiu duce la rezultate neașteptate. Raza sa atomică nu scade, ci, dimpotrivă, crește. Gadoliniu, care îl urmează în seria lantanidelor, are un electron în subnivelul 4f la subnivelul 5d, similar cu Eu. Această structură determină o scădere bruscă a razei atomului de gadoliniu. Un fenomen similar se observă la o pereche de iterbiu - lutețiu. Pentru primul element, raza atomică este mare datorită umplerii complete a subnivelului 4f, în timp ce pentru lutețiu scade brusc, deoarece apariția electronilor se observă la subnivelul 5d. În actiniu și alte elemente radioactive din această familie, razele atomilor și ionilor lor nu se modifică monoton, ci, ca și lantanidele, treptat. Astfel, lantanidele șiactinidele sunt elemente ale căror proprietăți ale compușilor lor depind în mod corelativ de raza ionică și de structura învelișurilor de electroni ale atomilor.
Stări de valență
Lantanidele și actinidele sunt elemente ale căror caracteristici sunt destul de asemănătoare. În special, aceasta se referă la stările lor de oxidare în ioni și la valența atomilor. De exemplu, toriu și protactiniu, care prezintă o valență de trei, în compușii Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Toate aceste substanțe sunt insolubile și au aceleași proprietăți chimice ca și metalele din familia lantanului: ceriu, praseodim, neodim etc. Lantanidele din acești compuși vor fi și ele trivalente. Aceste exemple ne dovedesc încă o dată corectitudinea afirmației că lantanidele și actinidele sunt gemeni. Au proprietăți fizice și chimice similare. Acest lucru poate fi explicat în primul rând prin structura orbitalilor de electroni ai atomilor ambelor familii de elemente de tranziție interne.
Proprietăți ale metalului
Toți reprezentanții ambelor grupuri sunt metale, în care sunt completate subnivelurile 4f-, 5f- și, de asemenea, d. Lantanul și elementele familiei sale sunt numite pământuri rare. Caracteristicile lor fizice și chimice sunt atât de apropiate încât sunt separate separat în condiții de laborator cu mare dificultate. Cel mai adesea prezentând o stare de oxidare de +3, elementele seriei lantanului au multe asemănări cu metalele alcalino-pământoase (bariu, calciu, stronțiu). Actinidele sunt, de asemenea, metale extrem de active și sunt, de asemenea, radioactive.
Caracteristicile structurale ale lantanidelor și actinidelor se referă, de asemenea, la proprietăți precum, de exemplu, piroforicitatea într-o stare fin dispersată. Se observă, de asemenea, o scădere a dimensiunii rețelelor cristaline ale metalelor centrate pe față. Adăugăm că toate elementele chimice ale ambelor familii sunt metale cu o strălucire argintie, datorită reactivității ridicate, se întunecă rapid în aer. Ele sunt acoperite cu o peliculă de oxid corespunzător, care protejează împotriva oxidării ulterioare. Toate elementele sunt suficient de refractare, cu excepția neptuniului și plutoniului, al căror punct de topire este mult sub 1000 °C.
Reacții chimice caracteristice
Așa cum sa menționat mai devreme, lantanidele și actinidele sunt metale reactive. Deci, lantanul, ceriul și alte elemente ale familiei se combină cu ușurință cu substanțe simple - halogeni, precum și cu fosfor, carbon. Lantanidele pot interacționa, de asemenea, atât cu monoxidul de carbon, cât și cu dioxidul de carbon. De asemenea, sunt capabili să descompună apa. Pe lângă sărurile simple, cum ar fi SeCl3 sau PrF3, de exemplu, ele formează săruri duble. În chimia analitică, reacțiile metalelor lantanide cu acizii aminoacetic și citric ocupă un loc important. Compușii complecși formați în urma unor astfel de procese sunt utilizați pentru a separa un amestec de lantanide, de exemplu, în minereuri.
Când interacționează cu nitrați, cloruri și acizi sulfatați, metaleformează sărurile corespunzătoare. Ele sunt foarte solubile în apă și ușor capabile să formeze hidrați cristalini. Trebuie remarcat faptul că soluțiile apoase de săruri lantanide sunt colorate, ceea ce se explică prin prezența ionilor corespunzători în ele. Soluțiile de săruri de samariu sau praseodim sunt verzi, neodim - roșu-violet, prometiu și europiu - roz. Deoarece ionii cu o stare de oxidare de +3 sunt colorați, acest lucru este utilizat în chimia analitică pentru a recunoaște ionii metalici de lantanide (așa-numitele reacții calitative). În același scop, sunt utilizate și metode de analiză chimică precum cristalizarea fracționată și cromatografia cu schimb de ioni.
Actinidele pot fi împărțite în două grupe de elemente. Acestea sunt berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium și uraniu, neptunium, plutoniu, omercium. Proprietățile chimice ale primei dintre acestea sunt similare cu lantanul și metalele din familia sa. Elementele din a doua grupă au caracteristici chimice foarte asemănătoare (aproape identice unele cu altele). Toate actinidele interacționează rapid cu nemetale: sulf, azot, carbon. Ele formează compuși complecși cu legende care conțin oxigen. După cum putem vedea, metalele ambelor familii sunt aproape unele de altele în comportament chimic. Acesta este motivul pentru care lantanidele și actinidele sunt adesea denumite metale gemene.
Poziție în sistemul periodic de hidrogen, lantanide, actinide
Este necesar să se țină cont de faptul că hidrogenul este o substanță destul de reactivă. Se manifestă în funcție de condițiile reacției chimice: atât ca agent reducător, cât și ca agent oxidant. De aceea în sistemul periodichidrogenul este situat simultan în principalele subgrupe a două grupe simultan.
În primul, hidrogenul joacă rolul unui agent reducător, precum metalele alcaline aflate aici. Locul hidrogenului în grupa a 7-a, împreună cu elementele halogeni, indică capacitatea sa de reducere. În a șasea perioadă, așa cum am menționat deja, se află familia lantanidelor, plasată pe un rând separat pentru comoditatea și compactitatea mesei. A șaptea perioadă conține un grup de elemente radioactive similare ca caracteristici cu actiniul. Actinidele sunt situate în afara tabelului elementelor chimice ale lui D. I. Mendeleev sub rândul familiei lantanului. Aceste elemente sunt cele mai puțin studiate, deoarece nucleele atomilor lor sunt foarte instabile din cauza radioactivității. Amintiți-vă că lantanidele și actinidele sunt elemente de tranziție internă, iar caracteristicile lor fizico-chimice sunt foarte apropiate unele de altele.
Metode generale de producere a metalelor în industrie
Cu excepția torii, protactiniului și uraniului, care sunt extrase direct din minereuri, restul actinidelor pot fi obținute prin iradierea probelor de uraniu metalic cu fluxuri de neutroni cu mișcare rapidă. La scară industrială, neptuniul și plutoniul sunt extrase din combustibilul uzat din reactoarele nucleare. Rețineți că producția de actinide este un proces destul de complicat și costisitor, ale cărui principale metode sunt schimbul de ioni și extracția în mai multe etape. Lantanidele, care sunt numite elemente de pământuri rare, sunt obținute prin electroliza clorurilor sau fluorurilor lor. Metoda metalotermă este utilizată pentru extragerea lantanidelor ultrapure.
Unde sunt utilizate elementele de tranziție interne
Gama de utilizare a metalelor pe care le studiem este destul de largă. Pentru familia anemonelor, aceasta este, în primul rând, arme nucleare și energie. Actinidele sunt, de asemenea, importante în medicină, detectarea defectelor și analiza activării. Este imposibil să ignorăm utilizarea lantanidelor și actinidelor ca surse de captare a neutronilor în reactoarele nucleare. Lantanidele sunt, de asemenea, utilizate ca adaosuri de aliere la fontă și oțel, precum și în producția de fosfor.
Răspândit în natură
Oxizii de actinide și lantanide sunt adesea numiți pământuri de zirconiu, toriu, ytriu. Ele sunt sursa principală pentru obținerea metalelor corespunzătoare. Uraniul, ca reprezentant principal al actinidelor, se găsește în stratul exterior al litosferei sub formă de patru tipuri de minereuri sau minerale. În primul rând, este smoală de uraniu, care este dioxid de uraniu. Are cel mai mare conținut de metal. Adesea, dioxidul de uraniu este însoțit de depozite (vene) de radiu. Se găsesc în Canada, Franța, Zair. Complexele de minereuri de toriu și uraniu conțin adesea minereuri din alte metale valoroase, cum ar fi aurul sau argintul.
Rezervele de astfel de materii prime sunt bogate în Rusia, Africa de Sud, Canada și Australia. Unele roci sedimentare conțin carnotita minerală. Pe lângă uraniu, conține și vanadiu. Al patruleatipul de materii prime de uraniu este minereurile fosfatice și șisturile fier-uraniu. Rezervele lor sunt situate în Maroc, Suedia și SUA. În prezent, zăcămintele de lignit și cărbune care conțin impurități de uraniu sunt de asemenea considerate promițătoare. Sunt extrase în Spania, Republica Cehă și, de asemenea, în două state din SUA - Dakota de Nord și Dakota de Sud.
