Lantanidi in aktinidi: položaj v periodični tabeli

Vsak od kemijskih elementov, ki so predstavljeni v Zemljinih lupinah: atmosfera, litosfera in hidrosfera, lahko služi kot živahen primer, ki potrjuje temeljni pomen atomsko-molekularne doktrine in periodičnega prava. Oblikovali so jih naravoslovci iz korifejstva - ruski znanstveniki MV Lomonosov in DI Mendeleev. Lantanidi in aktinidi sta dve družini, ki vsebujeta 14 kemičnih elementov, kot tudi sami kovini - lantan in aktinij. Njihove lastnosti - fizično in kemično - bodo preučene v tem prispevku. Poleg tega bomo ugotovili, kako je položaj v periodičnem sistemu vodika, lantanidov, aktinidov odvisen od strukture elektronskih orbitalov njihovih atomov.

Zgodovina odkritja

Konec 18. stoletja je Yu Gadolin dobil prvo spojino iz skupine redkih zemeljskih kovin, itrijskega oksida. Pred začetkom 20. stoletja, zahvaljujoč raziskavi G. Moselyja v kemiji, je postalo znano o obstoju skupine kovin. Nahajajo se v periodični sistem med lantanom in hafnijom. Še en kemični element, aktinium, kot lantan, tvori družino 14 radioaktivnih kemičnih elementov, imenovanih aktinidi. Njihovo odkritje v znanosti se je zgodilo od leta 1879 do sredine 20. stoletja. Lantanidi in aktinidi imajo veliko podobnosti v fizikalnih in kemijskih lastnostih. To lahko razložimo razporeditev elektronov v atomih teh kovin, ki so v energijskih nivojev, in sicer Lanthanide je četrta stopnja f-Podrazina ter aktinidov - peta stopnja f-Podrazina. Nato podrobneje obravnavamo elektronske lupine atomov zgoraj navedenih kovin.

Struktura notranjih prehodnih elementov v luči atomsko-molekularne doktrine

Briljantno odkritje strukture kemičnih snovi MV Lomonosova je bila osnova za nadaljnje študije elektronskih lupin atomov. Rutherford model osnovne strukture delcev kemijski element, raziskave Max Planck, F. Hund dovoljeno kemiki, da bi našli pravo razlago obstoječe zakonodaje občasno spreminja fizikalnih in kemijskih lastnostih, ki so značilne za lantanidov in aktinidov. Ne, ne moreš prezreti ključno vlogo periodičnega prava DI Mendelejev pri študiju strukture atomov prehodnih elementov. V nadaljevanju bomo podrobneje preučili to vprašanje.

Mesto notranjih prehodnih elementov v periodični tabeli DI Mendelejev

V tretji skupini šestega - daljše obdobje - za lantanom je družina kovin, ki se nahajajo od cerija do vključno lutija. Na atomu lantana je 4f podnožje prazno in v lutetiju je popolnoma napolnjeno s 14 elektroni. Elementi, ki se nahajajo med njimi, se postopno napolnijo s f-orbitali. V družini aktinidov, od torija do laurentija, opazimo enako načelo kopičenja negativno nabitih delcev z edino razliko: elektronsko polnjenje poteka na podstilu 5f. Struktura zunanja raven energije in število negativnih delcev na njem (enako dvema) za vse zgoraj navedene kovine je enako. To dejstvo odgovarja na vprašanje, zakaj lantanidi in aktinidi, imenovani notranji prehodni elementi, imajo veliko podobnosti.

V nekaterih virih kemijske literature so predstavniki obeh družin združeni v druge sekundarne podskupine. Vse družine vsebujejo dva kosa. V kratki obliki periodičnega sistema kemijskih elementov DI Mendelejeva se predstavniki teh družin razlikujejo od same mize in so urejeni v ločenih vrsticah. Zato je položaj aktinidov in lantanidov v periodnem sistemu ustreza splošni načrt strukture atomov in elektronov v notranji periodičnosti polnjenje ravni in prisotnost koži povzroča oksidacija združevanje notranje prehodne kovine v splošnem skupini. V njih imajo kemični elementi lastnosti in lastnosti, enakovredne lantanovim ali aktinijim. Zato so lantanidi in aktinidi odstranjeni iz mize kemičnih elementov.

Kako elektronska konfiguracija f-podlage vpliva na lastnosti kovin

Kot smo že povedali, položaj lantanidov in aktinidov v periodnem sistemu neposredno določa njihove fizikalne in kemijske lastnosti. Tako imajo ionov cerija, gadolinija in drugih elementov družine lantanidov visokih magnetnih momentov, kar je posledica posebnosti strukture f-podlage. To je omogočilo uporabo kovin kot legirnih dodatkov za proizvodnjo polprevodnikov z magnetnimi lastnostmi. Sulfidi elementov družine aktinij (na primer protaktinijev sulfid, torij) v njihovih molekulah imajo mešani tip kemične vezi: ionsko-kovalentno ali kovalentno kovino. Ta značilnost strukture je privedla do nastanka nove fizikalno-kemične lastnosti in je služila kot odgovor na vprašanje, zakaj imajo lantanidi in aktinidi luminescentne lastnosti. Na primer, aktinium srebrne barve v temi sveti modrikasto sijaj. To je razloženo z delovanjem električnega toka, fotonov svetlobe na kovinskih ionih, pod vplivom katerih so atomi vzburjeni, in elektroni v njih "skočijo" na višje nivoje energije in se nato vrnejo v svoje stacionarne orbite. Zato lantanidi in aktinidi pripadajo fosforjem.

Posledice zmanjšanja ionskih polmerov atomov

V lantanu in aktiniumu, tako kot pri elementih iz njihovih družin, se monotono zmanjša vrednosti polmerov kovinskih ionov. V takih primerih je v kemiji običajno govoriti o lantanoidni in aktinidni kompresiji. V kemiji je ugotovljena naslednja regularnost: s povečanjem nabora atomskega jedra, če elementi pripadajo istemu obdobju, se njihovi polmeri zmanjšajo. To je mogoče razložiti na naslednji način: za kovine, kot so cerij, praseodimij, neodim, je število atomov energije v njihovih atomih vedno enako šest. Vendar pa se jedrske dajatve ustrezno povečajo za eno in so +58, +59, +60. To pomeni, da se sila privlačenja elektronov notranjih školjk poveča na pozitivno nabito jedro. Posledično se polmeri atomov zmanjšajo. V ionskih spojinah kovin se ionski radii tudi z naraščajočim rednim številom zmanjšujejo. Podobne spremembe se pojavljajo v elementih družine actinium. Zato so lantanoidi in aktinidi imenovani dvojčki. Zmanjšanje polmerov ionov vodi najprej k oslabitvi osnovnih lastnosti hidroksidov Ce (OH)₃, Pr (OH)₃, in osnova lutetija že kaže amfoterne lastnosti.

Na nepričakovane rezultate polnjenje podlage 4f z nepariranimi elektroni vodi do polovice orbitalov atoma europiuma. Njegov radij atoma se ne zmanjša, ampak se, nasprotno, poveča. Naslednji elektron v lantanidni vrsti gadolinija na 5d podlage se pojavlja kot en elektron 4f podloge, podobno kot Eu. Takšna struktura povzroči spazmodično zmanjšanje polmera gadolinijevega atoma. Podoben pojav opazimo v paru ytterbium - lutetium. V prvem elementu je polmer atoma velik zaradi popolnega polnjenja podlage 4f, medtem ko se v lutetiju na nenaden način zmanjša, saj se elektroni pojavijo na 5d podnožju. V aktiniumu in drugih radioaktivnih elementih te družine se polmeri njihovih atomov in ionov ne spreminjajo monotonsko, ampak se, tako kot lantanoidi, spreminjajo neprekinjeno. Tako so lantanidi in aktinidi elementi, v katerih so lastnosti njihovih spojin odvisne od ionskega polmera in strukture elektronskih lupin atomov.

Valenčnost navaja

Lantanidi in aktinidi so elementi, katerih značilnosti so precej podobne. Zlasti to zadeva njihove stopnje oksidacije v ione in valence atomov. Na primer, torij in protaktinij, ki imajo valenco treh, v Th (OH)₃, PaCl₃, ThF₃, Pa₂(CO₃)_3. Vse te snovi so netopne in imajo enake kemijske lastnosti, ki kovin družine lantanovega: cera, prazeodim, neodim, in tako naprej v lantanidi teh spojin bo tudi trivalentni ... Ti primeri nam še enkrat dokazujejo pravilnost izjave, da so lantanidi in aktinidi dvojčki. Imajo podobne fizikalne in kemične lastnosti. To je mogoče razložiti predvsem s strukturo elektronskih orbitalov atomov obeh družin notranjih prehodnih elementov.

Lastnosti kovin

Vsi predstavniki obeh skupin so kovine, v katerih se gradijo 4f-, 5f- in d-sublevels. Lantan in elementi njegove družine imenujemo redka zemlja. Njihove fizikalne in kemijske lastnosti so tako blizu, da so ločeno v laboratoriju z velikimi težavami. Z oksidacijskim stanjem +3 najpogosteje imajo elementi serije lantanov veliko podobnosti zemeljskoalkalijske kovine (barij, kalcij, stroncij). Actinidi so tudi zelo aktivne kovine, tudi radioaktivne.

Posebnosti strukture lantanidov in aktinidov se nanašajo tudi na lastnosti, kot so na primer pirofornost v fino dispergiranem stanju. Obstaja tudi zmanjšanje velikosti kristalnih rešetk kovin, usmerjenih v obraz. Dodamo, da so vsi kemični elementi obeh družin kovinski s srebrno barvo, zaradi visoke reaktivnosti, ki se v zraku hitro zatemni. Ti so prekriti s folijo ustreznega oksida, ki ščiti pred nadaljnjo oksidacijo. Vsi elementi so dovolj odporni, z izjemo neptunija in plutonija, katerega tališče je veliko manj kot 1000 ° C.

Tipične kemijske reakcije

Kot smo že omenili, so lantanidi in aktinidi kemično aktivne kovine. Tako lahko lantan, cerij in drugi člani družine enostavno povezati z enostavnimi snovi - halogeni, kot tudi fosforja, ogljika. Lantanidi lahko sodelujejo tudi z ogljikovim monoksidom in ogljikovim dioksidom. Prav tako lahko razpadajo vodo. Poleg enostavnih soli, na primer, kot SeCl₃ ali PrF₃, tvorijo dvojne soli. V analitični kemiji, pomembno mesto reakcijo s lantanidov kovinsko-glicina in citronske kisline. Kompleksne spojine, ki so nastale kot posledica takih postopkov, se uporabljajo za ločevanje mešanice lantanidov, na primer v rudah.

Z reakcijo s nitrata, klorida in sulfata kisline, kovine tvorijo ustrezne soli. So zlahka topen v vodi in je zlahka sposobna tvoriti kristalnih hidratov. Treba je opozoriti, da so vodne raztopine lantanidov soli barve, ki nastaja zaradi prisotnosti v njihovih ionov. sol rešitve samarij ali praseodymium zelena neodim - rdeče-vijolična, evropij in prometij - roza. Ker so ioni v oksidacijskem stanju +3 barve, ki se uporablja v analitični kemiji za odkrivanje kovinskih ionov, lantanidov (tako imenovani visokokakovostne reakcija). Za isti namen uporabimo tudi metode kemijske analize, kot so frakcionirno kristalizacijo in ionsko izmenjalno kromatografijo.

Actinide je mogoče razdeliti na dve skupini elementov. To je Berkeley, kmetija, mendelevij, nobelij, lawrencium in uran, neptunij, plutonij, omeretsy. Kemijske lastnosti prvega so podobne lantanovim in kovinam iz njegove družine. Elementi druge skupine imajo zelo podobne kemijske lastnosti (skoraj enake). Vsi aktinidi hitro interagirajo z ne-metali: žveplo, dušik, ogljik. Z ligandi, ki vsebujejo kisik, tvorijo kompleksne spojine. Kot smo videli, so kovine obeh družin v kemičnem vedenju v bližini. Zato se lantanidi in aktinidi pogosto imenujejo dvojne kovine.

Položaj v periodičnem sistemu vodika, lantanidov, aktinidov

Upoštevati je treba dejstvo, da je vodik zadostno reaktivna snov. Izkaže se, odvisno od pogojev kemične reakcije: tako redukcijskega sredstva kot oksidanta. Zato je v periodičnem sistemu vodik hkrati nameščen v glavnih podskupinah dveh skupin hkrati.

V prvem delu vodik igra vlogo reducenta, kot so alkalijske kovine, ki se nahajajo tukaj. Mesto vodika v sedmi skupini, skupaj z elementi halogeni, kaže na njegovo zmanjšanje sposobnosti. V šestem obdobju, kot smo že omenili, je družina lantanidov postavljena v ločeno vrsto za udobje in kompaktnost mize. V sedmem obdobju je skupina radioaktivnih elementov, ki so po njihovih lastnostih podobni aktiniemu. Actinoidi se nahajajo izven mize kemijskih elementov DI Mendelejev v številnih družinah lantanov. Ti elementi so najmanj raziskani, saj so jedro njihovih atomov zaradi radioaktivnosti zelo nestabilne. Spomnimo se, da lantanidi in aktinidi pripadajo elementom notranjega prehoda, njihove fizikalno-kemijske lastnosti pa so zelo blizu drug drugemu.

Splošne metode proizvodnje kovin v industriji

Razen torija, protactinium in urana, ki ga proizvaja neposredno iz rud, lahko drugi aktinidi pripravimo z obsevanjem vzorce kovinskega urana tokov hitro premikajočih nevtronov. V industrijskem obsegu se iz jedrskih reaktorjev pridobivajo neptuni in plutonij iz izrabljenega goriva. Opažamo, da je proizvodnja aktinidov precej zapleten in drag proces, katerega glavne metode so ionska izmenjava in večstopenjska ekstrakcija. Lantanidi, ki se imenujejo elementi redkih zemelj, so pridobljeni z elektrolizo njihovih kloridov ali fluoridov. Za izdelavo ultra čiste lantanide uporabimo metalotermično metodo.

Kjer se uporabljajo notranji prehodni elementi

Obseg uporabe kovin, ki jih preučujemo, je precej širok. Za družino aktiniuma - je predvsem jedrsko orožje in energija. Od pomembnega pomena so aktinidi v medicini, odkrivanje napak, analiza aktivacije. Ne moremo ignorirati uporabe lantanidov in aktinidov kot vir zajetja nevtronov v jedrskih reaktorjih. Lantanidi se uporabljajo tudi kot legirni dodatki za železo in jeklo, pa tudi pri proizvodnji fosforjev.

Distribucija v naravi

Oksidi aktinidov in lantanidov se pogosto imenujejo cirkonij, torij, itrij. So glavni vir pridobivanja ustreznih kovin. Uran, kot glavni predstavnik aktinidov, se nahaja v zunanjem sloju litosfere v obliki štirih vrst rud ali mineralov. Najprej je uranov katran, ki je uranov dioksid. V njej je vsebnost kovin najvišja. Pogosto uranov dioksid spremljajo radije (vene). Najdemo jih v Kanadi, Franciji, Zairu. Kompleksi torija in uranove rude pogosto vsebujejo rude drugih dragocenih kovin, na primer zlata ali srebra.

Zaloge takšnih surovin so bogate v Rusiji, Južni Afriki, Kanadi in Avstraliji. Nekatere sedimentne kamnine vsebujejo mineralni karnotit. V svoji sestavi je poleg urana tudi vanadij. Četrti tip uranovih surovin je fosfatna ruda in železov skrilavec. Njihove rezerve so v Maroku, na Švedskem in v ZDA. Obstajajo tudi obljube ostankov lignita in premoga, ki vsebujejo nečistote urana. Minirane so v Španiji, na Češkem in v dveh ameriških državah - Severni in Južni Dakoti.