Hvert av de kjemiske elementene som presenteres i jordens skjell: atmosfæren, litosfæren og hydrosfæren - kan tjene som et levende eksempel, som bekrefter den grunnleggende betydningen av atom- og molekylteorien og den periodiske loven. De ble formulert av naturvitenskapens armaturer - russiske forskere M. V. Lomonosov og D. I. Mendeleev. Lantanider og aktinider er to familier som inneholder 14 kjemiske elementer hver, samt selve metallene - lantan og aktinium. Egenskapene deres - både fysiske og kjemiske - vil bli vurdert av oss i denne artikkelen. I tillegg vil vi fastslå hvordan posisjonen i det periodiske systemet av hydrogen, lantanider, aktinider avhenger av strukturen til de elektroniske orbitalene til deres atomer.
Oppdagelseshistorikk
På slutten av 1700-tallet fikk Y. Gadolin den første forbindelsen fra gruppen av sjeldne jordartsmetaller - yttriumoksid. Fram til begynnelsen av det 20. århundre, takket være forskningen til G. Moseley i kjemi, ble det kjent om eksistensen av en gruppe metaller. De var lokalisert i det periodiske systemet mellom lantan og hafnium. Et annet kjemisk element - aktinium, som lantan, danner en familie på 14 radioaktivekjemiske elementer k alt aktinider. Oppdagelsen deres i vitenskapen skjedde fra 1879 til midten av det 20. århundre. Lantanider og aktinider har mange likheter i både fysiske og kjemiske egenskaper. Dette kan forklares med arrangementet av elektroner i atomene til disse metallene, som er på energinivåer, nemlig for lantanider er dette det fjerde nivået f-undernivå, og for aktinider - det femte nivået f-undernivå. Deretter vil vi vurdere elektronskallene til atomene til metallene ovenfor i mer detalj.
Strukturen av indre overgangselementer i lys av atom- og molekylær lære
Den geniale oppdagelsen av strukturen til kjemikalier av MV Lomonosov var grunnlaget for videre studier av elektronskall til atomer. Rutherford-modellen av strukturen til en elementær partikkel av et kjemisk grunnstoff, studiene til M. Planck, F. Gund tillot kjemikere å finne den riktige forklaringen på de eksisterende mønstrene av periodiske endringer i fysiske og kjemiske egenskaper som karakteriserer lantanider og aktinider. Det er umulig å ignorere den viktigste rollen til den periodiske loven til D. I. Mendeleev i studiet av strukturen til atomer av overgangselementer. La oss dvele ved dette problemet mer detaljert.
Plasser for interne overgangselementer i D. I. Mendeleevs periodiske system
I den tredje gruppen av den sjette - større perioden - bak lantan er en familie av metaller som strekker seg fra cerium til inklusive lutetium. 4f-subnivået til lantanatomet er tomt, mens lutetiumatomet er fullstendig fylt med det 14.elektroner. Elementene som ligger mellom dem fyller gradvis f-orbitaler. I familien av aktinider - fra thorium til lawrencium - observeres det samme prinsippet om akkumulering av negativt ladede partikler med den eneste forskjellen: fylling med elektroner skjer på 5f-undernivået. Strukturen til det ytre energinivået og antallet negative partikler på det (lik to) er det samme for alle de ovennevnte metallene. Dette faktum svarer på spørsmålet om hvorfor lantanidene og aktinidene, k alt indre overgangselementer, har mange likheter.
I noen kilder til kjemisk litteratur er representanter for begge familier kombinert i andre side-undergrupper. De inneholder to metaller fra hver familie. I den korte formen av det periodiske systemet av kjemiske elementer av D. I. Mendeleev, er representanter for disse familiene atskilt fra selve tabellen og arrangert i separate rader. Derfor tilsvarer plasseringen av lantanider og aktinider i det periodiske systemet den generelle planen for strukturen til atomer og periodisiteten for å fylle indre nivåer med elektroner, og tilstedeværelsen av de samme oksidasjonstilstandene forårsaket assosiasjonen av interne overgangsmetaller til vanlige grupper. I dem har kjemiske elementer egenskaper og egenskaper som tilsvarer lantan eller aktinium. Det er derfor lantanidene og aktinidene fjernes fra tabellen over kjemiske elementer.
Hvordan den elektroniske konfigurasjonen av f-undernivået påvirker egenskapene til metaller
Som vi sa tidligere, plasseringen av lantanider og aktinider i det periodiskesystemet bestemmer direkte deres fysiske og kjemiske egenskaper. Således har ioner av cerium, gadolinium og andre elementer i lantanidfamilien høye magnetiske momenter, som er assosiert med strukturelle trekk ved f-subnivået. Dette gjorde det mulig å bruke metaller som dopingmidler for å oppnå halvledere med magnetiske egenskaper. Sulfider av elementer fra aktiniumfamilien (for eksempel sulfid av protactinium, thorium) i sammensetningen av molekylene deres har en blandet type kjemisk binding: ionisk-kovalent eller kovalent-metall. Denne funksjonen i strukturen førte til fremveksten av en ny fysisk-kjemisk egenskap og fungerte som et svar på spørsmålet om hvorfor lantanider og aktinider har selvlysende egenskaper. For eksempel, en prøve av anemone som er sølvaktig i mørket lyser med en blåaktig glød. Dette forklares av virkningen av elektrisk strøm, fotoner av lys på metallioner, under påvirkning av hvilke atomer blir begeistret, og elektronene i dem "hopper" til høyere energinivåer og går deretter tilbake til deres stasjonære baner. Det er av denne grunn at lantanider og aktinider er klassifisert som fosfor.
Konsekvenser av å redusere ioneradiusene til atomer
I lantan og aktinium, så vel som i elementene fra deres familier, er det en monoton reduksjon i verdien av indikatorene for radiene til metallioner. I kjemi er det i slike tilfeller vanlig å snakke om lantanid- og aktinidkompresjon. I kjemi er følgende mønster etablert: med en økning i ladningen til atomkjernen, hvis elementene tilhører samme periode, reduseres radiene deres. Dette kan forklares som følgermåte: for slike metaller som cerium, praseodym, neodym, er antallet energinivåer i deres atomer uendret og lik seks. Imidlertid øker ladningene til kjernene med henholdsvis én og er +58, +59, +60. Dette betyr at tiltrekningskraften til elektronene i de indre skallene til den positivt ladede kjernen øker. Som et resultat avtar atomradiene. I ioniske forbindelser av metaller, med en økning i atomnummeret, reduseres også de ioniske radiene. Lignende endringer observeres i elementene i anemonfamilien. Det er derfor lantanidene og aktinidene kalles tvillinger. En reduksjon i radier av ioner fører først og fremst til en svekkelse av de grunnleggende egenskapene til hydroksydene Ce(OH)3, Pr(OH)3 egenskaper.
Fylingen av 4f-undernivået med uparrede elektroner opptil halvparten av orbitalene til europiumatomet fører til uventede resultater. Atomradiusen minker ikke, men øker tvert imot. Gadolinium, som følger det i rekken av lantanider, har ett elektron i 4f-undernivået på 5d-undernivået, på samme måte som Eu. Denne strukturen forårsaker en brå reduksjon i radiusen til gadoliniumatomet. Et lignende fenomen observeres i et par ytterbium - lutetium. For det første elementet er atomradiusen stor på grunn av fullstendig fylling av 4f-undernivået, mens det for lutetium avtar brått, siden utseendet til elektroner observeres på 5d-undernivået. I aktinium og andre radioaktive elementer i denne familien endres ikke radiene til deres atomer og ioner monotont, men, som lantanidene, trinnvis. Dermed er lantanidene ogaktinider er grunnstoffer hvis egenskaper til forbindelsene deres korrelativt avhenger av ioneradiusen og strukturen til elektronskallene til atomer.
Valence states
Lantanider og aktinider er elementer som har ganske like egenskaper. Spesielt gjelder dette deres oksidasjonstilstander i ioner og valensen til atomer. For eksempel thorium og protactinium, som har en valens på tre, i forbindelsene Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Alle disse stoffene er uløselige og har de samme kjemiske egenskapene som metallene fra lantanfamilien: cerium, praseodym, neodym osv. Lantanidene i disse forbindelsene vil også være treverdige. Disse eksemplene beviser nok en gang for oss riktigheten av utsagnet om at lantanider og aktinider er tvillinger. De har lignende fysiske og kjemiske egenskaper. Dette kan først og fremst forklares av strukturen til elektronorbitalene til atomene til begge familier av indre overgangselementer.
Metalegenskaper
Alle representanter for begge gruppene er metaller, der 4f-, 5f- og også d-undernivåer er fullført. Lantan og elementene i familien kalles sjeldne jordarter. Deres fysiske og kjemiske egenskaper er så nærme at de er adskilt under laboratorieforhold med store vanskeligheter. Som oftest viser en oksidasjonstilstand på +3, har elementene i lantanserien mange likheter med jordalkalimetaller (barium, kalsium, strontium). Aktinider er også ekstremt aktive metaller, og er også radioaktive.
De strukturelle trekkene til lantanider og aktinider relaterer seg også til egenskaper som for eksempel pyroforisitet i en finspredt tilstand. En reduksjon i størrelsen på de ansiktssentrerte krystallgittene til metaller er også observert. Vi legger til at alle de kjemiske elementene i begge familier er metaller med en sølvskinnende glans, på grunn av deres høye reaktivitet blir de raskt mørkere i luften. De er dekket med en film av det tilsvarende oksidet, som beskytter mot ytterligere oksidasjon. Alle grunnstoffene er tilstrekkelig ildfaste, med unntak av neptunium og plutonium, hvis smeltepunkt er godt under 1000 °C.
Karakteristiske kjemiske reaksjoner
Som tidligere nevnt, er lantanider og aktinider reaktive metaller. Så lantan, cerium og andre elementer i familien kombineres lett med enkle stoffer - halogener, så vel som med fosfor, karbon. Lantanidene kan også interagere med både karbonmonoksid og karbondioksid. De er også i stand til å bryte ned vann. I tillegg til enkle s alter, som for eksempel SeCl3 eller PrF3, danner de doble s alter. I analytisk kjemi opptar reaksjoner av lantanidmetaller med aminoeddiksyre og sitronsyre en viktig plass. De komplekse forbindelsene som dannes som et resultat av slike prosesser brukes til å separere en blanding av lantanider, for eksempel i malm.
Ved interaksjon med nitrat-, klorid- og sulfatsyrer, metallerdanner de tilsvarende s alter. De er svært løselige i vann og er lett i stand til å danne krystallinske hydrater. Det skal bemerkes at vandige løsninger av lantanids alter er farget, noe som forklares av tilstedeværelsen av de tilsvarende ionene i dem. Løsninger av samarium eller praseodymium s alter er grønne, neodym - rødfiolett, promethium og europium - rosa. Siden ioner med en oksidasjonstilstand på +3 er farget, brukes dette i analytisk kjemi for å gjenkjenne lantanidmetallioner (såk alte kvalitative reaksjoner). Til samme formål brukes også kjemiske analysemetoder som fraksjonert krystallisering og ionebyttekromatografi.
Actinider kan deles inn i to grupper av elementer. Disse er berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium og uran, neptunium, plutonium, omercium. De kjemiske egenskapene til den første av disse ligner på lantan og metaller fra familien. Elementene i den andre gruppen har svært like kjemiske egenskaper (nesten identiske med hverandre). Alle aktinider samhandler raskt med ikke-metaller: svovel, nitrogen, karbon. De danner komplekse forbindelser med oksygenholdige legender. Som vi kan se, er metallene i begge familier nær hverandre i kjemisk oppførsel. Dette er grunnen til at lantanidene og aktinidene ofte omtales som tvillingmetaller.
Posisjon i det periodiske systemet av hydrogen, lantanider, aktinider
Det er nødvendig å ta hensyn til at hydrogen er et ganske reaktivt stoff. Det manifesterer seg avhengig av betingelsene for den kjemiske reaksjonen: både som et reduksjonsmiddel og som et oksidasjonsmiddel. Det er derfor i det periodiske systemethydrogen er lokalisert samtidig i hovedundergruppene av to grupper samtidig.
I den første spiller hydrogen rollen som et reduksjonsmiddel, som alkalimetallene som ligger her. Stedet for hydrogen i den syvende gruppen, sammen med elementene halogener, indikerer dens reduserende evne. I den sjette perioden, som allerede nevnt, er lantanidfamilien plassert i en egen rad for bordets bekvemmelighet og kompakthet. Den syvende perioden inneholder en gruppe radioaktive grunnstoffer som i egenskaper ligner aktinium. Aktinider er plassert utenfor tabellen over kjemiske elementer av D. I. Mendeleev under raden av lantanfamilien. Disse elementene er de minst studerte, siden kjernene til atomene deres er svært ustabile på grunn av radioaktivitet. Husk at lantanider og aktinider er indre overgangselementer, og deres fysisk-kjemiske egenskaper er svært nær hverandre.
Generelle metoder for å produsere metaller i industrien
Med unntak av thorium, protactinium og uran, som utvinnes direkte fra malm, kan resten av aktinidene oppnås ved å bestråle prøver av metallisk uran med hurtiggående nøytronstrømmer. I industriell skala utvinnes neptunium og plutonium fra brukt brensel fra atomreaktorer. Merk at produksjonen av aktinider er en ganske komplisert og kostbar prosess, hvor hovedmetodene er ionebytting og flertrinnsekstraksjon. Lantanider, som kalles sjeldne jordartselementer, oppnås ved elektrolyse av deres klorider eller fluorider. Den metallotermiske metoden brukes til å ekstrahere ultrarene lantanider.
Hvor interne overgangselementer brukes
Utvalget for bruk av metallene vi studerer er ganske bredt. For anemonefamilien er dette først og fremst atomvåpen og energi. Aktinider er også viktige i medisin, feildeteksjon og aktiveringsanalyse. Det er umulig å ignorere bruken av lantanider og aktinider som kilder til nøytronfangst i atomreaktorer. Lantanider brukes også som legeringstilsetninger til støpejern og stål, samt i produksjon av fosfor.
Spredning i naturen
Oksider av aktinider og lantanider kalles ofte zirkonium, thorium, yttriumjordarter. De er hovedkilden for å oppnå de tilsvarende metallene. Uran, som hovedrepresentant for aktinider, finnes i det ytre laget av litosfæren i form av fire typer malmer eller mineraler. Først og fremst er det uranbek, som er urandioksid. Den har det høyeste metallinnholdet. Ofte er urandioksid ledsaget av radiumavleiringer (årer). De finnes i Canada, Frankrike, Zaire. Komplekser av thorium- og uranmalm inneholder ofte malmer av andre verdifulle metaller, som gull eller sølv.
Reservene av slike råvarer er rike i Russland, Sør-Afrika, Canada og Australia. Noen sedimentære bergarter inneholder mineralet karnotitt. I tillegg til uran inneholder den også vanadium. Fjerdetypen uranråvarer er fosfatmalm og jern-uranskifer. Reservene deres er lokalisert i Marokko, Sverige og USA. Foreløpig anses også forekomster av brunkull og kull som inneholder uran urenheter som lovende. De er utvunnet i Spania, Tsjekkia, og også i to amerikanske stater - Nord- og Sør-Dakota.
