Lantanidele și actinidele: poziția în tabelul periodic

Fiecare dintre elementele chimice reprezentate în cochilii Pământului: atmosferă, litosferă și hidrosferă - poate servi drept exemplu viu, confirmând importanța fundamentală a doctrinei moleculare atomice și a legii periodice. Acestea au fost formulate de coryphae din știința naturală - oamenii de știință ruși MV Lomonosov și DI Mendeleev. Lantanidele și actinidele sunt două familii care conțin 14 elemente chimice, precum și metalele - lantan și actiniu. Proprietățile lor fizice și chimice vor fi examinate de noi în această lucrare. În plus, vom stabili cum poziția în sistemul periodic de hidrogen, lantanide, actinide depinde de structura orbitalilor electronici ai atomilor lor.

Istoria descoperirii

La sfârșitul secolului al XVIII-lea, Yu Gadolin a obținut primul compus din grupul metalelor de pământuri rare, oxid de ytriu. Înainte de începutul secolului XX, datorită cercetării lui G. Mosely în chimie, a devenit cunoscută existența unui grup de metale. Au fost localizați în sistem periodic între lantan și hafniu. Un alt element chimic - actiniului, lantan ca, formează o familie de 14 elemente chimice radioactive numite actinide. Descoperirea lor în știință sa întâmplat din 1879 până la mijlocul secolului al 20-lea. Lantanide și actinide au o mulțime de similitudini în proprietățile fizice și chimice. Acest lucru poate fi explicat aranjament de electroni din atomii acestor metale, care sunt în nivelurile de energie, și anume lantanidă este al patrulea nivel de f-subnivel și pentru actinide - al cincilea nivel de f-subnivel. În continuare, considerăm cojile de electroni de atomi ai metalelor menționate mai sus, mai în detaliu.

Structura elementelor de tranziție internă în lumina doctrinei moleculare atomice

Descoperirea Brilliant structurii chimice Lomonosov a fost baza pentru un studiu mai aprofundat al cochiliilor de electroni de atomi. Modelul Rutherford structurii particulelor elementare a unui element chimic, cercetarea Max Planck, F. Hund permis chimiști pentru a găsi explicația corectă a legilor existente ale variației periodice a proprietăților fizice și chimice, care sunt caracterizate de lantanide și actinide. Nu poți ignora rolul vital al legii periodice a DI Mendeleev în studiul structurii atomilor elementelor de tranziție. Să examinăm această problemă în detaliu.

Locul elementelor de tranziție internă în tabelul periodic al DI Mendeleyev

În al treilea grup al celei de-a șasea - o perioadă mai lungă - în spatele lantanului este o familie de metale situate între ceriu și lutețiu inclusiv. La atomul de lantan, substratul 4f este gol, iar în lutețiu este complet umplut cu 14 electroni. Elementele situate între ele sunt umplute treptat cu f-orbitali. În familia actinidelor, de la toriu la laurentiu, se observă același principiu de acumulare a particulelor încărcate negativ, cu singura diferență: umplerea cu electroni are loc pe substratul 5f. Structura lui nivelul energetic extern iar numărul de particule negative pe el (egal cu două) pentru toate metalele de mai sus este același. Acest fapt răspunde la întrebarea de ce lantanidele și actinidele, numite elemente de tranziție internă, au multe asemănări.

Unele surse din literatura chimică a ambelor familii sunt combinate în a doua parte a subgrupului. Ele conțin două metale din fiecare familie. În forma scurtă a sistemului periodic al elementelor chimice reprezentanții DI Mendeleev acestor familii sunt izolate de masă în sine și aranjate pe rânduri separate. Prin urmare, poziția actinidelor și lantanide în sistemul periodic corespunde planului general al structurii atomilor și electronilor în nivelele interioare periodicitate de umplere și prezența aceleiași oxidare cauzate agregarea metalelor de tranziție interne în grupul general. In aceste elemente chimice au caracteristici și proprietăți lantan sau actiniu echivalente. De aceea, lantanide și actinide eliminate din tabelul elementelor chimice.

Cum afectează configurația electronică a substratului f-proprietățile metalelor

Așa cum am spus înainte, poziția lantanide și actinide în sistemul periodic determină în mod direct caracteristicile lor fizice și chimice. De exemplu, ionii de ceriu, gadoliniu și alte elemente ale familiei lantanide au momente magnetice mari din cauza caracteristicilor structurale ale f-subnivel. Este posibil să se utilizeze metale ca dopanți pentru producerea de semiconductori cu proprietăți magnetice. Sulfurilor elemente de familie actiniului (de exemplu, sulfura protactiniu, toriu), în moleculele lor au un tip mixt de legare chimică: ionic sau covalent covalent-metalic. Această caracteristică structurală a dus la apariția unor noi proprietăți fizice și chimice și va servi drept un răspuns la întrebarea de ce lantanide și actinide au proprietăți fluorescente. De exemplu, o probă de argint actinium strălucește în lumina albăstruie întuneric. Acest lucru se datorează acțiunii ionilor metalici electrice de curent, fotoni de lumină, care are loc sub influența excitarea atomilor și electronii în acesta „salt“ la un nivel de energie mai mare și apoi să se întoarcă la orbita lor staționare. Acesta este motivul pentru care lantanide și actinide sunt fosforescente.

Consecințele reducerii radiațiilor ionice ale atomilor

În lantan și actiniu, ca și în cazul elementelor din familiile lor, există o scădere monotonă a valorilor radiațiilor ionilor metalici. În chimie, în astfel de cazuri este obișnuit să se vorbească de compresie lanthanoidă și actinidă. În chimie se stabilește următoarea regularitate: cu o creștere a sarcinii nucleului atomic, în cazul în care elementele aparțin aceleiași perioade, raza lor scade. Acest lucru poate fi explicat în felul următor: pentru metale precum ceriul, praseodimul, neodimul, numărul de niveluri de energie din atomii lor este invariabil egal cu șase. Cu toate acestea, taxele nucleare sunt în mod corespunzător majorate cu unul și sunt de +58, +59, +60. Aceasta înseamnă că forța de atracție a electronilor cochililor interiori la miezul încărcat pozitiv crește. În consecință, razele atomilor scad. În compușii ionici ai metalelor, razele ionice scad, de asemenea, odată cu creșterea numărului ordinal. Modificări similare sunt observate în elementele familiei de actinium. De aceea, lanthanoidele și actinidele sunt numite gemeni. Reducerea radiațiilor ionilor conduce, în primul rând, la o slăbire a proprietăților de bază ale hidroxidelor Ce (OH)₃, Pr (OH)₃, iar baza lutetiului prezintă deja proprietăți amfoterice.

Pentru rezultate neașteptate, umplerea substratului 4f cu electroni neparticipați conduce la jumătate din orbitele atomului de europiu. Raza lui de atom nu scade, ci, dimpotrivă, crește. Următorul electron din seria de lantanid de gadoliniu la subsolul 5d apare ca un electron al subsolului 4f, similar cu Eu. O astfel de structură determină o scădere spasmodică a razei atomului gadoliniu. Un fenomen similar este observat la o pereche de ytebium - lutetiu. În primul element, raza atomului este mare datorită umplerii totale a substratului 4f, în timp ce în lutețiu scade abrupt, deoarece electronii apar pe subsolul 5d. În actiniu și alte elemente radioactive din această familie, razele atomilor și ionilor lor nu se schimbă în mod monoton, dar, ca și lanthanoidele, se schimbă discontinuu. Astfel, lantanidele și actinidele sunt elemente în care proprietățile compușilor lor depind în mod corelativ de raza ionică și structura cojilor de electroni ai atomilor.

Starea Valency

Lantanidele și actinidele sunt elemente ale căror caracteristici sunt destul de similare. În special, aceasta privește gradul lor de oxidare în ioni și valența atomilor. De exemplu, toriu și protactinium, care prezintă o valență de trei, în Th (OH)₃, Pácl₃, Tetrahidrofuranul₃, Pa₂(CO₃)_3. Toate aceste substanțe sunt insolubile și au aceleași proprietăți chimice, ca și cea a metalelor din familia lantan: ceriu, praseodim, neodim, și așa mai departe în Lantanide acestor compuși vor fi de asemenea trivalent ... Aceste exemple dovedesc corectitudinea afirmației noastre că lantanide și actinidele - gemeni. Ei au proprietăți fizice și chimice similare. Acest lucru poate fi explicat în primul rând structura orbitali de electroni în atomi ambelor familii de elemente de tranziție interne.

Proprietăți metalice

Toți reprezentanții ambelor grupuri sunt metale, în care se construiesc 4f-, 5f-, și, de asemenea, sub-podele. Lantanul și elementele din familia sa se numesc pământuri rare. Caracteristicile lor fizice și chimice sunt atât de apropiate, încât separat în laborator sunt separate cu mare dificultate. Folosind cel mai adesea starea de oxidare +3, elementele seriei de lantan au multe similarități metale alcalino-pământoase (bariu, calciu, stronțiu). Actinidele sunt, de asemenea, metale extrem de active, de asemenea radioactive.

Particularitățile structurii lantanidelor și actinidelor se referă, de asemenea, la astfel de proprietăți ca, de exemplu, piroforicitatea în starea fin dispersată. Există, de asemenea, o diminuare a dimensiunilor laturilor cristalului centrat pe față de metale. Se adaugă că toate elementele chimice ale ambelor familii sunt metale cu luciu argintiu, datorită reactivității lor ridicate, care se întunecă rapid în aer. Acestea sunt acoperite cu un strat de oxid corespunzător, care protejează de oxidarea ulterioară. Toate elementele sunt suficient de refractare, cu excepția neptuniului și plutonului, al căror punct de topire este mult mai mic decât 1000 ° C.

Reacții chimice tipice

Așa cum am menționat anterior, lantanidele și actinidele sunt metale active din punct de vedere chimic. Astfel, lantanul, ceriul și alte elemente ale familiei sunt ușor combinate cu substanțe simple - halogeni, precum și cu fosfor, carbon. Lantanidele pot interacționa cu monoxidul de carbon și dioxidul de carbon. Ele sunt de asemenea capabile să descompună apa. În plus față de sărurile simple, de exemplu, cum ar fi SeCl₃ sau PrF₃, ele formează săruri duble. În chimia analitică un loc important este ocupat de reacțiile lantanurilor metalice cu acizii aminoacetici și citrici. Compușii complexi formați ca rezultat al unor astfel de procese sunt utilizați pentru a separa un amestec de lantanide, de exemplu, în minereuri.

Când interacționează cu azotatul, clorul și acizii sulfați, metalele formează sărurile corespunzătoare. Ele sunt ușor solubile în apă și sunt ușor capabile să formeze hidrați cristalini. Trebuie notat că soluțiile apoase de săruri de lantanid sunt colorate, ceea ce se explică prin prezența ionilor corespunzători ai acestora. Soluțiile de săruri de samarium sau praseodim sunt verde, neodymium-violet roșu, promethium și europiu-roz. Deoarece ionii cu grad de oxidare +3 sunt colorați, se utilizează în chimia analitică pentru a recunoaște ionii metalelor lantanide (așa-numitele reacții calitative). Pentru același scop, se utilizează, de asemenea, metode de analiză chimică, cum ar fi cristalizarea fracționată și cromatografia cu schimb ionic.

Actinidele pot fi împărțite în două grupe de elemente. Acestea sunt berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, laurentiu și uraniu, neptuniu, plutoniu și omertium. Proprietățile chimice ale primului sunt similare cu lantanul și metalele din familia sa. Elementele din al doilea grup au caracteristici chimice foarte asemănătoare (aproape identice cu altele). Toate actinidele interacționează rapid cu nemetalele: sulf, azot, carbon. Cu liganzi care conțin oxigen formează compuși complexe. După cum vedem, metalele ambelor familii se apropie una de cealaltă în comportamentul chimic. Acesta este motivul pentru care lantanidele și actinidele sunt numite adesea metale duble.

Poziția în sistemul periodic de hidrogen, lantanide, actinide

Este necesar să se țină seama de faptul că hidrogenul este o substanță suficient de reactivă. Se manifestă în funcție de condițiile reacției chimice: atât un agent reducător, cât și un oxidant. De aceea, într-un sistem periodic, hidrogenul este localizat simultan în principalele subgrupe de două grupuri simultan.

În primul rând, hidrogenul joacă rolul unui agent reducător, precum metalele alcaline situate aici. Locul hidrogenului din grupul 7, împreună cu elemente de halogeni, indică capacitatea sa de reducere. În a șasea perioadă, după cum sa menționat deja, o familie de lantanide este plasată într-un rând separat pentru confortul și compactitatea mesei. A șaptea perioadă conține un grup de elemente radioactive, similare în caracteristicile lor cu actinium. Actinoidele sunt situate în afara tabelului elementelor chimice ale DI Mendeleyev sub o serie de familii de lantan. Aceste elemente sunt cele mai puțin studiate, deoarece nucleele atomilor lor sunt foarte instabile din cauza radioactivității. Amintiți-vă că lantanidele și actinidele aparțin elementelor tranziției interne, iar caracteristicile lor fizico-chimice sunt foarte apropiate unul de celălalt.

Metode generale de producere a metalelor în industrie

Cu excepția toriului, protactinului și uraniului, care sunt extrase direct din minereuri, actinidele rămase pot fi obținute prin iradierea probelor de metal de uraniu cu fluxuri neutronice în mișcare rapidă. La scară industrială, neptuniul și plutoniul sunt extrase din combustibilul uzat din reactori nucleari. Observăm că producția de actinide este un proces destul de complex și costisitor, principalele metode ale cărora sunt schimbul de ioni și extracția în mai multe etape. Lantanidele, numite elemente de pământuri rare, sunt obținute prin electroliza clorurilor sau fluorurilor lor. Pentru a produce lantanide ultra-pure, utilizați metoda metalotermică.

În cazul în care se utilizează elemente de tranziție internă

Gama de utilizare a metalelor pe care le studiem este destul de largă. Pentru familia de actiniu - este, mai presus de toate, armele nucleare și energia. De mare importanță sunt actinidele din medicină, detectarea defectelor, analiza activării. Nu putem ignora utilizarea lantanidelor și actinidelor ca surse de captare a neutronilor în reactoarele nucleare. Lantanidele sunt, de asemenea, utilizate ca aditivi de aliere la fier și oțel, precum și în producția de fosfor.

Distribuția în natură

Oxizi de actinide și lanthanide sunt adesea numite zirconiu, toriu, ytriu. Acestea sunt principala sursă de obținere a metalelor corespunzătoare. Uraniul, ca principal reprezentant al actinidelor, este situat în stratul exterior al litosferei sub forma a patru tipuri de minereuri sau minerale. În primul rând, este gudron de uraniu, care este dioxid de uraniu. În el, conținutul de metal este cel mai înalt. Adesea, dioxidul de uraniu este însoțit de depuneri de radiații (vene). Se găsesc în Canada, Franța, Zaire. Complexe de toriu și uraniu conțin de multe ori minereuri de alte metale valoroase, de exemplu, aur sau argint.

Stocurile de astfel de materii prime sunt bogate în Rusia, Africa de Sud, Canada și Australia. Unele roci sedimentare conțin carnotit mineral. În compoziția sa, în plus față de uraniu, este de asemenea vanadiu. Al patrulea tip de materii prime de uraniu sunt minereurile fosfatice și șisturile de fier și fier. Rezervele lor se află în Maroc, Suedia și SUA. În prezent, depozitele de lignit și cărbune care conțin impurități de uraniu sunt, de asemenea, promițătoare. Acestea sunt exploatate în Spania, Republica Cehă, precum și în două state americane - Dakota de Nord și de Sud.