Hvert af de kemiske grundstoffer, der præsenteres i Jordens skaller: atmosfæren, lithosfæren og hydrosfæren - kan tjene som et levende eksempel, der bekræfter den grundlæggende betydning af atom- og molekylteorien og den periodiske lov. De blev formuleret af naturvidenskabens armaturer - russiske videnskabsmænd M. V. Lomonosov og D. I. Mendeleev. Lanthanider og aktinider er to familier, der hver indeholder 14 kemiske grundstoffer, samt selve metallerne - lanthan og aktinium. Deres egenskaber - både fysiske og kemiske - vil blive overvejet af os i denne artikel. Derudover vil vi fastslå, hvordan positionen i det periodiske system af brint, lanthanider, aktinider afhænger af strukturen af deres atomers elektroniske orbitaler.
Opdagelseshistorik
I slutningen af det 18. århundrede opnåede Y. Gadolin den første forbindelse fra gruppen af sjældne jordarters metaller - yttriumoxid. Indtil begyndelsen af det 20. århundrede blev det, takket være G. Moseleys forskning i kemi, kendt om eksistensen af en gruppe metaller. De var placeret i det periodiske system mellem lanthan og hafnium. Et andet kemisk element - actinium, som lanthan, danner en familie på 14 radioaktivekemiske grundstoffer kaldet actinider. Deres opdagelse i videnskaben fandt sted fra 1879 til midten af det 20. århundrede. Lanthanider og actinider har mange ligheder i både fysiske og kemiske egenskaber. Dette kan forklares ved arrangementet af elektroner i atomerne i disse metaller, som er på energiniveauer, nemlig for lanthanider er dette det fjerde niveau f-underniveau, og for aktinider - det femte niveau f-underniveau. Dernæst vil vi overveje elektronskallene af atomerne i ovennævnte metaller mere detaljeret.
Strukturen af interne overgangselementer i lyset af atomare og molekylære lære
Den geniale opdagelse af kemikaliers struktur af MV Lomonosov var grundlaget for yderligere undersøgelse af atomers elektronskaller. Rutherford-modellen af strukturen af en elementær partikel af et kemisk grundstof, studierne af M. Planck, F. Gund gjorde det muligt for kemikere at finde den korrekte forklaring på de eksisterende mønstre af periodiske ændringer i fysiske og kemiske egenskaber, der karakteriserer lanthanider og actinider. Det er umuligt at ignorere den vigtigste rolle af D. I. Mendeleevs periodiske lov i studiet af strukturen af atomer af overgangselementer. Lad os dvæle ved dette spørgsmål mere detaljeret.
Placering af interne overgangselementer i D. I. Mendeleevs periodiske system
I den tredje gruppe af den sjette - større periode - bag lanthan er en familie af metaller, der spænder fra cerium til lutetium inklusive. 4f-underniveauet af lanthanatomet er tomt, mens lutetiumatomet er fuldstændigt fyldt med det 14.elektroner. Elementerne placeret mellem dem fylder gradvist f-orbitaler. I familien af aktinider - fra thorium til lawrencium - observeres det samme princip om akkumulering af negativt ladede partikler med den eneste forskel: fyldning med elektroner sker på 5f-underniveauet. Strukturen af det eksterne energiniveau og antallet af negative partikler på det (lig med to) er det samme for alle ovennævnte metaller. Dette faktum besvarer spørgsmålet om, hvorfor lanthaniderne og actiniderne, kaldet interne overgangselementer, har mange ligheder.
I nogle kilder til kemisk litteratur er repræsentanter for begge familier kombineret i anden side undergrupper. De indeholder to metaller fra hver familie. I den korte form af det periodiske system af kemiske elementer fra D. I. Mendeleev er repræsentanter for disse familier adskilt fra selve tabellen og arrangeret i separate rækker. Derfor svarer positionen af lanthanider og aktinider i det periodiske system til den generelle plan for atomernes struktur og periodiciteten for at fylde indre niveauer med elektroner, og tilstedeværelsen af de samme oxidationstilstande forårsagede associationen af interne overgangsmetaller til fælles grupper. I dem har kemiske elementer funktioner og egenskaber svarende til lanthan eller actinium. Det er derfor, lanthaniderne og actiniderne fjernes fra skemaet over kemiske grundstoffer.
Hvordan den elektroniske konfiguration af f-underniveauet påvirker egenskaberne af metaller
Som vi sagde tidligere, positionen af lanthanider og aktinider i det periodiskesystemet bestemmer direkte deres fysiske og kemiske egenskaber. Således har ioner af cerium, gadolinium og andre elementer af lanthanidfamilien høje magnetiske momenter, hvilket er forbundet med strukturelle træk ved f-subniveauet. Dette gjorde det muligt at bruge metaller som dopingmidler for at opnå halvledere med magnetiske egenskaber. Sulfider af elementer fra actiniumfamilien (for eksempel sulfid af protactinium, thorium) i sammensætningen af deres molekyler har en blandet type kemisk binding: ionisk-kovalent eller kovalent-metal. Denne funktion af strukturen førte til fremkomsten af en ny fysisk-kemisk egenskab og tjente som et svar på spørgsmålet om, hvorfor lanthanider og actinider har selvlysende egenskaber. For eksempel, en prøve af anemone, der er sølvfarvet i mørket, lyser med en blålig glød. Dette forklares ved virkningen af elektrisk strøm, fotoner af lys på metalioner, under påvirkning af hvilke atomer exciteres, og elektronerne i dem "springer" til højere energiniveauer og vender derefter tilbage til deres stationære baner. Det er af denne grund, at lanthanider og actinider klassificeres som fosfor.
Konsekvenser af at formindske atomernes ionradius
I lanthan og actinium, såvel som i grundstofferne fra deres familier, er der et monotont fald i værdien af indikatorerne for radierne af metalioner. I kemi er det i sådanne tilfælde sædvanligt at tale om lanthanid- og actinid-kompression. I kemi er følgende mønster blevet etableret: med en stigning i ladningen af atomkernen, hvis grundstofferne tilhører samme periode, falder deres radier. Dette kan forklares som følgermåde: for sådanne metaller som cerium, praseodym, neodym er antallet af energiniveauer i deres atomer uændret og lig med seks. Ladningerne af kernerne stiger dog med henholdsvis én og er +58, +59, +60. Det betyder, at tiltrækningskraften af elektronerne i de indre skaller til den positivt ladede kerne øges. Som et resultat falder atomradierne. I ionforbindelser af metaller, med en stigning i atomnummeret, falder de ioniske radier også. Lignende ændringer observeres i elementerne i anemonefamilien. Derfor kaldes lanthaniderne og actiniderne tvillinger. Et fald i ionernes radier fører først og fremmest til en svækkelse af hydroxidernes grundlæggende egenskaber Ce(OH)3, Pr(OH)3 ejendomme.
Fyldningen af 4f-underniveauet med uparrede elektroner op til halvdelen af europium-atomets orbitaler fører til uventede resultater. Dens atomradius falder ikke, men øges tværtimod. Gadolinium, som følger det i rækken af lanthanider, har en elektron i 4f-underniveauet på 5d-underniveauet, på samme måde som Eu. Denne struktur forårsager et brat fald i gadoliniumatomets radius. Et lignende fænomen observeres i et par ytterbium - lutetium. For det første element er den atomare radius stor på grund af den fuldstændige fyldning af 4f-underniveauet, mens det for lutetium falder brat, da forekomsten af elektroner observeres på 5d-underniveauet. I aktinium og andre radioaktive elementer i denne familie ændres radierne af deres atomer og ioner ikke monotont, men ligesom lanthaniderne trinvist. Således er lanthaniderne ogaktinider er grundstoffer, hvis egenskaber af deres forbindelser korrelativt afhænger af den ioniske radius og strukturen af atomernes elektronskaller.
Valence states
Lanthanider og aktinider er grundstoffer, hvis egenskaber er ret ens. Det drejer sig især om deres oxidationstilstande i ioner og atomernes valens. For eksempel thorium og protactinium, som udviser en valens på tre, i forbindelserne Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Alle disse stoffer er uopløselige og har de samme kemiske egenskaber som metallerne fra lanthanfamilien: cerium, praseodym, neodym osv. Lanthaniderne i disse forbindelser vil også være trivalente. Disse eksempler beviser endnu en gang for os rigtigheden af udsagnet om, at lanthanider og actinider er tvillinger. De har lignende fysiske og kemiske egenskaber. Dette kan primært forklares ved strukturen af elektronorbitalerne i atomerne i begge familier af indre overgangselementer.
Metalegenskaber
Alle repræsentanter for begge grupper er metaller, hvor 4f-, 5f- og også d-underniveauer er afsluttet. Lanthanum og elementerne i dens familie kaldes sjældne jordarter. Deres fysiske og kemiske egenskaber er så tætte, at de med stor vanskelighed adskilles separat under laboratorieforhold. Udviser oftest en oxidationstilstand på +3, grundstofferne i lanthanserien har mange ligheder med jordalkalimetaller (barium, calcium, strontium). Aktinider er også ekstremt aktive metaller og er også radioaktive.
De strukturelle træk ved lanthanider og aktinider relaterer sig også til egenskaber som f.eks. pyroforicitet i en fint dispergeret tilstand. Et fald i størrelsen af de ansigtscentrerede krystalgitre af metaller observeres også. Vi tilføjer, at alle de kemiske elementer i begge familier er metaller med en sølvskinnende glans, på grund af deres høje reaktivitet bliver de hurtigt mørkere i luften. De er dækket af en film af det tilsvarende oxid, som beskytter mod yderligere oxidation. Alle grundstoffer er tilstrækkeligt ildfaste, med undtagelse af neptunium og plutonium, hvis smeltepunkt er et godt stykke under 1000 °C.
Karakteristiske kemiske reaktioner
Som tidligere nævnt er lanthanider og actinider reaktive metaller. Så lanthan, cerium og andre elementer i familien kombineres nemt med simple stoffer - halogener såvel som med fosfor, kulstof. Lanthaniderne kan også interagere med både kulilte og kuldioxid. De er også i stand til at nedbryde vand. Ud over simple s alte, som f.eks. SeCl3 eller PrF3, danner de dobbelts alte. I analytisk kemi indtager reaktioner af lanthanidmetaller med aminoeddikesyre og citronsyre en vigtig plads. De komplekse forbindelser, der dannes som et resultat af sådanne processer, bruges til at adskille en blanding af lanthanider, for eksempel i malme.
Ved interaktion med nitrat-, chlorid- og sulfatsyrer, metallerdanner de tilsvarende s alte. De er meget opløselige i vand og er let i stand til at danne krystallinske hydrater. Det skal bemærkes, at vandige opløsninger af lanthanids alte er farvede, hvilket forklares ved tilstedeværelsen af de tilsvarende ioner i dem. Opløsninger af samarium eller praseodymium s alte er grønne, neodym - rød-violet, promethium og europium - pink. Da ioner med en oxidationstilstand på +3 er farvede, bruges dette i analytisk kemi til at genkende lanthanidmetalioner (såkaldte kvalitative reaktioner). Til samme formål anvendes også kemiske analysemetoder såsom fraktioneret krystallisation og ionbytningskromatografi.
Actinider kan opdeles i to grupper af grundstoffer. Disse er berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium og uran, neptunium, plutonium, omercium. De kemiske egenskaber af den første af disse ligner lanthan og metaller fra dens familie. Elementerne i den anden gruppe har meget lignende kemiske egenskaber (næsten identiske med hinanden). Alle actinider interagerer hurtigt med ikke-metaller: svovl, nitrogen, kulstof. De danner komplekse forbindelser med iltholdige legender. Som vi kan se, er metallerne i begge familier tæt på hinanden i kemisk adfærd. Det er derfor, lanthaniderne og actiniderne ofte omtales som tvillingemetaller.
Position i det periodiske system af brint, lanthanider, actinider
Det er nødvendigt at tage højde for, at brint er et ret reaktivt stof. Det manifesterer sig afhængigt af betingelserne for den kemiske reaktion: både som et reduktionsmiddel og som et oxidationsmiddel. Det er derfor i det periodiske systembrint er placeret samtidigt i hovedundergrupperne af to grupper på én gang.
I den første spiller brint rollen som et reduktionsmiddel, ligesom de alkalimetaller, der er placeret her. Stedet for brint i den 7. gruppe, sammen med elementerne halogener, indikerer dets reducerende evne. I den sjette periode er lanthanidfamilien, som allerede nævnt, placeret i en separat række for bordets bekvemmelighed og kompakthed. Den syvende periode indeholder en gruppe radioaktive grundstoffer, der i egenskaber ligner aktinium. Aktinider er placeret uden for tabellen over kemiske elementer i D. I. Mendeleev under rækken af lanthanfamilien. Disse grundstoffer er de mindst undersøgte, da kernerne i deres atomer er meget ustabile på grund af radioaktivitet. Husk på, at lanthanider og actinider er interne overgangselementer, og deres fysisk-kemiske egenskaber er meget tæt på hinanden.
Generelle metoder til fremstilling af metaller i industrien
Med undtagelse af thorium, protactinium og uran, som udvindes direkte fra malme, kan resten af aktiniderne opnås ved at bestråle prøver af metallisk uran med hurtigt bevægende neutronstrømme. I industriel skala udvindes neptunium og plutonium fra brugt brændsel fra atomreaktorer. Bemærk, at produktionen af aktinider er en ret kompliceret og dyr proces, hvis hovedmetoder er ionbytning og flertrinsekstraktion. Lanthanider, som kaldes sjældne jordarters grundstoffer, opnås ved elektrolyse af deres chlorider eller fluorider. Den metallotermiske metode bruges til at udvinde ultrarene lanthanider.
Hvor interne overgangselementer bruges
Anvendelsesområdet for de metaller, vi studerer, er ret bredt. For anemonefamilien er dette først og fremmest atomvåben og energi. Aktinider er også vigtige i medicin, fejldetektion og aktiveringsanalyse. Det er umuligt at ignorere brugen af lanthanider og aktinider som kilder til neutronfangst i atomreaktorer. Lanthanider bruges også som legeringstilsætninger til støbejern og stål samt til fremstilling af fosfor.
Spredning i naturen
Oxider af actinider og lanthanider kaldes ofte zirconium-, thorium-, yttriumjordarter. De er hovedkilden til at opnå de tilsvarende metaller. Uran, som den vigtigste repræsentant for aktinider, findes i det ydre lag af litosfæren i form af fire typer malme eller mineraler. Først og fremmest er det uranbeg, som er urandioxid. Det har det højeste metalindhold. Ofte er urandioxid ledsaget af radiumaflejringer (vener). De findes i Canada, Frankrig, Zaire. Komplekser af thorium- og uranmalme indeholder ofte malme af andre værdifulde metaller, såsom guld eller sølv.
Reserverne af sådanne råmaterialer er rige i Rusland, Sydafrika, Canada og Australien. Nogle sedimentære bjergarter indeholder mineralet carnotit. Udover uran indeholder det også vanadium. Fjerdetypen af uranråmaterialer er fosfatmalme og jern-uranskifer. Deres reserver er placeret i Marokko, Sverige og USA. På nuværende tidspunkt anses forekomster af brunkul og kul indeholdende uran-urenheder også for lovende. De udvindes i Spanien, Tjekkiet og også i to amerikanske stater - North og South Dakota.
