Kiekvienas cheminis elementas, esantis Žemės apvalkaluose: atmosfera, litosfera ir hidrosfera – gali būti ryškus pavyzdys, patvirtinantis esminę atominės ir molekulinės teorijos bei periodinio dėsnio svarbą. Juos suformulavo gamtos mokslų šviesuoliai – rusų mokslininkai M. V. Lomonosovas ir D. I. Mendelejevas. Lantanidai ir aktinidai yra dvi šeimos, kuriose yra po 14 cheminių elementų, taip pat patys metalai – lantanas ir aktinis. Šiame darbe apžvelgsime jų savybes – tiek fizines, tiek chemines. Be to, nustatysime, kaip padėtis periodinėje vandenilio, lantanidų, aktinidų sistemoje priklauso nuo jų atomų elektroninių orbitalių struktūros.
Atradimų istorija
XVIII amžiaus pabaigoje Y. Gadolinas gavo pirmąjį retųjų žemių metalų grupės junginį – itrio oksidą. Iki XX amžiaus pradžios G. Moseley chemijos tyrinėjimų dėka tapo žinoma apie metalų grupės egzistavimą. Jie buvo periodinėje sistemoje tarp lantano ir hafnio. Kitas cheminis elementas – aktinis, kaip ir lantanas, sudaro 14 radioaktyviųjų šeimącheminių elementų, vadinamų aktinidais. Jų atradimas moksle įvyko nuo 1879 m. iki XX amžiaus vidurio. Lantanidai ir aktinidai turi daug panašumų tiek fizinėmis, tiek cheminėmis savybėmis. Tai galima paaiškinti elektronų išsidėstymu šių metalų atomuose, kurie yra energijos lygiuose, būtent lantanidams tai yra ketvirto lygio f-polygis, o aktinidams - penkto lygio f-polygis. Toliau išsamiau panagrinėsime aukščiau minėtų metalų atomų elektronų apvalkalus.
Vidinių pereinamųjų elementų struktūra atominių ir molekulinių mokymų šviesoje
Sumanus MV Lomonosovo cheminių medžiagų struktūros atradimas buvo pagrindas tolesniam atomų elektronų apvalkalo tyrimui. Cheminio elemento elementariosios dalelės struktūros Rutherfordo modelis, M. Plancko, F. Gundo tyrimai leido chemikams rasti teisingą paaiškinimą esamiems periodinių fizikinių ir cheminių savybių kitimo dėsningumams, apibūdinantiems lantanidus ir aktinidus. Neįmanoma nepaisyti svarbiausio D. I. Mendelejevo periodinio dėsnio vaidmens tiriant pereinamųjų elementų atomų sandarą. Pakalbėkime ties šiuo klausimu išsamiau.
Vidinių pereinamųjų elementų vieta D. I. Mendelejevo periodinėje lentelėje
Trečioje šeštojo – didesnio laikotarpio – grupėje už lantano yra metalų šeima nuo cerio iki liutecio imtinai. Lantano atomo 4f polygis yra tuščias, o liutecio atomas yra visiškai užpildytas 14-uojuelektronų. Tarp jų esantys elementai palaipsniui užpildo f-orbitales. Aktinidų šeimoje - nuo torio iki Lawrencium - stebimas tas pats neigiamai įkrautų dalelių kaupimosi principas su vieninteliu skirtumu: užpildymas elektronais vyksta 5f polygyje. Išorinio energijos lygio struktūra ir jame esančių neigiamų dalelių skaičius (lygus dviem) yra vienodas visiems minėtiems metalams. Šis faktas atsako į klausimą, kodėl lantanidai ir aktinidai, vadinami vidiniais pereinamaisiais elementais, turi daug panašumų.
Kai kuriuose chemijos literatūros š altiniuose abiejų šeimų atstovai jungiami į antruosius šalutinius pogrupius. Juose yra po du metalus iš kiekvienos šeimos. Trumpoje D. I. Mendelejevo periodinės cheminių elementų sistemos formoje šių šeimų atstovai yra atskirti nuo pačios lentelės ir išdėstyti atskiromis eilėmis. Todėl lantanidų ir aktinidų padėtis periodinėje sistemoje atitinka bendrą atomų sandaros planą ir vidinių lygių užpildymo elektronais periodiškumą, o tų pačių oksidacijos būsenų buvimas lėmė vidinių pereinamųjų metalų susijungimą į bendras grupes.. Juose cheminiai elementai turi savybių ir savybių, prilygstančių lantanui ar aktiniui. Štai kodėl lantanidai ir aktinidai pašalinami iš cheminių elementų lentelės.
Kaip elektroninė f polygio konfigūracija veikia metalų savybes
Kaip minėjome anksčiau, lantanidų ir aktinidų padėtis periodinėjesistema tiesiogiai lemia jų fizines ir chemines savybes. Taigi cerio, gadolinio ir kitų lantanidų šeimos elementų jonai turi didelius magnetinius momentus, kurie yra susiję su f-polygio struktūrinėmis savybėmis. Tai leido naudoti metalus kaip priedus, norint gauti puslaidininkius su magnetinėmis savybėmis. Aktinio šeimos elementų sulfidai (pavyzdžiui, protaktino sulfidas, toris) jų molekulių sudėtyje turi mišrų cheminį ryšį: joninį-kovalentinį arba kovalentinį-metalinį. Ši struktūros ypatybė paskatino naujos fizikinės ir cheminės savybės atsiradimą ir buvo atsakymas į klausimą, kodėl lantanidai ir aktinidai turi liuminescencines savybes. Pavyzdžiui, tamsoje sidabrinės spalvos anemono pavyzdys šviečia melsvu švytėjimu. Tai paaiškinama elektros srovės, šviesos fotonų veikimu ant metalų jonų, kurių įtakoje atomai sužadinami, o juose esantys elektronai „peršoka“į aukštesnius energijos lygius ir grįžta į savo stacionarias orbitas. Dėl šios priežasties lantanidai ir aktinidai priskiriami fosforams.
Atomų joninių spindulių mažinimo pasekmės
Lantane ir aktiniume, taip pat jų šeimų elementuose monotoniškai mažėja metalų jonų spindulių rodiklių vertė. Chemijoje tokiais atvejais įprasta kalbėti apie lantanido ir aktinidų suspaudimą. Chemijoje buvo nustatytas toks modelis: padidėjus atomų branduolio krūviui, jei elementai priklauso tam pačiam laikotarpiui, jų spindulys mažėja. Tai galima paaiškinti taipbūdas: tokių metalų kaip ceris, prazeodimis, neodimis energijos lygių skaičius jų atomuose nesikeičia ir lygus šešiems. Tačiau branduolių krūviai atitinkamai padidėja vienu ir yra +58, +59, +60. Tai reiškia, kad didėja vidinių apvalkalų elektronų traukos į teigiamai įkrautą branduolį jėga. Dėl to atomų spinduliai mažėja. Joniniuose metalų junginiuose, padidėjus atominiam skaičiui, jonų spinduliai taip pat mažėja. Panašūs pokyčiai pastebimi ir anemonų šeimos elementuose. Štai kodėl lantanidai ir aktinidai vadinami dvyniais. Jonų spindulių sumažėjimas visų pirma lemia hidroksidų Ce(OH)3, Pr(OH)3 pagrindinių savybių susilpnėjimą. nuosavybės.
4f polygio užpildymas nesuporuotais elektronais iki pusės europio atomo orbitų duoda netikėtų rezultatų. Jo atominis spindulys ne mažėja, o, priešingai, didėja. Gadolinis, einantis po jo lantanidų serijoje, turi vieną elektroną 4f polygyje 5d polygyje, panašiai kaip Eu. Dėl šios struktūros staigiai sumažėja gadolinio atomo spindulys. Panašus reiškinys stebimas iterbio – liutecio poroje. Pirmojo elemento atomo spindulys yra didelis dėl visiško 4f polygio užpildymo, o liutecio jis staigiai sumažėja, nes elektronų atsiradimas stebimas 5d polygyje. Aktiniume ir kituose šios šeimos radioaktyviuose elementuose jų atomų ir jonų spinduliai kinta ne monotoniškai, o, kaip ir lantanidų, laipsniškai. Taigi, lantanidai iraktinidai yra elementai, kurių junginių savybės santykinai priklauso nuo joninio spindulio ir atomų elektronų apvalkalo struktūros.
Valentinės būsenos
Lantanidai ir aktinidai yra elementai, kurių savybės yra gana panašios. Visų pirma tai susiję su jų oksidacijos būsenomis jonais ir atomų valentiškumu. Pavyzdžiui, toris ir protaktinas, kurių valentingumas yra trys, junginiuose Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Visos šios medžiagos yra netirpios ir turi tas pačias chemines savybes kaip ir lantano šeimos metalai: ceris, prazeodimis, neodimis ir kt. Lantanidai šiuose junginiuose taip pat bus trivalečiai. Šie pavyzdžiai mums dar kartą įrodo teiginio, kad lantanidai ir aktinidai yra dvyniai, teisingumą. Jie turi panašias fizines ir chemines savybes. Tai visų pirma galima paaiškinti abiejų vidinių pereinamųjų elementų šeimų atomų elektronų orbitalių struktūra.
Metalo savybės
Visi abiejų grupių atstovai yra metalai, kuriuose baigiami 4f-, 5f- ir taip pat d-polygiai. Lantanas ir jo šeimos elementai vadinami retaisiais žemėmis. Jų fizinės ir cheminės savybės yra tokios artimos, kad laboratorinėmis sąlygomis labai sunkiai atskiriamos atskirai. Lantano serijos elementai, kurių oksidacijos laipsnis dažniausiai yra +3, turi daug panašumų su šarminiais žemės metalais (bariu, kalciu, stronciu). Aktinidai taip pat yra ypač aktyvūs metalai ir taip pat radioaktyvūs.
Lantanidų ir aktinidų struktūrinės ypatybės taip pat susijusios su tokiomis savybėmis kaip, pavyzdžiui, smulkiai išsklaidytos būsenos piroforiškumas. Taip pat pastebimas į veidą orientuotų metalų kristalinių gardelių dydžio sumažėjimas. Pridedame, kad visi abiejų šeimų cheminiai elementai yra sidabro blizgesio metalai, dėl didelio reaktyvumo jie greitai patamsėja ore. Jie yra padengti atitinkamo oksido plėvele, kuri apsaugo nuo tolesnės oksidacijos. Visi elementai yra pakankamai atsparūs ugniai, išskyrus neptunį ir plutonį, kurių lydymosi temperatūra yra gerokai žemesnė nei 1000 °C.
Būdingos cheminės reakcijos
Kaip minėta anksčiau, lantanidai ir aktinidai yra reaktyvūs metalai. Taigi, lantanas, ceris ir kiti šeimos elementai lengvai derinami su paprastomis medžiagomis - halogenais, taip pat su fosforu, anglimi. Lantanidai taip pat gali sąveikauti tiek su anglies monoksidu, tiek su anglies dioksidu. Jie taip pat gali skaidyti vandenį. Be paprastų druskų, tokių kaip SeCl3 arba PrF3, jos sudaro dvigubas druskas. Analitinėje chemijoje svarbią vietą užima metalų lantanido reakcijos su aminoacto ir citrinos rūgštimis. Tokių procesų metu susidarę sudėtingi junginiai naudojami lantanidų mišiniams atskirti, pavyzdžiui, rūdose.
Sąveikaujant su nitratų, chlorido ir sulfato rūgštimis, metalaissudaryti atitinkamas druskas. Jie gerai tirpsta vandenyje ir lengvai gali sudaryti kristalinius hidratus. Reikėtų pažymėti, kad vandeniniai lantanido druskų tirpalai yra spalvoti, o tai paaiškinama atitinkamų jonų buvimu juose. Samariumo arba prazeodimio druskų tirpalai yra žali, neodimio - raudonai violetiniai, prometio ir europio - rožiniai. Kadangi jonai, kurių oksidacijos laipsnis yra +3, yra spalvoti, tai naudojama analitinėje chemijoje lantanido metalo jonams atpažinti (vadinamosios kokybinės reakcijos). Tuo pačiu tikslu taip pat naudojami cheminės analizės metodai, tokie kaip frakcinė kristalizacija ir jonų mainų chromatografija.
Aktinidus galima suskirstyti į dvi elementų grupes. Tai yra berkelis, fermis, mendeleviumas, nobelis, Lawrencium ir uranas, neptūnas, plutonis, omercis. Pirmojo iš jų cheminės savybės yra panašios į lantano ir jo šeimos metalų savybes. Antrosios grupės elementai turi labai panašias chemines charakteristikas (beveik identiškus vienas kitam). Visi aktinidai greitai sąveikauja su nemetalais: siera, azotu, anglimi. Jie sudaro sudėtingus junginius su deguonies turinčiomis legendomis. Kaip matome, abiejų šeimų metalai cheminiu elgesiu yra arti vienas kito. Štai kodėl lantanidai ir aktinidai dažnai vadinami dvigubais metalais.
Padėtis periodinėje vandenilio, lantanidų, aktinidų sistemoje
Būtina atsižvelgti į tai, kad vandenilis yra gana reaktyvi medžiaga. Jis pasireiškia priklausomai nuo cheminės reakcijos sąlygų: ir kaip reduktorius, ir kaip oksidatorius. Štai kodėl periodinėje sistemojevandenilis vienu metu yra dviejų grupių pagrindiniuose pogrupiuose.
Pirmajame vandenilis, kaip ir čia esantys šarminiai metalai, atlieka reduktorius. Vandenilio vieta 7-oje grupėje kartu su elementais halogenais rodo jo redukcinį gebėjimą. Šeštajame laikotarpyje, kaip jau minėta, yra lantanidų šeima, sudėta į atskirą eilę, kad būtų patogiau ir kompaktiškai. Septintame periode yra grupė radioaktyvių elementų, savo savybėmis panašių į aktinį. Aktinidai yra už D. I. Mendelejevo cheminių elementų lentelės, po lantano šeimos eilute. Šie elementai yra mažiausiai ištirti, nes jų atomų branduoliai yra labai nestabilūs dėl radioaktyvumo. Prisiminkite, kad lantanidai ir aktinidai yra vidiniai pereinamieji elementai, o jų fizikinės ir cheminės savybės yra labai artimos viena kitai.
Bendrieji metalų gamybos metodai pramonėje
Išskyrus torį, protaktinį ir uraną, kurie kasami tiesiai iš rūdų, likusius aktinidus galima gauti apšvitinant metalinio urano pavyzdžius greitai judančiais neutronų srautais. Pramoniniu mastu neptulis ir plutonis kasami iš panaudoto kuro iš branduolinių reaktorių. Atkreipkite dėmesį, kad aktinidų gamyba yra gana sudėtingas ir brangus procesas, kurio pagrindiniai būdai yra jonų mainai ir daugiapakopis ekstrahavimas. Lantanidai, vadinami retųjų žemių elementais, gaunami elektrolizės būdu jų chloridams arba fluoridams. Itin gryniems lantanidams išgauti naudojamas metaloterminis metodas.
Kur naudojami vidiniai perėjimo elementai
Mūsų tiriamų metalų naudojimo spektras yra gana platus. Anemonų šeimai tai visų pirma yra branduoliniai ginklai ir energija. Aktinidai taip pat svarbūs medicinoje, defektų aptikimui ir aktyvinimo analizei. Neįmanoma ignoruoti lantanidų ir aktinidų, kaip neutronų gaudymo š altinių branduoliniuose reaktoriuose, naudojimo. Lantanidai taip pat naudojami kaip ketaus ir plieno legiravimo priedai, taip pat fosforo gamyboje.
Pleisk gamtoje
Aktinidų ir lantanidų oksidai dažnai vadinami cirkonio, torio, itrio žemėmis. Jie yra pagrindinis atitinkamų metalų gavimo š altinis. Uranas, kaip pagrindinis aktinidų atstovas, randamas išoriniame litosferos sluoksnyje keturių rūšių rūdų arba mineralų pavidalu. Visų pirma, tai yra urano pikis, kuris yra urano dioksidas. Jame yra didžiausias metalo kiekis. Dažnai urano dioksidą lydi radžio nuosėdos (venos). Jie randami Kanadoje, Prancūzijoje, Zaire. Torio ir urano rūdų kompleksuose dažnai yra kitų vertingų metalų, tokių kaip auksas ar sidabras, rūdos.
Tokių žaliavų atsargos yra turtingos Rusijoje, Pietų Afrikoje, Kanadoje ir Australijoje. Kai kuriose nuosėdinėse uolienose yra mineralinio karnotito. Be urano, jame taip pat yra vanadžio. Ketvirtaurano žaliavos rūšis yra fosfato rūdos ir geležies-urano skalūnai. Jų rezervai yra Maroke, Švedijoje ir JAV. Šiuo metu perspektyviais laikomi ir lignito bei anglies telkiniai, kuriuose yra urano priemaišų. Jie kasami Ispanijoje, Čekijoje, taip pat dviejose JAV valstijose – Šiaurės ir Pietų Dakotoje.
