Lantanidi i aktinidi: položaj u periodičnom stolu

Svaki od kemijskih elemenata, predstavljenih u Zemljinim školjkama: atmosfera, litosfera i hidrosfera - može poslužiti kao živi primjer, potvrđujući temeljnu važnost atomsko-molekularne doktrine i periodičkog zakona. Formirali su ih kiparofani prirodoslovlja - ruski znanstvenici MV Lomonosov i DI Mendeleev. Lantanidi i aktinidi su dvije obitelji koje sadrže 14 kemijskih elemenata, kao i sami metali - lantan i aktinium. Njihova svojstva - kako fizikalna tako i kemijska - ispitat će nas u ovom radu. Osim toga, utvrdit ćemo kako položaj u periodičkom sustavu vodika, lantanida, aktinida ovisi o strukturi elektronskih orbitala njihovih atoma.

Povijest otkrića

Krajem 18. stoljeća Yu. Gadolin je dobio prvi spoj iz skupine metala rijetkih zemlja, itrij oksida. Prije početka 20. stoljeća, zahvaljujući istraživanju G. Mosely u kemiji, postalo je poznato o postojanju skupine metala. U njima su smješteni periodički sustav između lantana i hafnija. Drugi kemijski element, aktinium, poput lantana, tvori obitelj od 14 radioaktivnih kemijskih elemenata nazvanih aktinida. Njihovo otkriće u znanosti dogodilo se, počevši od 1879. do sredine 20. stoljeća. Lantanidi i aktinidi imaju mnogo sličnosti u fizikalnim i kemijskim svojstvima. To se može objasniti raspored elektrona u atomima tih metala, koji su u razini energije, naime lantanida je četvrti stupanj f-sloj, a za aktinida - peti stupanj f-sloj. Dalje, smatramo više elektroničkim školjkama atoma gornjih metala.

Struktura unutarnjih tranzicijskih elemenata u svjetlu atomsko-molekularne doktrine

Briljantno otkriće strukture kemijskih supstanci od strane MV Lomonosov bio je temelj za daljnje proučavanje školjki atoma elektrona. Rutherford model osnovnu strukturu čestica kemijskog elementa, istraživanja Max Planck, F. Hund dozvoljeno kemičari pronaći ispravan objašnjenje postojećih zakona periodične promjene fizikalnih i kemijskih svojstava, koja karakteriziraju lantanida i aktinida. Ne može se zanemariti najvažnija uloga DI Mendelejevevog periodičkog zakona u proučavanju strukture atoma tranzicijskih elemenata. Nastojimo se detaljnije posvetiti ovom pitanju.

Mjesto unutarnjih prijelaznih elemenata u periodičkom planu DI Mendelejev

U trećoj skupini šeste - duže razdoblje - iza lančanika je obitelj metala koja se nalazi od ceriuma do lutetiuma. Na atomu lantana, podsloja 4f je prazna, iu lutetiumu je potpuno napunjen s 14 elektrona. Elementi koji se nalaze između njih postupno se pune f-orbitalima. U obitelji aktinida, od trijuma do laurentiuma, promatra se isti princip akumulacije negativno nabijenih čestica s jedinom razlikom: punjenje elektrona dolazi na podlozi 5f. Struktura vanjska razina energije i broj negativnih čestica na njemu (jednako dva) za sve gore navedene metale je isti. Ta činjenica odgovara na pitanje zašto su lantanidi i aktinidi, nazvani unutarnji elementi prijelaza, mnogo sličnosti.

Neki izvori kemijske literature obje obitelji su spojene u drugu stranu podskupine. Sadrže dva metala iz svake obitelji. U kratkom obliku periodnog sustava kemijskih elemenata predstavnici DI Mendeleev tih obitelji su izdvojeni iz samog stola i postavljen zasebne retke. Stoga, položaj i aktinida lantanida u periodnog sustava odgovara općoj planu strukture atoma i elektrona u unutarnjim periodičnost punjenje razine i prisutnost istog oksidacije uzrokuje agregaciju unutarnje prijelazne metale u općoj skupini. U tim kemijskih elemenata ima značajke i svojstva jednakovrijedna lantana ili Aktinij. Zato lantanida i aktinida ukloniti iz sustava kemijskih elemenata.

Kako elektronska konfiguracija f-slogova utječe na svojstva metala

Kao što smo već rekli, položaj lantanida i aktinida u periodičkom sustavu izravno određuje njihova fizička i kemijska svojstva. Dakle, ioni cerijuma, gadolinija i drugih elemenata obitelji lantanida imaju visoke magnetske momente, što je posljedica osobitosti strukture f-sublima. To je omogućilo korištenje metala kao aditiva za slitinu za proizvodnju poluvodiča s magnetskim svojstvima. Sulfidi obitelji elementi aktinium (npr sulfid protaktinij, torij) u svojim molekulama su miješani tip kemijskog vezivanja iona: kovalentna ili kovalentna-metala. Ova značajka strukture dovela je do pojave novog fizikalno-kemijskog svojstva i poslužila je kao odgovor na pitanje zašto lantanidi i aktinidi posjeduju luminescentna svojstva. Na primjer, aktinium srebrnkaste boje u mraku svijetli plavkasto sjaj. To je zbog djelovanja električne struje metalnih iona, fotona svjetlosti, koja se javlja pod utjecajem pobudu atoma i elektrona u njemu „skočiti” na višu razinu energije i onda se vrati na svoje stacionarne orbite. Upravo zbog toga lanci i aktinidi pripadaju fosforima.

Posljedice smanjenja ionskih radijusa atoma

U lantanu i aktinu, kao u slučaju elemenata iz njihovih obitelji, postoji jednolično smanjenje vrijednosti radijusa metalnih iona. U kemiji u takvim slučajevima je uobičajeno govoriti o lantanoidnoj i aktinidnoj kompresiji. U kemiji se uspostavlja sljedeća pravilnost: s povećanjem napunjenosti atomske jezgre, u slučaju kada elementi pripadaju istom razdoblju, njihovi radijusi se smanjuju. To se može objasniti na sljedeći način: za metale kao što su cerium, praseodimij, neodimij, broj energetskih razina u njihovim atomima je uvijek jednak šest. Međutim, nuklearne optužbe odgovarajuće povećavaju za jedan i iznose +58, +59, +60. To znači da se sila privlačenja elektrona unutarnjih školjaka na pozitivno napunjenu jezgru povećava. Posljedica toga je smanjenje radijusa atoma. U ionskim spojevima metala, ionski radijusi također se smanjuju s porastom rednog broja. Slične promjene promatrane su u elementima aktinije obitelji. Zato se lanthanoidi i aktinidi nazivaju blizanci. Smanjenje radijusa iona vodi prije svega na slabljenje osnovnih svojstava hidroksida Ce (OH)₃, Pr (OH)₃, i baza lutetiuma već pokazuje amfoterna svojstva.

Za neočekivane rezultate, popunjavanje podzemlja 4f s nesparenim elektrona dovodi do polovice orbita atoma europiuma. Njegov polumjer atoma ne smanjuje, već se, naprotiv, povećava. Sljedeći elektron u lantanidnoj seriji gadolinija na 5d podskupini pojavljuje se kao jedan elektron 4f podsloja, slično Eu. Takva struktura uzrokuje spazmatično smanjenje radijusa gadolinijevog atoma. Sličan je fenomen promatran u paru itterbium - lutetiuma. U prvom elementu radijus atoma je velik zbog pune punjenja podsluga 4f, dok se u lutetiumu naglo smanjuje, budući da se elektroni pojavljuju na 5d podlozi. U Aktinij i drugih radioaktivnih elemenata u ovoj obiteljskoj radijusa atoma i iona ne mijenjaju monotono, ali kao i da lantanida, u skokovi i granice. Tako su lantanidi i aktinidi elementi u kojima svojstva njihovih spojeva ovise korelativno na ionskom radijusu i strukturi školjki atoma.

Valency navodi

Lantanidi i aktinidi su elementi čija obilježja su vrlo slična. To se posebno odnosi na njihov stupanj oksidacije u ionima i valenciju atoma. Na primjer, trijum i protaktinij, koji imaju valenciju od tri, u Th (OH)₃, pACl₃, THF₃, ćale₂(CO₃)_3. Sve ove tvari su netopljive i imaju iste kemijske osobine kao što metala u lantan obitelji: cer, praseodimija, neodimij, i tako dalje u lantanida tih spojeva također će biti trovalentni ... Ti primjeri još jednom dokazuju ispravnost izjave da su lantanidi i aktinidi blizanci. Imaju slična fizička i kemijska svojstva. To se može objasniti prije svega struktura elektronskih orbitala atoma obiju obitelji internih tranzicijskih elemenata.

Metalna svojstva

Svi predstavnici obje skupine su metali, u kojima se grade 4f-, 5f-, a također i D-podvodnici. Lantan i elementi njegove obitelji nazivaju se rijetka zemlja. Njihova fizička i kemijska svojstva toliko su blizu da se u laboratoriju odvojeno odvajaju s velikim poteškoćama. Korištenje oksidacijskog stanja +3 najčešće, elementi nizova lantana imaju mnogo sličnosti zemnoalkalijski metali (barij, kalcij, stroncij). Actinidi su također ekstremno aktivni metali, također radioaktivni.

Osobitosti strukture lantanida i aktinida također se odnose na takva svojstva kao, na primjer, pirofornost u fino raspršenom stanju. Također se smanjuje veličina kristalnih rešetki metala usmjerenih na lice. Dodamo da su svi kemijski elementi obje obitelji metali srebrnastog sjaja, zbog velike reaktivnosti koja se brzo zatamnjuje u zraku. Pokriveni su s filmom odgovarajućeg oksida koji štiti od daljnje oksidacije. Svi elementi su dovoljno vatrostalni, s izuzetkom neptuna i plutonija, čija točka taljenja je znatno niža od 1000 ° C.

Tipične kemijske reakcije

Kao što je prethodno navedeno, lantanidi i aktinidi su kemijski aktivni metali. Tako se lantan, cerij i drugi elementi obitelji jednostavno kombiniraju s jednostavnim supstancama - halogenom, kao i fosforom, ugljikom. Lanthanidi također mogu komunicirati s ugljičnim monoksidom i ugljičnim dioksidom. Također su sposobni razgraditi vodu. Osim jednostavnih soli, na primjer, kao što je SeCl₃ ili PrF₃, oni čine dvostruke soli. U analitičkoj kemiji važno mjesto zauzima reakcije metal-lantanida s aminoacetnom i limunskom kiselinom. Kompleksni spojevi nastali kao rezultat takvih procesa koriste se za odjeljivanje mješavine lantanida, na primjer u rudama.

Kod interakcije s nitratom, kloridom i sulfatnim kiselinama, metali tvore odgovarajuće soli. Oni su lako topivi u vodi i lako su sposobni za stvaranje kristalnih hidrata. Treba naglasiti da su vodene otopine lantanida soli su u boji, što se objašnjava u prisutnosti odgovarajućih iona. sol rješenja samarij ili praseodimij zelena neodimij - crveno-ljubičasta, europij i prometij - ružičasta. Budući da su ioni u oksidacijskom stanju +3 su boje, što se koristi u analitičkoj kemiji za detekciju metalnih iona lantanida, (tzv visoke kvalitete reakcija). Za istu svrhu također se koriste metode kemijske analize kao što su frakcijska kristalizacija i kromatografija ionske izmjene.

Actinidi se mogu podijeliti u dvije skupine elemenata. To je Berkeley, farma, mendelevijem, nobelij, lawrencij i urana, neptunij, plutonij, omeretsy. Kemijska svojstva prvog od njih slična su lantanu i metalima iz njegove obitelji. Elementi druge skupine imaju vrlo slične kemijske karakteristike (gotovo identične jedna drugoj). Svi aktinidi brzo reagiraju s ne-metalima: sumporom, dušikom, ugljikom. S ligandima koji sadržavaju kisik tvore kompleksne spojeve. Kao što vidimo, metali obiju obitelji su međusobno bliski kemijskom ponašanju. Zbog toga se lantanidi i aktinidi često nazivaju dvostrukim metalima.

Položaj u periodičkom sustavu vodika, lantanida, aktinida

Potrebno je uzeti u obzir činjenicu da je vodik dovoljno reaktivna tvar. Ono se očituje ovisno o uvjetima kemijske reakcije: oba reducirajuća sredstva i oksidirajuće sredstvo. Zato se u periodičkom sustavu istodobno nalazi vodik u glavnim podskupinama dviju skupina odjednom.

U prvom, vodik igra ulogu redukcijskog sredstva, poput alkalijskih metala koji se nalaze ovdje. Mjesto vodika u 7. skupini, zajedno s elementima halogena, ukazuje na smanjenu sposobnost. U šestom razdoblju, kao što je već spomenuto, obitelj lantanida nalazi se u zasebnom redu za praktičnost i kompaktnost tablice. Sedmo razdoblje sadrži skupinu radioaktivnih elemenata, sličnih svojstvima aktiniumu. Actinoidi se nalaze izvan tablice kemijskih elemenata DI Mendeleyev pod nizom lančanih obitelji. Ti su elementi najmanje proučavani jer su jezgre njihovih atoma vrlo nestabilni zbog radioaktivnosti. Podsjetimo da su lantamidi i aktinidi pripadni elementima unutarnje tranzicije, a njihova fizičko-kemijska svojstva vrlo su međusobno blizu.

Opće metode proizvodnje metala u industriji

Osim torij, Protaktinij i urana, koji je proizveden od strane izravno iz ruda, drugi aktinida može pripremiti ozračivanja uzorka uran metal teče brzo kreću neutrona. U industrijskim razmjerima Neptunij i plutonija je izvađen iz istrošenog goriva iz nuklearnih reaktora. Imajte na umu da je dobivanje aktinida - prilično je složen i skup proces, glavni metode koje su ionska izmjena i višefazni vađenje. Lantanidi, koji se nazivaju rijetkim elementima zemlje, dobiveni su elektrolizom njihovih klorida ili fluorida. Za proizvodnju ultra-čistih lantanida, koristite metalotermalnu metodu.

Gdje se koriste unutarnji prijelazni elementi

Raspon korištenja metala koje proučavamo vrlo je širok. Za obitelj aktinija - prije svega je nuklearno oružje i energija. Od velike važnosti su aktinidi u medicini, detekcija nedostataka, analiza aktivacije. Ne možemo zanemariti upotrebu lantanida i aktinida kao izvora zarobljavanja neutrona u nuklearnim reaktorima. Lanthanidi se također koriste kao aditivi za slitinu željeza i čelika, kao i za proizvodnju fosfora.

Distribucija u prirodi

Oksidi aktinida i lantanida često se nazivaju cirkonij, trijum, ittrij. Oni su glavni izvor za dobivanje odgovarajućih metala. Uran, kao glavni predstavnik aktinida, nalazi se u vanjskom sloju litosfere u obliku četiri vrste ruda ili minerala. Prije svega, to je katran urana, koji je uranij dioksid. U njemu metalni sadržaj je najviši. Često, uranij dioksid je popraćen radium depozita (vene). Pronađeni su u Kanadi, Francuskoj, Zairu. Kompleksi torija i rude urana često sadrže rude drugih vrijednih metala, na primjer zlata ili srebra.

Zalihe takvih sirovina bogate su Rusija, Južne Afrike, Kanade i Australije. Neke sedimentne stijene sadrže mineralni karnitit. U svom sastavu, pored urana, također je vanadij. Četvrta vrsta sirovina urana je fosfatna ruda i željezna željezna škriljaca. Njihove rezerve nalaze se u Maroku, Švedskoj i SAD-u. Trenutno su i obećavaju naslage lignita i ugljena koji sadrže nečistoće urana. Miniran je u Španjolskoj, Češkoj, kao iu dvije američke države - Sjevernoj i Južnoj Dakoti.