Var och en av de kemiska grundämnena som presenteras i jordens skal: atmosfären, litosfären och hydrosfären - kan fungera som ett levande exempel, vilket bekräftar den grundläggande betydelsen av atom- och molekylteorin och den periodiska lagen. De formulerades av naturvetenskapens armaturer - de ryska forskarna M. V. Lomonosov och D. I. Mendeleev. Lantanider och aktinider är två familjer som innehåller 14 kemiska grundämnen var, samt själva metallerna - lantan och aktinium. Deras egenskaper - både fysikaliska och kemiska - kommer att behandlas av oss i denna artikel. Dessutom kommer vi att fastställa hur positionen i det periodiska systemet för väte, lantanider, aktinider beror på strukturen hos de elektroniska orbitalerna för deras atomer.
Upptäcktshistorik
I slutet av 1700-talet fick Y. Gadolin den första föreningen från gruppen sällsynta jordartsmetaller - yttriumoxid. Fram till början av 1900-talet blev det, tack vare G. Moseleys forskning inom kemi, känt om förekomsten av en grupp metaller. De var belägna i det periodiska systemet mellan lantan och hafnium. Ett annat kemiskt element - aktinium, som lantan, bildar en familj av 14 radioaktivakemiska grundämnen som kallas aktinider. Deras upptäckt inom vetenskapen inträffade från 1879 till mitten av 1900-talet. Lantanider och aktinider har många likheter i både fysikaliska och kemiska egenskaper. Detta kan förklaras av arrangemanget av elektroner i atomerna i dessa metaller, som är på energinivåer, nämligen för lantanider är detta den fjärde nivån f-subnivå, och för aktinider - den femte nivån f-subnivå. Därefter kommer vi att överväga elektronskalen för atomerna i ovanstående metaller i mer detalj.
Strukturen av interna övergångselement i ljuset av atomära och molekylära läror
Den geniala upptäckten av kemikaliers struktur av MV Lomonosov var grunden för ytterligare studier av atomers elektronskal. Rutherford-modellen av strukturen hos en elementarpartikel av ett kemiskt element, studierna av M. Planck, F. Gund gjorde det möjligt för kemister att hitta den korrekta förklaringen till de existerande mönstren av periodiska förändringar i fysikaliska och kemiska egenskaper som kännetecknar lantanider och aktinider. Det är omöjligt att ignorera den viktigaste rollen för D. I. Mendeleevs periodiska lag i studiet av strukturen hos atomer av övergångselement. Låt oss uppehålla oss vid den här frågan mer i detalj.
Plats för interna övergångselement i D. I. Mendeleevs periodiska system
I den tredje gruppen av den sjätte - större perioden - bakom lantan finns en familj av metaller som sträcker sig från cerium till lutetium inklusive. 4f-subnivån av lantanatomen är tom, medan lutetiumatomen är helt fylld med den 14:eelektroner. Elementen som ligger mellan dem fyller gradvis f-orbitaler. I familjen aktinider - från torium till lawrencium - observeras samma princip för ackumulering av negativt laddade partiklar med den enda skillnaden: fyllning med elektroner sker på 5f-subnivån. Strukturen för den externa energinivån och antalet negativa partiklar på den (lika med två) är samma för alla ovanstående metaller. Detta faktum svarar på frågan om varför lantaniderna och aktiniderna, som kallas interna övergångselement, har många likheter.
I vissa källor till kemisk litteratur kombineras representanter för båda familjerna i andra undergrupper. De innehåller två metaller från varje familj. I den korta formen av det periodiska systemet av kemiska element av D. I. Mendeleev är representanter för dessa familjer separerade från själva tabellen och arrangerade i separata rader. Därför motsvarar positionen för lantanider och aktinider i det periodiska systemet den allmänna planen för atomernas struktur och periodiciteten för att fylla inre nivåer med elektroner, och närvaron av samma oxidationstillstånd orsakade associationen av interna övergångsmetaller till gemensamma grupper. I dem har kemiska element egenskaper och egenskaper som motsvarar lantan eller aktinium. Det är därför lantaniderna och aktiniderna tas bort från tabellen över kemiska grundämnen.
Hur den elektroniska konfigurationen av f-undernivån påverkar egenskaperna hos metaller
Som vi sa tidigare, positionen för lantanider och aktinider i periodikenSystemet bestämmer direkt deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Således har joner av cerium, gadolinium och andra element i lantanidfamiljen höga magnetiska moment, vilket är associerat med strukturella egenskaper hos f-subnivån. Detta gjorde det möjligt att använda metaller som dopmedel för att erhålla halvledare med magnetiska egenskaper. Sulfider av element i aktiniumfamiljen (till exempel sulfid av protactinium, torium) i sammansättningen av deras molekyler har en blandad typ av kemisk bindning: jonisk-kovalent eller kovalent-metall. Denna egenskap hos strukturen ledde till uppkomsten av en ny fysikalisk-kemisk egenskap och fungerade som ett svar på frågan om varför lantanider och aktinider har självlysande egenskaper. Till exempel, ett prov av anemon som är silverglänsande i mörkret lyser med ett blåaktigt sken. Detta förklaras av verkan av elektrisk ström, fotoner av ljus på metalljoner, under påverkan av vilka atomer exciteras, och elektronerna i dem "hoppar" till högre energinivåer och återgår sedan till sina stationära banor. Det är av denna anledning som lantanider och aktinider klassificeras som fosfor.
Konsekvenser av att minska atomernas jonradier
I lantan och aktinium, såväl som i grundämnen från deras familjer, sker en monoton minskning av värdet på indikatorerna för metalljonernas radier. Inom kemin är det i sådana fall vanligt att tala om lantanid- och aktinidkompression. Inom kemi har följande mönster etablerats: med en ökning av laddningen av atomkärnan, om elementen tillhör samma period, minskar deras radier. Detta kan förklaras på följande sättsätt: för sådana metaller som cerium, praseodym, neodym är antalet energinivåer i deras atomer oförändrat och lika med sex. Däremot ökar kärnornas laddningar med en respektive +58, +59, +60. Detta innebär att attraktionskraften av elektronerna i de inre skalen till den positivt laddade kärnan ökar. Som ett resultat minskar atomradierna. I joniska föreningar av metaller, med en ökning av atomnumret, minskar också jonradierna. Liknande förändringar observeras i elementen i anemonfamiljen. Det är därför lantaniderna och aktiniderna kallas tvillingar. En minskning av jonernas radier leder först och främst till en försvagning av de grundläggande egenskaperna hos hydroxiderna Ce(OH)3, Pr(OH)3 egenskaper.
Fyllningen av 4f-undernivån med oparade elektroner upp till hälften av europiumatomens orbitaler leder till oväntade resultat. Dess atomradie minskar inte, utan ökar tvärtom. Gadolinium, som följer det i serien av lantanider, har en elektron i 4f-undernivån på 5d-undernivån, på samma sätt som Eu. Denna struktur orsakar en abrupt minskning av gadoliniumatomens radie. Ett liknande fenomen observeras i ett par ytterbium - lutetium. För det första elementet är atomradien stor på grund av den fullständiga fyllningen av 4f-undernivån, medan den för lutetium abrupt minskar, eftersom utseendet av elektroner observeras på 5d-undernivån. I aktinium och andra radioaktiva element i denna familj förändras inte radierna för deras atomer och joner monotont, utan, liksom lantaniderna, stegvis. Således har lantaniderna ochaktinider är grundämnen vars egenskaper hos deras föreningar korrelativt beror på jonradien och strukturen hos atomernas elektronskal.
Valence states
Lantanider och aktinider är grundämnen vars egenskaper är ganska lika. Detta gäller särskilt deras oxidationstillstånd i joner och atomernas valens. Till exempel torium och protactinium, som uppvisar en valens på tre, i föreningarna Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Alla dessa ämnen är olösliga och har samma kemiska egenskaper som metallerna från lantanfamiljen: cerium, praseodym, neodym, etc. Lantaniderna i dessa föreningar kommer också att vara trevärda. Dessa exempel bevisar återigen för oss riktigheten av påståendet att lantanider och aktinider är tvillingar. De har liknande fysikaliska och kemiska egenskaper. Detta kan främst förklaras av strukturen hos elektronorbitalerna för atomerna i båda familjerna av inre övergångselement.
Metallegenskaper
Alla representanter för båda grupperna är metaller, där 4f-, 5f- och även d-undernivåer är klara. Lantan och elementen i dess familj kallas sällsynta jordartsmetaller. Deras fysikaliska och kemiska egenskaper är så nära att de separeras separat under laboratorieförhållanden med stor svårighet. Oftast uppvisar de ett oxidationstillstånd på +3, elementen i lantanserien har många likheter med alkaliska jordartsmetaller (barium, kalcium, strontium). Aktinider är också extremt aktiva metaller och är också radioaktiva.
De strukturella egenskaperna hos lantanider och aktinider relaterar också till sådana egenskaper som till exempel pyroforicitet i fint dispergerat tillstånd. En minskning av storleken på de ansiktscentrerade kristallgittren av metaller observeras också. Vi tillägger att alla de kemiska elementen i båda familjerna är metaller med silverglans, på grund av deras höga reaktivitet mörknar de snabbt i luften. De är täckta med en film av motsvarande oxid, som skyddar mot ytterligare oxidation. Alla grundämnen är tillräckligt eldfasta, med undantag för neptunium och plutonium, vars smältpunkt är långt under 1000 °C.
Karakteristiska kemiska reaktioner
Som nämnts tidigare är lantanider och aktinider reaktiva metaller. Så, lantan, cerium och andra element i familjen kombineras lätt med enkla ämnen - halogener, såväl som med fosfor, kol. Lantaniderna kan också interagera med både kolmonoxid och koldioxid. De är också kapabla att sönderdela vatten. Förutom enkla s alter, som till exempel SeCl3 eller PrF3, bildar de dubbla s alter. I analytisk kemi upptar reaktioner av lantanidmetaller med aminoättiksyra och citronsyror en viktig plats. De komplexa föreningar som bildas som ett resultat av sådana processer används för att separera en blandning av lantanider, till exempel i malmer.
Vid interaktion med nitrat-, klorid- och sulfatsyror, metallerbildar motsvarande s alter. De är mycket lösliga i vatten och kan lätt bilda kristallina hydrater. Det bör noteras att vattenlösningar av lantanids alter är färgade, vilket förklaras av närvaron av motsvarande joner i dem. Lösningar av samarium- eller praseodymiums alter är gröna, neodym - rödviolett, prometium och europium - rosa. Eftersom joner med ett oxidationstillstånd på +3 är färgade används detta inom analytisk kemi för att känna igen lantanidmetalljoner (så kallade kvalitativa reaktioner). För samma ändamål används också kemiska analysmetoder som fraktionerad kristallisation och jonbyteskromatografi.
Aktinider kan delas in i två grupper av grundämnen. Dessa är berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium och uran, neptunium, plutonium, omercium. De kemiska egenskaperna hos den första av dessa liknar lantan och metaller från dess familj. Elementen i den andra gruppen har mycket liknande kemiska egenskaper (nästan identiska med varandra). Alla aktinider interagerar snabbt med icke-metaller: svavel, kväve, kol. De bildar komplexa föreningar med syreh altiga legender. Som vi kan se ligger metallerna i båda familjerna nära varandra i kemiskt beteende. Det är därför lantaniderna och aktiniderna ofta kallas tvillingmetaller.
Position i det periodiska systemet av väte, lantanider, aktinider
Det är nödvändigt att ta hänsyn till att väte är ett ganska reaktivt ämne. Det manifesterar sig beroende på förhållandena för den kemiska reaktionen: både som ett reduktionsmedel och som ett oxidationsmedel. Det är därför i det periodiska systemetväte finns samtidigt i huvudundergrupperna av två grupper samtidigt.
I den första spelar väte rollen som ett reduktionsmedel, som de alkalimetaller som finns här. Vätets plats i den sjunde gruppen, tillsammans med elementen halogener, indikerar dess reducerande förmåga. Under den sjätte perioden, som redan nämnts, är lantanidfamiljen belägen, placerad i en separat rad för bordets bekvämlighet och kompakthet. Den sjunde perioden innehåller en grupp radioaktiva grundämnen som liknar aktiniums egenskaper. Aktinider är belägna utanför tabellen över kemiska element av D. I. Mendeleev under raden av lantanfamiljen. Dessa grundämnen är de minst studerade, eftersom kärnorna i deras atomer är mycket instabila på grund av radioaktivitet. Kom ihåg att lantanider och aktinider är interna övergångselement och deras fysikalisk-kemiska egenskaper ligger mycket nära varandra.
Allmänna metoder för att tillverka metaller i industrin
Med undantag för torium, protactinium och uran, som bryts direkt från malmer, kan resten av aktiniderna erhållas genom att bestråla prover av metalliskt uran med snabbrörliga neutronströmmar. I industriell skala bryts neptunium och plutonium från använt bränsle från kärnreaktorer. Observera att produktionen av aktinider är en ganska komplicerad och dyr process, vars huvudsakliga metoder är jonbyte och flerstegsextraktion. Lantanider, som kallas sällsynta jordartsmetaller, erhålls genom elektrolys av deras klorider eller fluorider. Den metallotermiska metoden används för att extrahera ultrarena lantanider.
Där interna övergångselement används
Användningsområdet för de metaller vi studerar är ganska brett. För anemonfamiljen är detta först och främst kärnvapen och energi. Aktinider är också viktiga i medicin, feldetektering och aktiveringsanalys. Det är omöjligt att ignorera användningen av lantanider och aktinider som källor för neutronfångning i kärnreaktorer. Lantanider används också som legeringstillsatser till gjutjärn och stål, samt vid framställning av fosfor.
Utbredning i naturen
Oxider av aktinider och lantanider kallas ofta zirkonium-, torium-, yttriumjordar. De är huvudkällan för att erhålla motsvarande metaller. Uran, som den främsta representanten för aktinider, finns i det yttre lagret av litosfären i form av fyra typer av malmer eller mineraler. Först och främst är det uranbeck, som är urandioxid. Den har det högsta metallinnehållet. Ofta åtföljs urandioxid av radiumavlagringar (vener). De finns i Kanada, Frankrike, Zaire. Komplex av torium- och uranmalmer innehåller ofta malmer av andra värdefulla metaller, som guld eller silver.
Reserverna av sådana råvaror är rika i Ryssland, Sydafrika, Kanada och Australien. Vissa sedimentära bergarter innehåller mineralet karnotit. Förutom uran innehåller det även vanadin. Fjärdetypen av uranråvara är fosfatmalmer och järn-uranskiffer. Deras reservat finns i Marocko, Sverige och USA. För närvarande anses också avlagringar av brunkol och kol innehållande uranföroreningar vara lovande. De bryts i Spanien, Tjeckien och även i två amerikanska delstater - North och South Dakota.
