Лантаниди и актиниди: позиция в периодичната таблица

Всяка от химични елементи, показани на черупките земята атмосферата и хидросферата литосферата - може да служи като ярък пример потвърждава основните атомни и молекулни учения периодично право. Те са формулирани от корифите на естествената наука - руските учени М. В. Ломоносов и Д. Менделеев. Лантанидите и актинидите са две семейства, които съдържат 14 химически елемента, както и самите метали - лантан и актиний. Техните свойства - физични и химични - ще бъдат разгледани от нас в тази статия. В допълнение, ние ще установим как позицията в периодичната система на водорода, лантанидите, актинидите зависи от структурата на електронните орбитали на техните атоми.

История на откритието

В края на 18-ти век Ю. Гадолин получава първото съединение от групата на редкоземните метали, итриев оксид. Преди началото на 20 век, благодарение на изследванията на Г. Мосели в химия, стана известно за съществуването на група метали. Те бяха разположени в периодична система между лантан и хафний. Друг химичен елемент, ацениум, като лантан, образува семейство от 14 радиоактивни химични елемента, наречени актиниди. Техното откритие в науката се е появило, започвайки през 1879 г. до средата на 20 век. Лантанидите и актинидите имат много прилики както във физичните, така и в химическите им свойства. Това може да се обясни подреждане на електроните в атомите на тези метали, които са в енергийните нива, а именно лантанид е четвърто ниво на F-подслой и за актиниди - петото ниво на F-подслой. След това по-подробно разглеждаме електронните черупки на атомите на горепосочените метали.

Структурата на вътрешните преходни елементи в светлината на атомната молекулярна доктрина

Брилянтното откритие на структурата на химическите вещества от М. Л. Ломоносов беше основата за по-нататъшно изследване на електронните черупки на атомите. Ръдърфорд модел на елементарните частици структура на химичен елемент, изследвания Макс Планк, F. Hund позволи химици, за да откриете точното обяснение на съществуващите закони на периодичните колебания на физични и химични свойства, които се характеризират с лантанидите и актинидите. Не можем да пренебрегнем най-важната роля на периодичния закон на Д. Менделеев в изучаването на структурата на атомите на преходните елементи. Нека разгледаме по-подробно този въпрос.

Място на вътрешните преходни елементи в периодичната таблица на ДИ Менделеев

В третата група от шестия - по-дълъг период - зад лантана е семейство метали, разположени от церий до лутетий включително. На лантановия атом, 4f подложката е празна, а в лутетий е напълно напълнена с 14 електрона. Елементите, разположени между тях, постепенно се запълват с f-орбитали. В семейството на актиниди - от торий да лоуренсий - Същият принцип се наблюдава натрупване на отрицателно заредени частици с единствената разлика, че се случва в пълнене електрони 5f-подслой. Структурата на външно енергийно ниво и броят на отрицателните частици върху него (равни на две) за всички горепосочени метали е еднакъв. Този факт отговаря на въпроса защо лантанидите и актинидите, наречени вътрешни преходни елементи, имат много прилики.

В някои източници на химическа литература, представителите на двете семейства са групирани във втора втора подгрупа. Те съдържат два метала от всяко семейство. В кратката форма на периодичната система от химически елементи на Д. Менделеев представителите на тези семейства се отличават от самата маса и са подредени в отделни редове. Следователно, позицията на актиниди и лантаниди в периодичната система съответства на общия план на структурата на атома и електрони в вътрешните периодичност пълнене нива и наличието на същия окислението причинени агрегиране вътрешни преходни метали в общата група. В тях химическите елементи имат характеристики и свойства, еквивалентни на лантан или актиний. Ето защо лантандите и актинидите се отстраняват от масата на химическите елементи.

Как електронната конфигурация на f-подложката влияе върху свойствата на металите

Както казахме по-рано, позицията на лантаниди и актиниди в периодичната система директно определя техните физични и химични характеристики. Например, цериеви йони, гадолиний и други елементи на семейството на лантанид имат високи магнитен момент поради структурните характеристики на F-подслой. Това направи възможно използването на метали като легиращи добавки за производство на полупроводници с магнитни свойства. Сулфидите семейство елементи актиния (например, сулфид протактиний, торий) в техните молекули имат смесен тип химическо свързване: йонни ковалентна или ковалентна-метален. Тази структурна особеност е довело до появата на нови физични и химични свойства и да служи като отговор на въпроса защо лантанидите и актинидите имат флуоресцентни свойства. Например, актниумът със сребрист цвят на тъмно сияе със синкав блясък. Това се дължи на действието на електрически ток метални йони, фотоните на светлината, която се появява под влияние на възбуждане на атомите и електроните в него "скок" по-високо ниво на енергия и след това се връщат в орбита. Именно поради тази причина лантанидите и актинидите принадлежат към фосфора.

Последиците от намаляването на йонните радиуси на атомите

В лантан и актиния, като елементи от техните семейства, монотонна спад в показателите размер радиуси на метални йони. В химията в такива случаи е обичайно да се говори за компресия на лантаноид и актинид. Химията зададете следния модел: с увеличаване на такса на ядрото на атома, когато елементите принадлежат към един и същи период и тяхното намаляване радиуси. Това може да се обясни както следва: за метали като церий, празеодим, неодим, броят на енергийните нива на атома и винаги равен на шест. Но ядрените такси съответно се увеличават с една и са +58, +59, +60. Това означава, че силата на привличане на електроните на вътрешните черупки към положително заредената сърцевина се увеличава. Вследствие на това радиусите на атомите намаляват. В йонните съединения на металите, йонните радиуси също намаляват с нарастващо поредно число. Подобни промени се наблюдават в елементите на семейството на актиний. Ето защо лантаноидите и актинидите се наричат ​​близнаци. Намаляване йон радиуси води главно до отслабване на основните свойства на хидроксиди на Се (ОН)₃, Pr (OH)₃, и основата на лутекия вече показва амфотерни свойства.

За неочаквани резултати, пълненето на 4f субливално с недвоени електрони води до половината от орбитите на европиев атом. Радиусът му на атома не намалява, а напротив, той се увеличава. Следващият електронен елемент в лантанидната серия на гадолиний на 5-тия сублев се появява като един електронен елемент на 4f подложка, подобно на Eu. Такава структура причинява спазмодично понижаване на радиуса на атома на гадолиний. Подобен феномен се наблюдава при двойка yterbium - лутециум. В първия елемент радиусът на атома е голям поради пълното запълване на 4f подложката, докато в лутетий той намалява рязко, тъй като електроните се появяват на 5d подложка. В актиний и други радиоактивни елементи от това семейство, радиусите на техните атоми и йони не се променят монотонно, но, подобно на лантаноидите, те се променят прекъснато. Така лантанидите и актинидите са елементи, в които свойствата на техните съединения зависят корелативно от йонния радиус и структурата на електронните обвивки на атомите.

Валенси заяви

Лантанидите и актинидите са елементи, чиито характеристики са доста сходни. По-специално, това се отнася до степента им на окисляване в йони и валентността на атомите. Например, торий и протакиниум, показващи валентност от три, в Th (OH)₃, Pacl₃, ТХФ₃, татко₂(CO₃)_3. Всички тези вещества са неразтворими и имат същите химични свойства като тази на метали от семейството на лантан: церий, празеодим, неодим и т.н. в Лантанидите на тези съединения ще бъдат тривалентни ... Тези примери още веднъж ни доказват правилността на твърдението, че лантанидите и актинидите са близнаци. Те имат сходни физични и химични свойства. Това може да бъде обяснено, преди всичко, от структурата на електронните орбитали на атомите на двете фамилии от вътрешни преходни елементи.

Метални свойства

Всички представители на двете групи са метали, в които се строят 4f-, 5f- и d-subblevels. Лантанът и елементи от неговото семейство се наричат ​​редкоземни. Техните физични и химични характеристики са толкова близо, че отделно в лабораторията те са разделени с голяма трудност. Използвайки оксидационното състояние +3 най-често, елементите на лантановата серия имат много прилики с алкалоземни метали (барий, калций, стронций). Актинидите също са изключително активни метали, също радиоактивни.

Специфичните особености на структурата на лантанидите и актинидите също се отнасят до такива свойства, като например, пирофоричността в фино диспергираното състояние. Съществува също така намаляване на размера на кристалните решетки от метал, ориентирани към лицето. Ние добавяме, че всички химически елементи на двете семейства са метали със сребрист блясък, защото тяхната висока реактивност бързо потъмнява във въздуха. Те са покрити с филм от съответния оксид, който предпазва от по-нататъшно окисляване. Всички елементи са достатъчно огнеупорни, с изключение на нептуний и плутоний, чиято точка на топене е много по-ниска от 1000 ° С.

Типични химични реакции

Както беше отбелязано по-рано, лантанидите и актинидите са химически активни метали. По този начин, лантан, церий и други членове на семейството лесно могат да бъдат свързани с прости вещества - халогени, както и фосфор, въглерод. Лантанидите могат да взаимодействат както с въглероден монооксид, така и с въглероден диоксид. Те също така са способни да разлагат водата. В допълнение към обикновените соли, например, като SeCl₃ или PrF₃, те формират двойни соли. В аналитичната химия важно място се заема от реакциите на метал-лантаниди с аминооцетна и лимонена киселина. Комплексните съединения, образувани в резултат на такива процеси, се използват за отделяне на смес от лантаниди, например в руди.

Когато взаимодействат с нитратни, хлоридни и сулфатни киселини, металите образуват съответните соли. Те са лесно разтворими във вода и лесно могат да образуват кристални хидрати. Трябва да се отбележи, че водни разтвори на лантанидни соли са оцветени, което се обяснява с наличието на съответните йони в тях. Разтворите на соли на самарий или празеодим са зелени, неодимови - червено-виолетови, прометови и европиеви - розови. Тъй като йоните с степен на окисление +3 са оцветени, те се използват в аналитичната химия за разпознаване на йони на лантанидните метали (така наречените качествени реакции). За същата цел се използват също методи за химичен анализ като фракционна кристализация и йонообменна хроматография.

Актинидите могат да бъдат разделени на две групи елементи. Това са беркелиум, ферим, менделевиум, нобелиум, лаурентий и уран, нептуний, плутоний и омериум. Химическите свойства на първия от тях са подобни на лантан и метали от семейството му. Елементите на втората група имат много сходни химически характеристики (почти еднакви един с друг). Всички актиниди взаимодействат бързо с неметалните: сяра, азот, въглерод. С кислородсъдържащи лиганди те образуват сложни съединения. Както виждаме, металите и на двете семейства са близко един до друг в химическото поведение. Ето защо лантанидите и актинидите често се наричат ​​двойни метали.

Позиция в периодичната система на водород, лантаниди, актиниди

Необходимо е да се вземе предвид фактът, че водородът е достатъчно реактивоспособно вещество. Той се проявява в зависимост от условията на химическата реакция: както редуциращ агент, така и окислител. Ето защо в периодичната система водородът се намира едновременно в основните подгрупи от две групи.

В първия водородът играе ролята на редуциращ агент, подобно на алкалните метали, намиращи се тук. Мястото на водорода в 7-та група, заедно с елементите халогени, показва неговата способност за намаляване. В шести период, както вече беше споменато, семейство от лантаниди се поставя в отделен ред за удобство и компактност на масата. Седмият период съдържа група радиоактивни елементи, сходни по своята характеристика с актиний. Актиноидите се намират извън масата на химическите елементи на Д. Менделеев под няколко лантанови семейства. Тези елементи са най-малко проучени, тъй като ядрата на техните атоми са много нестабилни поради радиоактивността. Спомнете си, че лантанидите и актинидите принадлежат към елементите на вътрешния преход и техните физико-химични характеристики са много близки един до друг.

Общи методи за производство на метали в промишлеността

Освен торий, протактиний и уран, който се получава чрез директно от руди, други актиниди могат да бъдат получени чрез облъчване проби от уран метални потоци бързо движещи неутрони. В промишлен мащаб нептуний и плутоний се извличат от отработено гориво от ядрени реактори. Имайте предвид, че получаването на актиниди - е доста сложен и скъп процес, основните методи, които са йонообменна и многостепенен екстракция. Лантанидите, които се наричат ​​редкоземни елементи, се получават чрез електролиза на техните хлориди или флуориди. За да се получат ултра-чисти лантаниди, използвайте металотермалния метод.

Когато се използват вътрешни преходни елементи

Обхватът на използване на металите, които изучаваме, е доста широк. За семейството на актиний - е преди всичко ядрено оръжие и енергия. От голямо значение са актинидите в медицината, откриването на пропуски, активиращият анализ. Не можем да пренебрегнем използването на лантаниди и актиниди като източници на улавяне на неутрони в ядрени реактори. Лантанидите също се използват като легиращи добавки за желязо и стомана, както и за производството на фосфор.

Разпространение в природата

Оксидите на актинидите и лантанидите често се наричат ​​цирконий, торий, итрий. Те са основният източник за получаване на съответните метали. Уранът, като основен представител на актинидите, се намира във външния слой на литосферата под формата на четири вида руди или минерали. На първо място, това е уранов катран, който е уран-диоксид. В него металното съдържание е най-високо. Често урановият диоксид се придружава от радиални отлагания (вени). Те се намират в Канада, Франция, Заир. Комплекси от торий и уранова руда често съдържат руди от други ценни метали, например злато или сребро.

Запасите от такива суровини са богати на Русия, Южна Африка, Канада и Австралия. Някои седиментни скали съдържат минерален карнотит. В състава си, в допълнение към урана, също е ванадий. Четвъртият вид уранови суровини са фосфатните руди и железните шисти. Техните резерви са в Мароко, Швеция и САЩ. Понастоящем депозитите на лигнит и въглища, съдържащи уранови примеси, също са обещаващи. Те се добиват в Испания, Чехия, както и в две американски щати - Северна и Южна Дакота.