Ciascuno degli elementi chimici presentati ingusci della Terra: atmosfera, litosfera e idrosfera - possono servire da vivido esempio a conferma dell'importanza fondamentale della dottrina atomico-molecolare e della legge periodica. Sono stati formulati dai luminari della scienza naturale - gli scienziati russi M. V. Lomonosov e D. I. Mendeleev. I lantanidi e gli attinidi sono due famiglie che contengono 14 elementi chimici ciascuna, così come i metalli stessi: lantanio e anemoni. Le loro proprietà - sia fisiche che chimiche - saranno da noi considerate in questo lavoro. Inoltre, stabiliremo come la posizione nella tavola periodica di idrogeno, lantanidi, attinidi dipende dalla struttura degli orbitali elettronici dei loro atomi.
Storia della scoperta
Alla fine del XVIII secolo, Yu.Gadolin ha ottenuto il primo composto dal gruppo dei metalli delle terre rare: l'ossido di ittrio. Fino all'inizio del XX secolo, grazie alle ricerche di H. Moseley in chimica, si venne a conoscenza dell'esistenza di un gruppo di metalli. Si trovavano nella tavola periodica tra lantanio e afnio. Un altro elemento chimico, l'attinio, come il lantanio, forma una famiglia di 14 elementi chimici radioattivi chiamati attinidi. La loro scoperta nella scienza è avvenuta dal 1879 alla metà del XX secolo. I lantanidi e gli attinidi hanno molte somiglianze sia nelle proprietà fisiche che chimiche. Ciò può essere spiegato dalla disposizione degli elettroni negli atomi di questi metalli, che sono a livelli di energia, vale a dire, per i lantanidi, questo è il quarto livello del sottolivello f e per gli attinidi, il quinto livello del sottolivello f . Successivamente, considereremo i gusci elettronici degli atomi dei metalli di cui sopra in modo più dettagliato.
La struttura degli elementi di transizione interna alla luce della dottrina atomico-molecolare
L'ingegnosa scoperta della struttura delle sostanze chimiche da parte di M.V. Lomonosov è stata la base per ulteriori studi sui gusci di elettroni degli atomi. Il modello di Rutherford della struttura di una particella elementare di un elemento chimico, gli studi di M. Planck, F.Gund hanno permesso agli scienziati chimici di trovare la spiegazione corretta per le regolarità esistenti dei cambiamenti periodici nelle proprietà fisiche e chimiche che caratterizzano i lantanidi e gli attinidi . È impossibile ignorare il ruolo più importante della legge periodica di D. I. Mendeleev nello studio della struttura degli atomi degli elementi di transizione. Soffermiamoci su questo problema in modo più dettagliato.
Il posto degli elementi di transizione interni nel sistema periodico di D. I. Mendeleev
Nel terzo gruppo del sesto - periodo più lungo - peril lantanio è una famiglia di metalli che vanno dal cerio al lutezio compreso. Nell'atomo di lantanio, il sottolivello 4f è vuoto e nel lutezio è completamente riempito con 14 elettroni. Gli elementi situati tra di loro stanno gradualmente riempiendo gli orbitali f. Nella famiglia degli attinidi, dal torio al lawrence, si osserva lo stesso principio di accumulo di particelle caricate negativamente con l'unica differenza: il riempimento di elettroni avviene al sottolivello 5f. La struttura del livello di energia esterna e il numero di particelle negative su di esso (pari a due) sono gli stessi per tutti i metalli di cui sopra. Questo fatto risponde alla domanda sul perché i lantanidi e gli attinidi, chiamati elementi di transizione interna, hanno molte somiglianze.
In alcune fonti di letteratura chimicai rappresentanti di entrambe le famiglie sono riuniti nei sottogruppi del secondo lato. Contengono due metalli di ciascuna famiglia. Nella forma abbreviata del sistema periodico di elementi chimici di D.I. Mendeleev, i rappresentanti di queste famiglie sono isolati dal tavolo stesso e sono disposti in file separate. Pertanto, la posizione dei lantanidi e degli attinidi nel sistema periodico corrisponde al piano generale della struttura degli atomi e alla periodicità del riempimento dei livelli interni con elettroni, e la presenza degli stessi stati di ossidazione ha causato la combinazione di metalli di transizione interna in comune gruppi. In essi, gli elementi chimici hanno segni e proprietà equivalenti al lantanio o agli anemoni. Ecco perché i lantanidi e gli attinidi vengono rimossi dalla tabella degli elementi chimici.
Come la configurazione elettronica del sottolivello f influenza le proprietà dei metalli
Come abbiamo detto prima, la posizione dei lantanidie gli attinidi nella tavola periodica determinano direttamente le loro caratteristiche fisiche e chimiche. Pertanto, gli ioni di cerio, gadolinio e altri elementi della famiglia dei lantanidi hanno momenti magnetici elevati, che sono associati alle caratteristiche strutturali del sottolivello f. Ciò ha permesso di utilizzare i metalli come droganti per ottenere semiconduttori con proprietà magnetiche. I solfuri di elementi della famiglia dell'attinio (ad esempio, solfuro di protoattinio, torio) nelle loro molecole hanno un tipo misto di legame chimico: ionico-covalente o covalente-metallico. Questa caratteristica strutturale ha portato all'emergere di una nuova proprietà fisico-chimica ed è servita come risposta alla domanda sul perché i lantanidi e gli attinidi hanno proprietà luminescenti. Ad esempio, un campione color argento di anemone si illumina con un bagliore bluastro al buio. Ciò è spiegato dall'azione sugli ioni metallici della corrente elettrica, i fotoni della luce, sotto l'influenza dei quali avviene l'eccitazione degli atomi, e gli elettroni in essi contenuti "saltano" a livelli energetici più elevati per poi ritornare alle loro orbite stazionarie. È per questo motivo che i lantanidi e gli attinidi sono sostanze luminescenti.
Conseguenze della diminuzione dei raggi ionici degli atomi
Lantanio e anemoni, come gli elementi del lorofamiglie, c'è una diminuzione monotona dei valori dei raggi degli ioni metallici. In chimica, in questi casi, è consuetudine parlare di compressione lantanoide e attinoide. In chimica è stata stabilita la seguente regolarità: con un aumento della carica del nucleo degli atomi, se gli elementi appartengono allo stesso periodo, i loro raggi diminuiscono. Questo può essere spiegato come segue: in metalli come cerio, praseodimio, neodimio, il numero di livelli di energia nei loro atomi è costante e pari a sei. Tuttavia, le cariche dei nuclei aumentano rispettivamente di uno e sono +58, +59, +60. Ciò significa che la forza di attrazione degli elettroni dei gusci interni verso il nucleo caricato positivamente aumenta. Di conseguenza, i raggi degli atomi diminuiscono. Nei composti metallici ionici, anche i raggi ionici diminuiscono con l'aumentare del numero di serie. Cambiamenti simili si osservano negli elementi della famiglia degli anemoni. Questo è il motivo per cui i lantanidi e gli attinidi sono chiamati gemelli. Una diminuzione dei raggi ionici porta, prima di tutto, ad un indebolimento delle proprietà di base degli idrossidi di Ce (OH)3, Pr (OH)3e la base di lutezio mostra già proprietà anfotere.
Il riempimento porta a risultati inaspettati4f-sottolivello con elettroni spaiati fino alla metà degli orbitali dell'atomo di europio. Il suo raggio atomico non diminuisce, ma, al contrario, aumenta. Il successivo della serie dei lantanidi di gadolinio al sottolivello 5d ha un elettrone del sottolivello 4f, simile a Eu. Questa struttura provoca una brusca diminuzione del raggio dell'atomo di gadolinio. Un fenomeno simile si osserva nella coppia itterbio-lutezio. Nel primo elemento, il raggio atomico è grande a causa del riempimento completo del sottolivello 4f, mentre nel lutezio diminuisce bruscamente, poiché la comparsa di elettroni è osservata al sottolivello 5d. Nell'attinio e in altri elementi radioattivi di questa famiglia, i raggi dei loro atomi e ioni non cambiano monotonicamente, ma, come nel caso dei lantanidi, bruscamente. Pertanto, i lantanidi e gli attinidi sono elementi in cui le proprietà dei loro composti dipendono correlativamente dal raggio ionico e dalla struttura dei gusci elettronici degli atomi.
Valence afferma
I lantanidi e gli attinidi sono elementi il cuile caratteristiche sono abbastanza simili. In particolare, ciò riguarda i loro stati di ossidazione negli ioni e la valenza degli atomi. Ad esempio, torio e protoattinio, che mostrano una valenza di tre, in Th (OH)3, PaCl3, ThF3, Papà2(CO3)3. Tutte queste sostanze sono insolubili e hannole stesse proprietà chimiche dei metalli della famiglia del lantanio: cerio, praseodimio, neodimio, ecc. Anche i lantanidi in questi composti saranno trivalenti. Questi esempi ci dimostrano ancora una volta la correttezza dell'affermazione che i lantanidi e gli attinidi sono gemelli. Hanno proprietà fisiche e chimiche simili. Ciò può essere spiegato principalmente dalla struttura degli orbitali elettronici negli atomi di entrambe le famiglie di elementi di transizione interna.
Proprietà metalliche
Tutti i rappresentanti di entrambi i gruppi sono metalli,per cui vengono completati i sottolivelli 4f-, 5f- e d. Il lantanio e gli elementi della sua famiglia sono chiamati terre rare. Le loro caratteristiche fisiche e chimiche sono così vicine che vengono separate con grande difficoltà in condizioni di laboratorio. Mostrando più spesso lo stato di ossidazione +3, gli elementi della serie del lantanio hanno molte somiglianze con i metalli alcalino terrosi (bario, calcio, stronzio). Gli attinidi sono anche metalli estremamente attivi e sono anche radioattivi.
Caratteristiche della struttura dei lantanidi e degli attinidiriguardano anche proprietà quali, ad esempio, la piroforicità in uno stato finemente disperso. Si osserva anche una diminuzione delle dimensioni dei reticoli cristallini dei metalli centrati sulla faccia. Aggiungiamo che tutti gli elementi chimici di entrambe le famiglie sono metalli con una lucentezza argentea, che si scuriscono rapidamente all'aria a causa della loro elevata reattività. Sono ricoperti da una pellicola dell'ossido corrispondente, che protegge dall'ulteriore ossidazione. Tutti gli elementi sono sufficientemente refrattari, ad eccezione del nettunio e del plutonio, i cui punti di fusione sono ben al di sotto dei 1000 ° C.
Reazioni chimiche tipiche
Come notato in precedenza, lantanidi e attinidisono metalli reattivi. Quindi, il lantanio, il cerio e altri elementi della famiglia sono facilmente combinabili con sostanze semplici: alogeni, così come con fosforo, carbonio. I lantanidi possono anche interagire sia con il monossido di carbonio che con l'anidride carbonica. Sono anche in grado di decomporre l'acqua. Oltre ai sali semplici come SeCl3 o PrF3, formano doppi sali.Nella chimica analitica, un posto importante è occupato dalle reazioni dei metalli lantanidi con acidi amminoacetici e citrici. I composti complessi formati come risultato di tali processi vengono utilizzati per separare una miscela di lantanidi, ad esempio, nei minerali.
Quando si interagisce con nitrato, cloruro eacidi solfati, i metalli formano i sali corrispondenti. Sono altamente solubili in acqua e sono facilmente in grado di formare idrati cristallini. Va notato che le soluzioni acquose di sali di lantanidi sono colorate, il che è spiegato dalla presenza degli ioni corrispondenti in esse. Le soluzioni di sali di samario o praseodimio sono verdi, neodimio - rosso-violetto, promezio ed europio - rosa. Poiché gli ioni con uno stato di ossidazione di +3 sono colorati, questo viene utilizzato in chimica analitica per riconoscere gli ioni metallici lantanidi (le cosiddette reazioni qualitative). Allo stesso scopo, vengono utilizzati anche metodi di analisi chimica come la cristallizzazione frazionata e la cromatografia a scambio ionico.
Gli attinidi hanno due gruppi di elementi.Questi sono berkelio, fermio, mendelevio, nobelio, lawrentium e uranio, nettunio, plutonio, omereto. Le proprietà chimiche del primo sono simili a quelle del lantanio e dei metalli della sua famiglia. Gli elementi del secondo gruppo hanno caratteristiche chimiche molto simili (quasi identiche tra loro). Tutti gli attinidi interagiscono rapidamente con i non metalli: zolfo, azoto, carbonio. Formano composti complessi con leggende contenenti ossigeno. Come puoi vedere, i metalli di entrambe le famiglie sono vicini tra loro nel comportamento chimico. Questo è il motivo per cui i lantanidi e gli attinidi sono spesso indicati come metalli gemelli.
Posizione nel sistema periodico di idrogeno, lantanidi, attinidi
È necessario tenere conto del fatto che l'idrogeno èuna sostanza abbastanza reattiva. Si manifesta a seconda delle condizioni della reazione chimica: sia un agente riducente che un agente ossidante. Ecco perché nella tavola periodica l'idrogeno si trova contemporaneamente nei sottogruppi principali di due gruppi contemporaneamente.
Nel primo, l'idrogeno svolge il ruolo di agente riducente, comee metalli alcalini che si trovano qui. Il posto dell'idrogeno nel 7 ° gruppo, insieme agli elementi alogeni, indica la sua capacità riduttiva. Nel sesto periodo, come già accennato, si trova la famiglia dei lantanidi, posta in una fila separata per comodità e compattezza della tavola. Il settimo periodo contiene un gruppo di elementi radioattivi simili nelle caratteristiche agli anemoni. Gli attinidi si trovano al di fuori della tabella degli elementi chimici di D.I. Mendeleev sotto la riga della famiglia del lantanio. Questi elementi sono i meno studiati, poiché i nuclei dei loro atomi sono molto instabili a causa della radioattività. Ricordiamo che i lantanidi e gli attinidi sono elementi di transizione interni e le loro caratteristiche fisico-chimiche sono molto vicine tra loro.
Metodi generali per ottenere metalli nell'industria
Ad eccezione di torio, protoattinio e uranio,che vengono estratti direttamente dai minerali, il resto degli attinidi può essere ottenuto irradiando campioni di uranio metallico con flussi di neutroni in rapido movimento. Su scala industriale, il nettunio e il plutonio vengono estratti dal combustibile esaurito dei reattori nucleari. Si noti che la produzione di attinidi è un processo piuttosto complicato e costoso, i cui metodi principali sono lo scambio ionico e l'estrazione multistadio. I lantanidi, chiamati elementi delle terre rare, sono prodotti dall'elettrolisi dei loro cloruri o fluoruri. Per estrarre i lantanidi ultrapuri usano il metodo metallotermico.
Dove vengono utilizzati gli elementi di transizione interni?
Lo spettro di utilizzo dei metalli che studiamoabbastanza largo. Per la famiglia degli anemoni si tratta, prima di tutto, di armi nucleari ed energia. Gli attinidi sono anche di grande importanza in medicina, rilevamento dei difetti e analisi di attivazione. L'uso di lantanidi e attinidi come fonti di cattura dei neutroni nei reattori nucleari non può essere ignorato. I lantanidi sono anche usati come additivi leganti per ghisa e acciaio, nonché nella produzione di fosfori.
Distribuzione in natura
Gli ossidi di attinidi e lantanidi sono spesso chiamatizirconio, torio, terre di ittrio. Sono la fonte principale per ottenere i metalli corrispondenti. L'uranio, come principale rappresentante degli attinidi, si trova nello strato esterno della litosfera sotto forma di quattro tipi di minerali o minerali. Prima di tutto, è un catrame di uranio, che è biossido di uranio. Ha il più alto contenuto di metallo. Spesso, il biossido di uranio è accompagnato da depositi di radio (vene). Si trovano in Canada, Francia, Zaire. I complessi di minerali di torio e uranio spesso contengono altri preziosi minerali metallici come l'oro o l'argento.
La Russia è ricca di riserve di tali materie prime,Sud Africa, Canada e Australia. Alcune rocce sedimentarie contengono il minerale carnotite. Oltre all'uranio, contiene anche vanadio. Il quarto tipo di materia prima di uranio è costituito dai minerali di fosfato e dallo scisto ferro-uranio. Le loro riserve si trovano in Marocco, Svezia e Stati Uniti. Allo stato attuale, anche i depositi di lignite e carbone contenenti impurità di uranio sono considerati promettenti. Vengono estratti in Spagna, Repubblica Ceca e anche in due stati americani: Nord e Sud Dakota.
