כל אחד מהיסודות הכימיים המוצגים בקונכיות כדור הארץ: אטמוספירה, ליתוספרה והידרוספירה - יכולות לשמש דוגמה חיה המאשרת את החשיבות הבסיסית של הדוקטרינה האטומית-מולקולרית והחוק המחזורי. הם נוסחו על ידי המאורות של מדעי הטבע - המדענים הרוסים M.V. Lomonosov ו-D.I. Mendeleev. לנתנידים ואקטינידים הם שתי משפחות המכילות 14 יסודות כימיים כל אחת, וכן את המתכות עצמן - לנתנום וכלניות. תכונותיהם - הן הפיזיקליות והן הכימיות - ייבחנו על ידינו בעבודה זו. בנוסף, נקבע כיצד המיקום בטבלה המחזורית של מימן, לנתנידים, אקטינידים תלוי במבנה האורביטלים האלקטרוניים של האטומים שלהם.
היסטוריה של גילוי
בסוף המאה ה-18, יו.גדולין השיג את התרכובת הראשונה מקבוצת מתכות האדמה הנדירות - תחמוצת איטריום. עד תחילת המאה ה-20, הודות למחקריו של ה' מוסלי בכימיה, נודע על קיומה של קבוצת מתכות. הם היו ממוקמים בטבלה המחזורית בין לנתנום להפניום. יסוד כימי נוסף - כלניות, כמו לנתנום, יוצר משפחה של 14 יסודות כימיים רדיואקטיביים הנקראים אקטינידים. גילוים במדע התרחש משנת 1879 ועד אמצע המאה ה-20. ללנתנידים ואקטינידים יש קווי דמיון רבים הן בתכונות הפיזיקליות והן בתכונות הכימיות. ניתן להסביר זאת על ידי סידור האלקטרונים באטומים של מתכות אלו, הנמצאים ברמות אנרגיה, כלומר, עבור lanthanides, זו הרמה הרביעית, sub-level f, ועבור actinides, היא הרמה החמישית, sub-f. . לאחר מכן, נשקול את הקליפות האלקטרוניות של האטומים של המתכות לעיל ביתר פירוט.
מבנה יסודות המעבר הפנימיים לאור הדוקטרינה האטומית-מולקולרית
הגילוי הגאוני של מבנה החומרים הכימיים על ידי מ.V. Lomonosov היה הבסיס למחקר נוסף של קונכיות האלקטרונים של אטומים. המודל של רתרפורד למבנה של חלקיק אלמנטרי של יסוד כימי, מחקריהם של M. Planck, F. Gund אפשרו למדענים כימיים למצוא את ההסבר הנכון לקביעות הקיימות של שינויים תקופתיים בתכונות הפיזיקליות והכימיות המאפיינות את לנתנידים ואקטינידים. אי אפשר להתעלם מהתפקיד החשוב של החוק המחזורי של D.I. Mendeleev בחקר המבנה של אטומים של יסודות מעבר. הבה נתעכב על סוגיה זו ביתר פירוט.
מקומם של יסודות מעבר פנימיים במערכת המחזורית של D.I.Mendeleev
בקבוצה השלישית של השישית - תקופה ארוכה יותר - עבורלנתנום היא משפחה של מתכות הנעה בין צריום ללוטטיום כולל. באטום הלנתנום תת-רמת ה-4f ריקה, ובלוטטיום היא מלאה לחלוטין ב-14 אלקטרונים. ליסודות הממוקמים ביניהם יש מילוי הדרגתי של אורביטלי f. במשפחת האקטינידים - מתוריום ועד לורנטיום - נצפה אותו עיקרון של הצטברות של חלקיקים בעלי מטען שלילי עם ההבדל היחיד: מילוי באלקטרונים מתרחש בתת-רמת 5f. מבנה רמת האנרגיה החיצונית ומספר החלקיקים השליליים עליה (שווה לשניים) זהים עבור כל המתכות הנ"ל. עובדה זו עונה על השאלה מדוע ללנתנידים ואקטינידים, הנקראים יסודות מעבר פנימיים, יש קווי דמיון רבים.
בכמה מקורות לספרות כימיתנציגי שתי המשפחות משולבים בתת-קבוצות הצד השני. הם מכילים שתי מתכות מכל משפחה. בצורה הקצרה של המערכת המחזורית של יסודות כימיים של D.I. מנדלייב, נציגי המשפחות הללו מבודדים מהטבלה עצמה ומסודרים בשורות נפרדות. לכן, מיקומם של lanthanides ו-actinides במערכת המחזורית מתאים לתכנית הכללית של מבנה האטומים ולמחזוריות של מילוי הרמות הפנימיות באלקטרונים, ונוכחותם של אותם מצבי חמצון גרמה לשילוב של מתכות מעבר פנימיות למשותף. קבוצות. בהם, ליסודות כימיים יש סימנים ותכונות שוות ערך ללנתנום או לכלניות. זו הסיבה שהלנתנידים והאקטינידים מוסרים מטבלת היסודות הכימיים.
כיצד התצורה האלקטרונית של תת-רמת ה-f משפיעה על תכונות המתכות
כפי שאמרנו קודם, המיקום של lanthanidesואקטינידים בטבלה המחזורית קובעים ישירות את המאפיינים הפיזיים והכימיים שלהם. לפיכך, ליונים של צריום, גדוליניום ואלמנטים אחרים ממשפחת הלנתנידים יש מומנטים מגנטיים גבוהים, אשר קשורים לתכונות המבניות של תת-ה-f. זה איפשר להשתמש במתכות כחומרי דופן כדי להשיג מוליכים למחצה בעלי תכונות מגנטיות. לסולפידים של יסודות ממשפחת האקטיניום (לדוגמה, פרוטקטיניום גופרתי, תוריום) במולקולות שלהם יש סוג מעורב של קשר כימי: יוני-קוולנטי או קוולנטי-מתכתי. תכונה מבנית זו הובילה להופעתה של תכונה פיזיקוכימית חדשה ושימשה תשובה לשאלה מדוע ללנתנידים ואקטינידים יש תכונות זוהרות. לדוגמה, דוגמה בצבע כסף של כלנית זוהרת עם זוהר כחלחל בחושך. זה מוסבר על ידי הפעולה על יוני מתכת של זרם חשמלי, פוטונים של אור, שבהשפעתם מתרחשת עירור של אטומים, והאלקטרונים שבהם "קופצים" לרמות אנרגיה גבוהות יותר ואז חוזרים למסלוליהם הנייחים. מסיבה זו לנטאנידים ואקטינידים הם לומינפורים.
השלכות של ירידה ברדיוסים יוניים של אטומים
לנתנום וכלניות, כמו האלמנטים שלהםמשפחות, יש ירידה מונוטונית בערכי הרדיוסים של יוני מתכת. בכימיה, במקרים כאלה, נהוג לדבר על דחיסה של לנתנואידים ואקטינואידים. בכימיה, נקבעה הסדירות הבאה: עם עלייה במטען של גרעין האטומים, אם היסודות שייכים לאותה תקופה, הרדיוסים שלהם יורדים. ניתן להסביר זאת כך: במתכות כמו צריום, פרסאודימיום, ניאודימיום, מספר רמות האנרגיה באטומים שלהם קבוע ושווה לשש. עם זאת, המטענים של הגרעינים גדלים באחד בהתאמה והם +58, +59, +60. המשמעות היא שכוח המשיכה של האלקטרונים של הקליפות הפנימיות לגרעין הטעון חיובי גדל. כתוצאה מכך, הרדיוסים של האטומים יורדים. בתרכובות יוניות של מתכות, עם עלייה במספר הסידורי, יורדים גם הרדיוסים היוניים. שינויים דומים נצפים באלמנטים של משפחת הכלניות. זו הסיבה שלנטאנידים ואקטינידים נקראים תאומים. ירידה ברדיוסי היונים מובילה, קודם כל, להיחלשות של התכונות הבסיסיות של הידרוקסיד Ce (OH)3, Pr (OH)3, והבסיס של הלוטטיום כבר מציג תכונות אמפוטריות.
מילוי מוביל לתוצאות בלתי צפויותתת-רמה 4f עם אלקטרונים לא מזווגים עד למחצית האורביטלים של אטום הארופיום. הרדיוס האטומי שלו לא יורד, אלא להיפך, גדל. הבא בסדרה של גדוליניום lanthanides בתת-רמה 5d יש אלקטרון אחד מתת-רמת 4f, בדומה ל-EU. מבנה זה גורם לירידה פתאומית ברדיוס של אטום גדוליניום. תופעה דומה נצפית בזוג איטרביום-לוטטיום. ביסוד הראשון, הרדיוס האטומי גדול בשל המילוי המלא של תת-הרמה 4f, בעוד שבלוטטיום הוא יורד בפתאומיות, שכן הופעת האלקטרונים נצפית בתת-רמת ה-5d. באקטיניום וביסודות רדיואקטיביים אחרים ממשפחה זו, הרדיוסים של האטומים והיונים שלהם אינם משתנים באופן מונוטוני, אלא, כמו במקרה של לנתאנידים, באופן פתאומי. לפיכך, לנתנידים ואקטינידים הם יסודות שבהם תכונות התרכובות שלהם תלויות באופן קורלטיבי ברדיוס היוני ובמבנה של קליפות האלקטרונים של האטומים.
וולנס קובע
לנתנידים ואקטינידים הם יסודות אשרהמאפיינים די דומים. בפרט, זה נוגע למצבי החמצון שלהם ביונים ולערכיות של אטומים. לדוגמה, תוריום ופרוטקטיניום, המציגים ערכיות השווה לשלוש, ב-Th (OH)3, PaCl3, ThF3, אבא2(שיתוף3)3. כל החומרים הללו אינם מסיסים ויש להםאותן תכונות כימיות כמו מתכות ממשפחת הלנתנום: סריום, פרסאודימיום, ניאודימיום וכו'. גם הלנתנידים בתרכובות אלו יהיו טריוולנטיים. דוגמאות אלו מוכיחות לנו שוב את נכונות האמירה שלנטאנידים ואקטינידים הם תאומים. יש להם תכונות פיזיקליות וכימיות דומות. זה יכול להיות מוסבר בעיקר על ידי המבנה של אורביטלים אלקטרונים באטומים של שתי המשפחות של יסודות מעבר פנימיים.
תכונות מתכתיות
כל הנציגים של שתי הקבוצות הם מתכות,שעבורם הושלמו תת-רמות 4f-, 5f- ו-d. לנתנום ואלמנטים ממשפחתו נקראים כדורי אדמה נדירים. המאפיינים הפיזיים והכימיים שלהם כה קרובים עד שהם מופרדים בקושי רב בנפרד בתנאי מעבדה. המראה לרוב את מצב החמצון +3, ליסודות סדרת הלנתנום יש קווי דמיון רבים עם מתכות אדמה אלקליות (בריום, סידן, סטרונציום). אקטינידים הם גם מתכות פעילות במיוחד, והם גם רדיואקטיביים.
מאפיינים מבניים של לנתנידים ואקטינידיםנוגעים גם למאפיינים כמו, למשל, פירופוריות במצב מפוזר דק. נצפתה גם ירידה בגודלם של סריגי הגביש של מתכות במרכז הפנים. אנו מוסיפים כי כל היסודות הכימיים משתי המשפחות הם מתכות בעלות ברק כסוף, שמתכהות במהירות באוויר בגלל התגובתיות הגבוהה שלהן. הם מכוסים בסרט של התחמוצת המתאימה, אשר מגן מפני חמצון נוסף. כל היסודות חסינים מספיק, למעט נפטניום ופלוטוניום, שנקודות ההיתוך שלהם נמוכות בהרבה מ-1000 מעלות צלזיוס.
תגובות כימיות אופייניות
כפי שצוין קודם לכן, לנתנידים ואקטינידיםהן מתכות תגובתיות. אז, לנתנום, צריום ואלמנטים אחרים של המשפחה לשלב בקלות עם חומרים פשוטים - הלוגנים, כמו גם עם זרחן, פחמן. לנתנידים יכולים גם לקיים אינטראקציה עם פחמן חד חמצני ופחמן דו חמצני. הם גם מסוגלים לפרק מים. בנוסף למלחים פשוטים כגון SeCl3 או PrF3, הם יוצרים מלחים כפולים.בכימיה אנליטית, מקום חשוב תופס על ידי התגובות של מתכות lanthanide עם חומצות אמינו אצטית ולימון. התרכובות המורכבות הנוצרות כתוצאה מתהליכים כאלה משמשות להפרדת תערובת של לנטאנידים, למשל, בעפרות.
בעת אינטראקציה עם חנקה, כלוריד וחומצות סולפט, המתכות יוצרות את המלחים המתאימים. הם מסיסים מאוד במים ומסוגלים בקלות ליצור הידרטים גבישיים. יש לציין כי תמיסות מימיות של מלחי לנתניד צבעוניות, מה שמוסבר על ידי נוכחות היונים המתאימים בהם. פתרונות של מלחים של סמריום או פרסאודימיום הם ירוקים, ניאודימיום - אדום-סגול, פרומתיום ואירופיום - ורוד. מכיוון שיונים עם מצב חמצון של +3 הם צבעוניים, זה משמש בכימיה אנליטית כדי לזהות יוני מתכת lanthanide (מה שנקרא תגובות איכותיות). לאותה מטרה, נעשה שימוש גם בשיטות ניתוח כימי כגון התגבשות חלקית וכרומטוגרפיה של חילופי יונים.
באקטינידים ניתן להבחין בין שתי קבוצות של יסודות.אלו הם ברקליום, פרמיום, מנדלביום, נובליום, לורניום ואורניום, נפטון, פלוטוניום, אומרטיום. המאפיינים הכימיים של הראשונים דומים לאלו של לנתנום ומתכות ממשפחתו. ליסודות הקבוצה השנייה מאפיינים כימיים דומים מאוד (כמעט זהים זה לזה). כל האקטינידים מתקשרים במהירות עם לא-מתכות: גופרית, חנקן, פחמן. הם יוצרים תרכובות מורכבות עם אגדות המכילות חמצן. כפי שניתן לראות, המתכות של שתי המשפחות קרובות זו לזו בהתנהגות כימית. זו הסיבה שלנטאנידים ואקטינידים מכונים לעתים קרובות מתכות תאומות.
מיקום במערכת המחזורית של מימן, lanthanides, actinides
יש צורך לקחת בחשבון את העובדה כי מימן הואחומר די תגובתי. זה מתבטא בהתאם לתנאי התגובה הכימית: גם חומר מפחית וגם חומר מחמצן. זו הסיבה שבטבלה המחזורית מימן ממוקם בו זמנית בתת הקבוצות העיקריות של שתי קבוצות בבת אחת.
בראשון, מימן משחק את התפקיד של חומר מפחית, כמוומתכות אלקליות הממוקמות כאן. מקומו של המימן בקבוצה ה-7, יחד עם היסודות הלוגנים, מעידים על יכולת ההפחתה שלו. בתקופה השישית, כפי שכבר הוזכר, ממוקמת משפחת lanthanide, ממוקמת בשורה נפרדת לנוחות וקומפקטי השולחן. התקופה השביעית מכילה קבוצה של יסודות רדיואקטיביים הדומים במאפיינים לכלניות. האקטינידים ממוקמים מחוץ לטבלת היסודות הכימיים של D.I. מנדלייב מתחת לשורה של משפחת הלנתנום. יסודות אלה הם הפחות נחקרים, שכן גרעיני האטומים שלהם מאוד לא יציבים בגלל רדיואקטיביות. נזכיר כי lanthanides ו actinides הם יסודות מעבר פנימיים, והמאפיינים הפיזיקליים הכימיים שלהם קרובים מאוד זה לזה.
שיטות כלליות להשגת מתכות בתעשייה
מלבד תוריום, פרוטקטיניום ואורניום,אשר נכרים ישירות מעפרות, ניתן להשיג את שאר האקטינידים על ידי הקרנת דגימות מתכת אורניום עם שטפי נויטרונים הנעים במהירות. בקנה מידה תעשייתי, נפטון ופלוטוניום מופקים מהדלק המושקע של כורים גרעיניים. שימו לב שהכנת האקטינידים היא תהליך מסובך ויקר למדי, ששיטותיו העיקריות הן חילופי יונים וחילוץ רב שלבי. לנתנידים, הנקראים יסודות אדמה נדירים, מיוצרים על ידי אלקטרוליזה של הכלורידים או הפלואורידים שלהם. כדי לחלץ lanthanides טהור במיוחד, הם משתמשים בשיטה metallothermic.
היכן משתמשים ברכיבי מעבר פנימיים?
מגוון השימושים של המתכות שאנו חוקריםרחב מספיק. עבור משפחת הכלניות, מדובר קודם כל בנשק ואנרגיה גרעיניים. לאקטינידים יש חשיבות רבה גם ברפואה, דפקטוסקופיה וניתוח הפעלה. אי אפשר להתעלם מהשימוש בלנתנידים ואקטינידים כמקורות לכידת נויטרונים בכורים גרעיניים. לנתנידים משמשים כתוספי סגסוגת לברזל יצוק ופלדה, וכן בייצור זרחנים.
תפוצה בטבע
תחמוצות אקטיניד ולנתניד נקראות לעתים קרובותזירקוניום, תוריום, אדמה איטריום. הם המקור העיקרי להשגת המתכות המתאימות. אורניום, כנציג העיקרי של האקטינידים, נמצא בשכבה החיצונית של הליתוספירה בצורה של ארבעה סוגים של עפרות או מינרלים. קודם כל, זו זפת אורניום, שהיא אורניום דו חמצני. יש לו את תכולת המתכת הגבוהה ביותר. לעתים קרובות, אורניום דו חמצני מלווה במשקעי רדיום (ורידים). הם נמצאים בקנדה, צרפת, זאיר. מתחמי עפרות תוריום ואורניום מכילים לרוב עפרות מתכת יקרות ערך כמו זהב או כסף.
רוסיה עשירה ברזרבות של חומרי גלם כאלה,דרום אפריקה, קנדה ואוסטרליה. כמה סלעי משקע מכילים את המינרל קרנוט. בנוסף לאורניום, הוא מכיל גם ונדיום. הסוג הרביעי של חומר גלם אורניום הוא עפרות פוספט ופצלי ברזל-אורניום. השמורות שלהם ממוקמות במרוקו, שבדיה וארה"ב. כיום, גם מרבצי ליגניט ופחם המכילים זיהומי אורניום נחשבים למבטיחים. הם נכרים בספרד, בצ'כיה, וגם בשתי מדינות אמריקאיות - צפון ודרום דקוטה.
