Кожен з хімічних елементів, представлений воболонках Землі: атмосфері, літосфері і гідросфері - може служити яскравим прикладом, що підтверджує фундаментальне значення атомно-молекулярного вчення і періодичного закону. Вони були сформульовані корифеями природознавства - російськими вченими М. В. Ломоносовим і Д. І. Менделєєвим. Лантаноїди і актиноїди - це два сімейства, які містять по 14 хімічних елементів, а також самі метали - лантан і актиній. Їх властивості - як фізичні, так і хімічні - будуть розглянуті нами в даній роботі. Крім цього, ми встановимо, як положення в періодичній системі водню, лантаноїдів, актиноїдів залежить від будови електронних орбіталей їх атомів.
Історія відкриття
В кінці 18 століття Ю.Гадолінієм було отримано перше з'єднання з групи рідкоземельних металів - оксид ітрію. До початку 20 століття завдяки дослідженням Г. Мозлі в хімії стало відомо про існування групи металів. Вони розташовувалися в періодичної системі між лантаном і гафнію. Ще один хімічний елемент - актиній, подібно лантану, утворює сімейство з 14 радіоактивних хімічних елементів, названих актиноіда. Їх відкриття в науці відбулося, починаючи з 1879 року до середини 20 століття. Лантаноїди і актиноїди мають досить багато рис подібності як в фізичних, так і в хімічних властивостях. Це можна пояснити розташуванням електронів в атомах цих металів, які знаходяться на енергетичних рівнях, а саме для лантаноїдів це четвертий рівень f-підрівень, а для актиноидов - п'ятий рівень f-підрівень. Далі ми розглянемо електронні оболонки атомів вищеназваних металів більш докладно.
Будова внутрішніх перехідних елементів в світлі атомно-молекулярного вчення
Геніальне відкриття будови хімічних речовин М.В. Ломоносова стало основою для подальшого вивчення електронних оболонок атомів. Резерфордовского модель будови елементарної частинки хімічного елемента, дослідження М. Планка, Ф. Гунда дозволили вченим-хімікам знайти правильне пояснення існуючим закономірностям періодичної зміни фізичних і хімічних властивостей, якими характеризуються лантаноїди і актиноїди. Не можна обійти увагою і найважливішу роль періодичного закону Д. І. Менделєєва у вивченні будови атомів перехідних елементів. Зупинимося на цьому питанні більш детально.
Місце внутрішніх перехідних елементів в періодичній системі Д. І. Менделєєва
У третій групі шостого - більшого періоду - залантаном знаходиться сімейство металів, розташованих від церію і до лютецію включно. У атома лантану 4f-підрівень порожній, а у лютецію повністю наповнений 14-ю електронами. У елементів, розташованих між ними, йде поступове заповнення f-орбіталей. У сімействі актиноидов - від торію до Лоуренса - дотримується той же принцип накопичення негативно заряджених частинок з єдиною відмінністю: заповнення електронами відбувається на 5f-підрівні. Будова ж зовнішнього енергетичного рівня і кількість негативних частинок на ньому (що дорівнює двом) у всіх перерахованих вище металів однаково. Даний факт відповідає на питання про те, чому лантаноїди і актиноїди, названі внутрішніми перехідними елементами, мають багато рис подібності.
У деяких джерелах хімічної літературипредставників обох сімейств об'єднують в другі побічні підгрупи. У них міститься по два металу з числа дітей. У короткій формі періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва представники цих родин виділені з самої таблиці і розташовані окремими рядами. Тому положення лантаноїдів і актиноїдів у періодичній системі відповідає загальному плану будови атомів і періодичності заповнення електронами внутрішніх рівнів, а присутність однакових ступенів окислення послужило причиною об'єднання внутрішніх перехідних металів в загальні групи. У них хімічні елементи мають ознаки і властивості, рівнозначними лантану або актинії. Ось чому лантаноїди і актиноїди винесені з таблиці хімічних елементів.
Як електронна конфігурація f-підрівні впливає на властивості металів
Як ми вже говорили раніше, положення лантаноїдіві актиноїдів у періодичній системі безпосередньо визначає їх фізичні та хімічні властивості. Так, іони церію, гадолінію та інших елементів сімейства лантаноїдів мають високі магнітні моменти, що пов'язано з особливостями будови f-підрівні. Це дозволило використовувати метали в якості легуючих добавок для отримання напівпровідників з магнітними властивостями. Сульфіди елементів сімейства актиния (наприклад, сульфід протактиния, торію) у складі своїх молекул мають змішаний тип хімічного зв'язку: іонно-ковалентний або ковалентно-металевий. Ця особливість будови привела до появи нового фізико-хімічного властивості і послужила відповіддю на питання про те, чому лантаноїди і актиноїди володіють люмінесцентними властивостями. Наприклад, зразок актиния сріблястого кольору в темряві світиться блакитним світлом. Це пояснюється дією на іони металів електричного струму, фотонів світла, під впливом яких відбувається порушення атомів, а електрони в них «перескакують» на більш високі енергетичні рівні і потім повертаються на свої стаціонарні орбіти. Саме з цієї причини лантаноїди і актиноїди належать до люмінофора.
Наслідки зменшення іонних радіусів атомів
У лантану і актинія, як і у елементів з їхсімейств, спостерігається монотонне зниження величини показників радіусів іонів металів. У хімії в таких випадках прийнято говорити про лантаноидному і актіноідном стисненні. У хімії встановлена наступна закономірність: зі збільшенням заряду ядра атомів, в разі якщо елементи відносяться до одного і того ж періоду, їх радіуси зменшуються. Пояснити це можна в такий спосіб: у таких металів, як церій, празеодим, неодим, кількість енергетичних рівнів в їх атомах незмінно і дорівнює шести. Однак заряди ядер відповідно збільшуються на одиницю і складають +58, +59, +60. Це означає, що зростає сила тяжіння електронів внутрішніх оболонок до позитивно зарядженого ядра. Як наслідок відбувається зменшення радіусів атомів. У іонних з'єднаннях металів зі збільшенням порядкового номера іонні радіуси також зменшуються. Аналогічні зміни спостерігаються і у елементів сімейства актиния. Ось чому лантаноїди і актиноїди називають близнюками. Зменшення радіусів іонів призводить в першу чергу до послаблення основних властивостей гідроксидів Се (ОН)3, Pr (OH)3, А підстава лютецію вже проявляє амфотерні властивості.
До несподіваних результатів призводить заповнення4f-підрівня неспареними електронами до половини орбіталей у атома европия. У нього радіус атома не зменшується, а, навпаки, збільшується. У наступного за ним в ряду лантаноїдів гадолінію на 5d-підрівні з'являється один електрон 4f-підрівня аналогічно Eu. Така будова викликає стрибкоподібне зменшення радіуса атома гадолінію. Подібне явище спостерігається в парі иттербий - лютеций. У першого елемента радіус атома великий через повну заповнення 4f-підрівня, а у лютецію він стрибкоподібно зменшується, так як на 5d-підрівні спостерігається поява електронів. У актиния та інших радіоактивних елементів цього сімейства радіуси їх атомів і іонів змінюються не монотонно, а, так само як і у лантаноїдів, стрибкоподібно. Таким чином, лантаноїди і актиноїди є елементами, у яких властивості їх сполук коррелятивно залежать від іонного радіуса і будови електронних оболонок атомів.
валентні стану
Лантаноїди і актиноїди є елементами, чиїхарактеристики досить подібні. Зокрема, це стосується їх ступенів окислення в іонах і валентності атомів. Наприклад, торій і протактиний, що проявляють валентність, рівну трьом, в з'єднаннях Th (OH)3, PaCl3, ThF3, Pa2(CO3)3. Всі ці речовини є нерозчинними і маютьті ж хімічні властивості, що і метали з сімейства лантану: церій, празеодим, неодим і т. д. Лантаноїди в цих з'єднаннях також будуть тривалентними. Ці приклади ще раз доводять нам правильність твердження, що лантаноїди і актиноїди - близнята. Вони володіють схожими фізичними і хімічними властивостями. Це можна пояснити насамперед будовою електронних орбіталей у атомів обох сімейств внутрішніх перехідних елементів.
металеві властивості
Всі представники обох груп є металами,у яких добудовуються 4f-, 5f-, а також d-підрівні. Лантан і елементи його сімейства називають рідкоземельними. Їх фізичні і хімічні характеристики настільки близькі, що окремо в лабораторних умовах вони поділяються на превелику силу. Виявляючи найчастіше ступінь окислення +3, елементи ряду лантану мають багато схожих рис з лужноземельними металами (барієм, кальцієм, стронцієм). Актиноїди також є надзвичайно активними металами, до того ж ще і радіоактивними.
Особливості будови лантаноїдів і актиноїдівстосуються і таких властивостей, як, наприклад, пірофорними дрібнодисперсному стані. Спостерігається також зменшення розмірів гранецентрированную кристалічних решіток металів. Додамо, що всі хімічні елементи обох сімейств - це метали з сріблястим блиском, через високу реакційну здатність швидко темніють на повітрі. Вони покриваються плівкою відповідного оксиду, що захищає від подальшого окислення. Всі елементи досить тугоплавкі, за винятком нептунію і плутонію, температура плавлення яких значно нижче 1000 ° С.
Характерні хімічні реакції
Як було зазначено раніше, лантаноїди і актиноїдиє хімічно активними металами. Так, лантан, церій та інші елементи сімейства легко з'єднуються з простими речовинами - галогенами, а також з фосфором, вуглецем. Лантаноїди можуть також взаємодіяти як з монооксидом вуглецю, так і з вуглекислим газом. Вони також здатні розкладати воду. Крім простих солей, наприклад таких як SeCl3 або PrF3, Вони утворюють подвійні солі.В аналітичній хімії важливе місце займають реакції металів-лантаноидов з аминоуксусной і лимонної кислотами. Утворені в результаті таких процесів комплексні сполуки застосовуються для поділу суміші лантаноїдів, наприклад в рудах.
При взаємодії з нітратної, хлоридної ісульфатної кислотами, метали утворюють відповідні солі. Вони добре розчиняються у воді і легко здатні до утворення кристалогідратів. Потрібно відзначити, що водні розчини солей лантаноїдів пофарбовані, що пояснюється присутністю в них відповідних іонів. Розчини солей самарію або празеодіма зеленого кольору, неодиму - червоно-фіолетового, прометия і европия - рожевого. Так як іони зі ступенем окислення +3 пофарбовані, це використовується в аналітичній хімії для розпізнавання іонів металів-лантаноидов (так звані якісні реакції). Для цієї ж мети застосовують ще й такі методи хімічного аналізу, як подрібнена кристалізація та іонообмінна хроматографія.
У актиноидов можна виділити дві групи елементів.Це берклій, фермій, менделевій, нобелій, лоуренсій і уран, нептуній, плутоній, омерецій. Хімічні властивості першої з них подібні до лантану і металам з його сімейства. Елементи другої групи мають дуже схожими хімічними характеристиками (практично ідентичні один одному). Всі актиноїди швидко взаємодіють з неметалами: сірої, азотом, вуглецем. З кислородсодержащими легандамі вони утворюють комплексні сполуки. Як бачимо, метали обох сімейств близькі між собою за хімічним поведінки. Ось чому лантаноїди і актиноїди часто називають металами-близнюками.
Положення в періодичній системі водню, лантаноїдів, актиноїдів
Потрібно враховувати той факт, що водень єдосить реакционноспособним речовиною. Він проявляє себе в залежності від умов хімічної реакції: як відновником, так і окислювачем. Саме тому в періодичній системі водень розташовується одночасно в головних підгрупах відразу двох груп.
У першій водень грає роль відновлювача, які лужні метали, розташовані тут. Місце водню в 7-й групі разом з елементами галогенами вказує на його відновну здатність. У шостому періоді знаходиться, як вже раніше було сказано, сімейство лантаноїдів, винесене в окремий ряд для зручності і компактності таблиці. Сьомий період містить групу радіоактивних елементів, за своїми характеристиками подібним актинії. Актиноїди розташовуються поза таблиці хімічних елементів Д.І. Менделєєва під поруч сімейства лантану. Ці елементи найменш вивчені, так як ядра їх атомів дуже нестійкі через радіоактивності. Нагадаємо, що лантаноїди і актиноїди відносяться до елементів внутрішнім перехідним, а їх фізико-хімічні характеристики дуже близькі між собою.
Загальні способи отримання металів в промисловості
За винятком торію, протактиния і урану,які добувають прямим шляхом з руд, інші актиноїди можна отримати шляхом опромінення зразків металевого урану швидкорухомих потоками нейтронів. У промислових масштабах нептуний і плутоній добувають з відпрацьованого палива ядерних реакторів. Відзначимо, що отримання актиноидов - це досить складний і дорогий процес, основними методами якого є іонний обмін і багатостадійна екстракція. Лантаноїди, які називають рідкоземельними елементами, отримують шляхом електролізу їх хлоридів або фторидів. Щоб добути надчисті лантаноїди, використовують металотермічних метод.
Де застосовують внутрішні перехідні елементи
Спектр використання досліджуваних нами металівдосить широкий. Для сімейства актиния - це, перш за все, ядерну зброю і енергетика. Важливе значення мають актиноїди і в медицині, дефектоскопії, активаційному аналізі. Не можна обійти увагою застосування лантаноїдів і актиноїдів в якості джерел захоплення нейтронів в ядерних реакторах. Лантаноїди ж застосовують в якості легуючих добавок до чавуну і сталі, а також у виробництві люмінофорів.
Поширення в природі
Оксиди актиноидов і лантаноїдів часто називаютьцирконієвої, ториевой, иттриевой землями. Вони є основним джерелом для отримання відповідних металів. Уран, як головний представник актиноидов, знаходиться в зовнішньому шарі літосфери в формі чотирьох видів руд або мінералів. Перш за все, це уранова смілка, що представляє собою двоокис урану. У ній вміст металу найвище. Часто діоксиду урану супроводжують радієві родовища (жили). Вони зустрічаються в Канаді, Франції, Заїрі. Комплекси ториевой і уранової руди часто містять руди інших цінних металів, наприклад золота або срібла.
Запасами такої сировини багаті Росія,Південно-Африканська республіка, Канада і Австралія. У деяких осадових породах міститься мінерал карнотіт. До його складу, крім урану, входить ще і ванадій. Четвертий вид уранової сировини - це фосфатні руди і железоурановие сланці. Їх запаси знаходяться в Марокко, Швеції і США. В даний час перспективними вважаються також поклади лігнітів і кам'яного вугілля, що містять домішки урану. Їх добувають в Іспанії, Чехії, а також в двох американських штатах - Північної і Південної Дакоті.
