A Föld héjában található kémiai elemek mindegyike: a légkör, a litoszféra és a hidroszféra - élénk példaként szolgálhat, megerősítve az atom- és molekulaelmélet, valamint a periodikus törvény alapvető fontosságát. Ezeket a természettudomány fényesei - M. V. Lomonoszov és D. I. Mengyelejev orosz tudósok fogalmazták meg. A lantanidok és az aktinidák két család, amelyek egyenként 14 kémiai elemet tartalmaznak, valamint magukat a fémeket - lantánt és aktinidot. Ezek fizikai és kémiai tulajdonságait vizsgáljuk meg ebben a cikkben. Ezenkívül meg fogjuk állapítani, hogy a hidrogén, lantanidok, aktinidák periodikus rendszerében miként függ az atomok elektronpályáinak szerkezetétől.
Felfedezési előzmények
A 18. század végén Y. Gadolin megszerezte az első vegyületet a ritkaföldfémek csoportjából, az ittrium-oxidot. A 20. század elejéig G. Moseley kémiai kutatásainak köszönhetően ismertté vált egy fémcsoport létezése. A lantán és a hafnium közötti periodikus rendszerben helyezkedtek el. Egy másik kémiai elem - az aktinium, mint a lantán, 14 radioaktív csoportot alkotkémiai elemek úgynevezett aktinidák. Tudományos felfedezésük 1879-től a 20. század közepéig történt. A lantanidok és az aktinidák sok hasonlóságot mutatnak mind fizikai, mind kémiai tulajdonságaiban. Ez magyarázható az elektronok elrendezésével ezeknek a fémeknek az atomjaiban, amelyek energiaszinten vannak, nevezetesen a lantanidok esetében ez a negyedik szintű f-alszint, az aktinidáknál pedig az ötödik szintű f-alszint. Ezután részletesebben megvizsgáljuk a fenti fémek atomjainak elektronhéját.
A belső átmeneti elemek szerkezete az atomi és molekuláris tanítások tükrében
A vegyi anyagok szerkezetének leleményes felfedezése MV Lomonoszov által volt az alapja az atomok elektronhéjának további tanulmányozásának. A kémiai elem elemi részecskéinek szerkezetére vonatkozó Rutherford-modell, M. Planck, F. Gund tanulmányai lehetővé tették a kémikusok számára, hogy megtalálják a helyes magyarázatot a lantanidok és aktinidák fizikai és kémiai tulajdonságainak időszakos változásainak meglévő mintázataira. Lehetetlen figyelmen kívül hagyni D. I. Mengyelejev periodikus törvényének legfontosabb szerepét az átmeneti elemek atomjainak szerkezetének vizsgálatában. Foglalkozzunk ezzel a kérdéssel részletesebben.
A belső átmeneti elemek helye D. I. Mengyelejev periódusos rendszerében
A hatodik – nagyobb periódus harmadik csoportjában – a lantán mögött a cériumtól a lutéciumig terjedő fémcsalád található. A lantán atom 4f alszintje üres, míg a lutécium atomja teljesen megtelt a 14.elektronok. A közöttük elhelyezkedő elemek fokozatosan f-pályákat töltenek ki. Az aktinidák családjában - a tóriumtól a Lawrenciumig - a negatív töltésű részecskék felhalmozódásának ugyanaz az elve figyelhető meg, az egyetlen különbséggel: az elektronokkal való feltöltődés az 5f alszinten történik. A külső energiaszint szerkezete és a rajta lévő negatív részecskék száma (kettővel egyenlő) az összes fenti fém esetében azonos. Ez a tény választ ad arra a kérdésre, hogy a belső átmeneti elemeknek nevezett lantanidok és aktinidák miért van sok hasonlóságban.
A kémiai irodalom egyes forrásaiban mindkét család képviselőit a második oldali alcsoportokba sorolják. Mindegyik családból két fém található. D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periodikus rendszerének rövid formájában e családok képviselőit magától a táblázattól elválasztják, és külön sorokba rendezik. Ezért a lantanidok és aktinidák helyzete a periódusos rendszerben megfelel az atomok szerkezetének általános tervének és a belső szintek elektronokkal való feltöltésének periodicitásának, és az azonos oxidációs állapotok jelenléte a belső átmeneti fémek közös csoportokba való asszociációját okozta.. Bennük a kémiai elemek a lantánnal vagy az aktiniummal egyenértékű tulajdonságokkal és tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezért a lantanidok és aktinidák kikerülnek a kémiai elemek táblázatából.
Hogyan befolyásolja az f-alszint elektronikus konfigurációja a fémek tulajdonságait
Amint korábban említettük, a lantanidok és aktinidák helyzete a periódusbanrendszer közvetlenül meghatározza azok fizikai és kémiai jellemzőit. Így a cérium, gadolínium és a lantanid család más elemeinek ionjai nagy mágneses momentumokkal rendelkeznek, ami az f-alszint szerkezeti jellemzőihez kapcsolódik. Ez lehetővé tette a fémek adalékanyagként történő felhasználását mágneses tulajdonságokkal rendelkező félvezetők előállításához. Az aktinium család elemeinek szulfidjai (például protactinium-szulfid, tórium) molekuláik összetételében vegyes típusú kémiai kötést tartalmaznak: ionos-kovalens vagy kovalens-fém. A szerkezet ezen sajátossága egy új fizikai-kémiai tulajdonság megjelenéséhez vezetett, és válaszul szolgált arra a kérdésre, hogy a lantanidok és aktinidák miért rendelkeznek lumineszcens tulajdonságokkal. Például a sötétben ezüstös kökörcsin minta kékes fénnyel világít. Ennek magyarázata az elektromos áram, a fényfotonok fémionokra gyakorolt hatása, amelyek hatására az atomok gerjesztődnek, és a bennük lévő elektronok magasabb energiaszintekre „ugrálnak”, majd visszatérnek álló pályájukra. Ez az oka annak, hogy a lantanidokat és aktinidákat a foszforok közé sorolják.
Az atomok ionsugarának csökkentésének következményei
A lantánban és az aktíniumban, valamint a családjukból származó elemekben monoton csökkenés tapasztalható a fémionok sugarának mutatóiban. A kémiában ilyenkor lantanid és aktinid tömörítésről szokás beszélni. A kémiában a következő mintát állapították meg: az atommag töltésének növekedésével, ha az elemek ugyanabba a periódusba tartoznak, sugaruk csökken. Ez a következőképpen magyarázhatómódja: olyan fémek esetében, mint a cérium, prazeodímium, neodímium, az atomjaikban lévő energiaszintek száma változatlan, és hat. Az atommagok töltése azonban rendre eggyel nő, és +58, +59, +60. Ez azt jelenti, hogy a belső héjak elektronjainak a pozitív töltésű atommaghoz való vonzóereje megnő. Ennek eredményeként az atomsugár csökken. A fémek ionos vegyületeiben a rendszám növekedésével az ionsugár is csökken. Hasonló változások figyelhetők meg a kökörcsin család elemeiben. Ezért nevezik a lantanidákat és aktinidákat ikreknek. Az ionok sugarának csökkenése mindenekelőtt a Ce(OH)3, Pr(OH)3 hidroxidok alapvető tulajdonságainak gyengüléséhez vezet. ingatlan.
A 4f-alszint feltöltése párosítatlan elektronokkal az európium atom pályájának legfeljebb feléig nem várt eredményekhez vezet. Atomsugár nem csökken, hanem éppen ellenkezőleg, növekszik. A lantanidok sorozatában őt követő gadolínium egy elektronnal rendelkezik a 4f alszinten az 5d alszinten, hasonlóan az Eu-hoz. Ez a szerkezet a gadolínium atom sugarának hirtelen csökkenését okozza. Hasonló jelenség figyelhető meg az itterbium-lutécium párban. Az első elemnél a 4f részszint teljes kitöltése miatt nagy az atomsugár, míg a lutéciumnál ugrásszerűen csökken, mivel az 5d alszinten elektronok megjelenése figyelhető meg. Az aktiniumban és e család többi radioaktív elemében atomjaik és ionjaik sugara nem monoton, hanem a lantanidokokhoz hasonlóan lépcsőzetesen változik. Így a lantanidok ésAz aktinidák olyan elemek, amelyek vegyületeik tulajdonságai korrelatív módon függenek az ionsugártól és az atomok elektronhéjának szerkezetétől.
Valencia állapotok
A lantanidák és aktinidák olyan elemek, amelyek jellemzői meglehetősen hasonlóak. Ez különösen vonatkozik az ionok oxidációs állapotára és az atomok vegyértékére. Például a tórium és a protactinium, amelyek vegyértéke három, a Th(OH)3, PaCl3, ThF vegyületekben. 3 , Pa2(CO3)3. Ezek az anyagok oldhatatlanok, és ugyanolyan kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a lantáncsalád fémei: cérium, prazeodímium, neodímium stb. Az ezekben a vegyületekben lévő lantanidok szintén háromértékűek. Ezek a példák ismét bebizonyítják számunkra annak az állításnak a helyességét, hogy a lantanidák és az aktinidák ikrek. Hasonló fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ez elsősorban a belső átmeneti elemek mindkét családjának atomjai elektronpályáinak szerkezetével magyarázható.
Fémtulajdonságok
Mindkét csoport minden képviselője fém, amelyekben a 4f-, 5f- és d-alszintek is teljesülnek. A lantánt és családjának elemeit ritkaföldfémeknek nevezik. Fizikai és kémiai tulajdonságaik olyan közel állnak egymáshoz, hogy laboratóriumi körülmények között nagy nehézségek árán különválaszthatók. A leggyakrabban +3 oxidációs fokot mutató lantán sorozat elemei sok hasonlóságot mutatnak az alkáliföldfémekkel (bárium, kalcium, stroncium). Az aktinidák szintén rendkívül aktív fémek, és radioaktívak is.
A lantanidok és aktinidák szerkezeti jellemzői olyan tulajdonságokkal is kapcsolatosak, mint például a piroforitás finoman eloszlatott állapotban. A fémek felületközpontú kristályrácsainak méretének csökkenése is megfigyelhető. Hozzátesszük, hogy mindkét család összes kémiai eleme ezüstös fényű fém, nagy reakcióképességük miatt gyorsan elsötétül a levegőben. A megfelelő oxidréteggel vannak bevonva, amely véd a további oxidációtól. Minden elem megfelelően tűzálló, kivéve a neptuniumot és a plutóniumot, amelyek olvadáspontja jóval 1000 °C alatt van.
Jellemző kémiai reakciók
Amint azt korábban említettük, a lantanidok és az aktinidák reaktív fémek. Tehát a lantán, a cérium és a család más elemei könnyen kombinálhatók egyszerű anyagokkal - halogénekkel, valamint foszforral, szénnel. A lantanidok kölcsönhatásba léphetnek szén-monoxiddal és szén-dioxiddal is. Képesek a víz lebontására is. Az egyszerű sókon kívül, mint például a SeCl3 vagy a PrF3, kettős sókat képeznek. Az analitikai kémiában fontos helyet foglalnak el a lantanid fémek amino-ecetsavval és citromsavval való reakciói. Az ilyen eljárások eredményeként képződött komplex vegyületeket lantanidok elegyének elválasztására használják, például ércekben.
Nitráttal, kloriddal és szulfátsavakkal, fémekkel való kölcsönhatáskorképezik a megfelelő sókat. Vízben jól oldódnak és könnyen kristályos hidrátokat képeznek. Meg kell jegyezni, hogy a lantanidsók vizes oldatai színesek, ami a megfelelő ionok jelenlétével magyarázható. A szamárium vagy prazeodímium sók oldatai zöldek, neodímium - vörös-ibolya, prométium és európium - rózsaszín. Mivel a +3 oxidációs állapotú ionok színesek, ezt használják az analitikai kémiában a lantanid fémionok felismerésére (úgynevezett kvalitatív reakciók). Ugyanebből a célból kémiai elemzési módszereket is alkalmaznak, mint például a frakcionált kristályosítást és az ioncserélő kromatográfiát.
Az aktinidák két elemcsoportra oszthatók. Ezek a berkelium, fermium, mendelevium, nobélium, Lawrencium és urán, neptunium, plutónium, omercium. Ezek közül az első kémiai tulajdonságai hasonlóak a lantánéhoz és a családjába tartozó fémekhez. A második csoport elemei nagyon hasonló kémiai jellemzőkkel rendelkeznek (majdnem azonosak egymással). Minden aktinid gyorsan kölcsönhatásba lép nemfémekkel: kénnel, nitrogénnel, szénnel. Oxigéntartalmú legendákkal ellátott összetett vegyületeket képeznek. Amint látjuk, mindkét család fémei kémiai viselkedésükben közel állnak egymáshoz. Ezért nevezik a lantanidokat és aktinidákat gyakran ikerfémeknek.
Pozíció a hidrogén, lantanidok, aktinidák periodikus rendszerében
Figyelembe kell venni azt a tényt, hogy a hidrogén meglehetősen reaktív anyag. A kémiai reakció körülményeitől függően nyilvánul meg: redukálószerként és oxidálószerként egyaránt. Éppen ezért a periódusos rendszerbena hidrogén egyszerre két csoport fő alcsoportjában helyezkedik el.
Az elsőben a hidrogén redukálószer szerepet játszik, mint az itt található alkálifémek. A hidrogén helye a 7. csoportban a halogén elemekkel együtt jelzi redukáló képességét. A hatodik időszakban, mint már említettük, a lantanid család található, külön sorban elhelyezve az asztal kényelme és tömörsége érdekében. A hetedik periódus az aktiniumhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkező radioaktív elemek csoportját tartalmazza. Az aktinidák D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek táblázatán kívül találhatók a lantáncsalád sorában. Ezeket az elemeket vizsgálják a legkevésbé, mivel atommagjaik a radioaktivitás miatt nagyon instabilok. Emlékezzünk vissza, hogy a lantanidok és az aktinidák belső átmeneti elemek, és fizikai-kémiai jellemzőik nagyon közel állnak egymáshoz.
Általános módszerek a fémek előállítására az iparban
A tórium, a protaktinium és az urán kivételével, amelyeket közvetlenül ércekből bányásznak, az aktinidák többi része fémuránminták gyors mozgású neutronáramokkal történő besugárzásával nyerhető. Ipari méretekben a neptúniumot és a plutóniumot az atomreaktorokból származó kiégett fűtőelemekből bányászják. Megjegyzendő, hogy az aktinidák előállítása meglehetősen bonyolult és költséges folyamat, melynek fő módszerei az ioncsere és a többlépcsős extrakció. A lantanidokat, amelyeket ritkaföldfém-elemeknek neveznek, kloridjaik vagy fluoraik elektrolízisével nyerik. A metalloterm módszert az ultratiszta lantanidok kivonására használják.
Ahol belső átmeneti elemeket használnak
Az általunk vizsgált fémek felhasználási köre meglehetősen széles. A kökörcsin család számára ez mindenekelőtt a nukleáris fegyverek és az energia. Az aktinidák az orvostudományban, a hibák felderítésében és az aktivációs elemzésben is fontosak. Lehetetlen figyelmen kívül hagyni a lantanidok és aktinidák neutronbefogási forrásként való felhasználását az atomreaktorokban. A lantanidokat öntöttvas és acél ötvözőadalékaként, valamint foszforgyártásban is használják.
terjed a természetben
Az aktinidák és lantanidok oxidjait gyakran cirkónium-, tórium- és ittriumföldnek nevezik. Ezek jelentik a megfelelő fémek kinyerésének fő forrását. Az urán, mint az aktinidák fő képviselője, a litoszféra külső rétegében található négyféle érc vagy ásvány formájában. Először is az uránszurok, ami urán-dioxid. Ennek a legmagasabb a fémtartalma. Az urán-dioxidot gyakran rádiumlerakódások (vénák) kísérik. Kanadában, Franciaországban, Zaire-ben találhatók. A tórium- és uránérc komplexek gyakran tartalmaznak más értékes fémek, például arany vagy ezüst érceit is.
Az ilyen nyersanyagok készletei gazdagok Oroszországban, Dél-Afrikában, Kanadában és Ausztráliában. Néhány üledékes kőzet tartalmaz karnotit ásványt. Az uránon kívül vanádiumot is tartalmaz. Negyedikaz urán nyersanyag típusa a foszfátércek és a vas-urán pala. Tartalékaik Marokkóban, Svédországban és az USA-ban találhatók. Jelenleg az uránszennyeződéseket tartalmazó lignit- és szénlelőhelyek is ígéretesnek tekinthetők. Spanyolországban, a Cseh Köztársaságban, valamint az Egyesült Államok két államában – Észak- és Dél-Dakotában – bányásznak.
