Jokainen Maan kuorissa esiintyvistä kemiallisista alkuaineista: ilmakehä, litosfääri ja hydrosfääri - voivat toimia elävänä esimerkkinä, joka vahvistaa atomi- ja molekyyliteorian ja jaksollisen lain perustavanlaatuisen merkityksen. Ne ovat muotoiltu luonnontieteen valoisat venäläiset tutkijat M. V. Lomonosov ja D. I. Mendeleev. Lantanidit ja aktinidit ovat kaksi perhettä, jotka sisältävät kukin 14 kemiallista alkuainetta sekä itse metallit - lantaanin ja aktiniumin. Käsittelemme niiden ominaisuuksia - sekä fysikaalisia että kemiallisia - tässä artikkelissa. Lisäksi selvitämme, kuinka vedyn, lantanidien ja aktinidien sijainti jaksollisessa järjestelmässä riippuu niiden atomien elektronisten kiertoratojen rakenteesta.
Löytöhistoria
1700-luvun lopulla Y. Gadolin sai ensimmäisen yhdisteen harvinaisten maametallien ryhmästä - yttriumoksidin. 1900-luvun alkuun asti G. Moseleyn kemian tutkimuksen ansiosta tiedettiin metalliryhmän olemassaolosta. Ne sijaitsivat jaksollisessa järjestelmässä lantaanin ja hafniumin välillä. Toinen kemiallinen alkuaine - aktinium, kuten lantaani, muodostaa 14 radioaktiivisen perheenkemiallisia alkuaineita, joita kutsutaan aktinideiksi. Heidän löytönsä tieteessä tapahtui vuodesta 1879 1900-luvun puoliväliin. Lantanideilla ja aktinideilla on paljon yhtäläisyyksiä sekä fysikaalisissa että kemiallisissa ominaisuuksissa. Tämä voidaan selittää elektronien järjestelyllä näiden energiatasoilla olevien metallien atomeissa, nimittäin lantanideille tämä on neljännen tason f-alataso ja aktinideille - viidennen tason f-alataso. Seuraavaksi tarkastellaan yksityiskohtaisemmin yllä olevien metallien atomien elektronikuoria.
Sisäisten siirtymäelementtien rakenne atomi- ja molekyylioppien valossa
MV Lomonosovin nerokas löytö kemikaalien rakenteesta oli perusta atomien elektronikuorten jatkotutkimukselle. Rutherfordin malli kemiallisen alkuaineen alkuainehiukkasen rakenteesta, M. Planckin, F. Gundin tutkimukset, antoivat kemistille mahdollisuuden löytää oikea selitys olemassa oleville fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien jaksoittaisten muutosten malleille, jotka ovat ominaisia lantanideille ja aktinideille. On mahdotonta sivuuttaa D. I. Mendelejevin jaksollisen lain tärkeintä roolia siirtymäelementtien atomien rakenteen tutkimuksessa. Mietitään tätä asiaa tarkemmin.
Sisäisten siirtymäelementtien paikka D. I. Mendelejevin jaksollisessa taulukossa
Kuudennen - suuremman jakson - kolmannessa ryhmässä lantaanin takana on metalliperhe, joka vaihtelee ceriumista lutetiumiin mukaan lukien. Lantaaniatomin alataso 4f on tyhjä, kun taas lutetiumatomi on täysin täytetty 14:nnelläelektroneja. Niiden välissä olevat elementit täyttävät vähitellen f-orbitaaleja. Aktinidiperheessä - toriumista lawrenciumiin - havaitaan sama negatiivisesti varautuneiden hiukkasten kertymisen periaate ainoalla erolla: elektronien täyttyminen tapahtuu 5f-alatasolla. Ulkoisen energiatason rakenne ja siinä olevien negatiivisten hiukkasten lukumäärä (yhtä kuin kaksi) ovat samat kaikille edellä mainituille metalleille. Tämä tosiasia vastaa kysymykseen, miksi lantanideilla ja aktinideilla, joita kutsutaan sisäisiksi siirtymäelementeiksi, on monia yhtäläisyyksiä.
Joissakin kemian kirjallisuuden lähteissä molempien perheiden edustajat yhdistetään toisiin alaryhmiin. Ne sisältävät kaksi metallia jokaisesta perheestä. D. I. Mendelejevin jaksollisen kemiallisten elementtien järjestelmän lyhyessä muodossa näiden perheiden edustajat erotetaan itse taulukosta ja on järjestetty erillisiin riveihin. Siksi lantanidien ja aktinidien sijainti jaksollisessa järjestelmässä vastaa atomien rakenteen yleistä suunnitelmaa ja sisäisten tasojen elektroneilla täyttymisen jaksollisuutta, ja samojen hapetustilojen läsnäolo aiheutti sisäisten siirtymämetallien yhdistymisen yhteisiksi ryhmiksi.. Niissä kemiallisilla alkuaineilla on lantaania tai aktiniumia vastaavia ominaisuuksia ja ominaisuuksia. Tästä syystä lantanidit ja aktinidit on poistettu kemiallisten alkuaineiden taulukosta.
Miten f-alatason elektroninen konfiguraatio vaikuttaa metallien ominaisuuksiin
Kuten sanoimme aiemmin, lantanidien ja aktinidien asema jaksoissajärjestelmä määrittää suoraan niiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Siten ceriumin, gadoliniumin ja muiden lantanidiperheen alkuaineiden ioneilla on korkeat magneettiset momentit, mikä liittyy f-alatason rakenteellisiin ominaisuuksiin. Tämä mahdollisti metallien käytön lisäaineina magneettisten ominaisuuksien omaavien puolijohteiden saamiseksi. Aktiniumperheen alkuaineiden sulfideilla (esimerkiksi protaktiiniumin sulfidilla, toriumilla) on niiden molekyylien koostumuksessa sekatyyppinen kemiallinen sidos: ioni-kovalenttinen tai kovalenttinen metalli. Tämä rakenteen ominaisuus johti uuden fysikaalis-kemiallisen ominaisuuden syntymiseen ja toimi vastauksena kysymykseen, miksi lantanideilla ja aktinideilla on luminoivia ominaisuuksia. Esimerkiksi pimeässä hopeanhohtoinen anemone-näyte hohtaa sinertävällä hehkulla. Tämä selittyy sähkövirran vaikutuksella, valon fotonit metalli-ioneissa, joiden vaikutuksesta atomit kiihtyvät, ja niissä olevat elektronit "hyppäävät" korkeammalle energiatasolle ja palaavat sitten paikallaan oleville kiertoradoilleen. Tästä syystä lantanidit ja aktinidit luokitellaan fosforiksi.
Atomien ionisäteiden pienenemisen seuraukset
Lantaanissa ja aktiniumissa sekä niiden perheissä olevissa alkuaineissa metalli-ionien säteiden indikaattoreiden arvo laskee monotonisesti. Kemiassa tällaisissa tapauksissa on tapana puhua lantanidin ja aktinidin puristamisesta. Kemiassa on todettu seuraava malli: atomiytimen varauksen kasvaessa, jos alkuaineet kuuluvat samaan ajanjaksoon, niiden säteet pienenevät. Tämä voidaan selittää seuraavastitapa: sellaisten metallien kuten cerium, praseodyymi, neodyymi, energiatasojen lukumäärä niiden atomeissa on muuttumaton ja yhtä suuri kuin kuusi. Kuitenkin ytimien varaukset vastaavasti kasvavat yhdellä ja ovat +58, +59, +60. Tämä tarkoittaa, että sisäkuorten elektronien vetovoima positiivisesti varautuneeseen ytimeen kasvaa. Tämän seurauksena atomisäteet pienenevät. Metallien ionisissa yhdisteissä atomiluvun kasvaessa myös ionisäteet pienenevät. Samanlaisia muutoksia havaitaan anemone-perheen elementeissä. Tästä syystä lantanideja ja aktinideja kutsutaan kaksosiksi. Ionien säteiden pieneneminen johtaa ennen kaikkea hydroksidien Ce(OH)3, Pr(OH)3 perusominaisuuksien heikkenemiseen. kiinteistöä.
4f-alatason täyttyminen parittomilla elektroneilla jopa puoleen europiumatomin kiertoradoista johtaa odottamattomiin tuloksiin. Sen atomisäde ei pienene, vaan päinvastoin kasvaa. Gadoliniumilla, joka seuraa sitä lantanidien sarjassa, on yksi elektroni 4f-alatasolla 5d-alatasolla, samoin kuin Eu. Tämä rakenne aiheuttaa äkillisen pienenemisen gadoliniumatomin säteessä. Samanlainen ilmiö havaitaan ytterbium-lutetium-parissa. Ensimmäisen alkuaineen atomin säde on suuri johtuen 4f-alitason täydellisestä täyttymisestä, kun taas lutetiumilla se pienenee äkillisesti, koska elektronien esiintyminen havaitaan 5d-alatasolla. Aktiinissa ja muissa tämän perheen radioaktiivisissa alkuaineissa niiden atomien ja ionien säteet eivät muutu monotonisesti, vaan lantanidien tapaan portaittain. Siten lantanidit jaaktinidit ovat alkuaineita, joiden yhdisteiden ominaisuudet riippuvat suhteellisesti ionisäteestä ja atomien elektronikuoren rakenteesta.
Valenssitilat
Lantanidit ja aktinidit ovat alkuaineita, joiden ominaisuudet ovat melko samanlaiset. Tämä koskee erityisesti niiden hapetusastetta ioneissa ja atomien valenssia. Esimerkiksi torium ja protaktinium, joiden valenssi on kolme, yhdisteissä Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Kaikki nämä aineet ovat liukenemattomia ja niillä on samat kemialliset ominaisuudet kuin lantaaniperheen metalleilla: cerium, praseodyymi, neodyymi jne. Näissä yhdisteissä olevat lantanidit ovat myös kolmiarvoisia. Nämä esimerkit todistavat meille jälleen kerran sen väitteen oikeellisuuden, että lantanidit ja aktinidit ovat kaksosia. Niillä on samanlaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Tämä voidaan selittää ensisijaisesti sisäisten siirtymäelementtien molempien perheiden atomien elektroniradan rakenteella.
Metallin ominaisuudet
Kaikki molempien ryhmien edustajat ovat metalleja, joissa 4f-, 5f- ja myös d-alatasot täyttyvät. Lantaania ja sen perheen alkuaineita kutsutaan harvinaisiksi maametalliksi. Niiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ovat niin läheiset, että ne erotetaan toisistaan laboratorio-olosuhteissa erittäin vaikeasti. Lantaanisarjan alkuaineilla, joiden hapettumisaste on useimmiten +3, on monia yhtäläisyyksiä maa-alkalimetallien (barium, kalsium, strontium) kanssa. Aktinidit ovat myös erittäin aktiivisia metalleja, ja ne ovat myös radioaktiivisia.
Lantanidien ja aktinidien rakenteelliset ominaisuudet liittyvät myös sellaisiin ominaisuuksiin kuin esimerkiksi pyroforisuus hienojakoisessa tilassa. Myös metallien pintakeskittyneiden kidehilojen koon pienenemistä havaitaan. Lisäämme, että molempien perheiden kaikki kemialliset alkuaineet ovat hopeanhohtoisia metalleja, jotka korkean reaktiivisuutensa vuoksi tummuvat nopeasti ilmassa. Ne on peitetty vastaavan oksidin kalvolla, joka suojaa lisähapettumiselta. Kaikki alkuaineet ovat riittävän tulenkestäviä, lukuun ottamatta neptuniumia ja plutoniumia, joiden sulamispiste on selvästi alle 1000 °C.
Tuoomaiset kemialliset reaktiot
Kuten aiemmin todettiin, lantanidit ja aktinidit ovat reaktiivisia metalleja. Joten lantaani, cerium ja muut perheen elementit yhdistyvät helposti yksinkertaisten aineiden - halogeenien sekä fosforin, hiilen kanssa. Lantanidit voivat myös olla vuorovaikutuksessa sekä hiilimonoksidin että hiilidioksidin kanssa. Ne pystyvät myös hajottamaan vettä. Yksinkertaisten suolojen, kuten SeCl3 tai PrF3, lisäksi ne muodostavat kaksoissuoloja. Analyyttisessä kemiassa lantanidimetallien reaktiot aminoetikka- ja sitruunahapon kanssa ovat tärkeässä asemassa. Tällaisten prosessien tuloksena muodostuneita kompleksisia yhdisteitä käytetään lantanidien seoksen erottamiseen esimerkiksi malmeista.
Vuorovaikutuksessa nitraatti-, kloridi- ja sulfaattihappojen, metallien kanssamuodostavat vastaavat suolat. Ne liukenevat hyvin veteen ja pystyvät helposti muodostamaan kiteisiä hydraatteja. On huomattava, että lantanidisuolojen vesiliuokset ovat värillisiä, mikä selittyy vastaavien ionien läsnäololla niissä. Samarium- tai praseodyymisuolojen liuokset ovat vihreitä, neodyymi - punavioletteja, prometium ja europium - vaaleanpunaisia. Koska ionit, joiden hapetusaste on +3, ovat värillisiä, sitä käytetään analyyttisessä kemiassa lantanidimetalli-ionien tunnistamiseen (ns. kvalitatiiviset reaktiot). Samaa tarkoitusta varten käytetään myös kemiallisia analyysimenetelmiä, kuten fraktiokiteytys ja ioninvaihtokromatografia.
Aktinidit voidaan jakaa kahteen alkuaineryhmään. Näitä ovat berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium ja uraani, neptunium, plutonium, omercium. Näistä ensimmäisen kemialliset ominaisuudet ovat samank altaisia kuin lantaanilla ja sen perheessä olevilla metalleilla. Toisen ryhmän alkuaineilla on hyvin samanlaiset kemialliset ominaisuudet (melkein identtiset keskenään). Kaikki aktinidit ovat nopeasti vuorovaikutuksessa ei-metallien kanssa: rikki, typpi, hiili. Ne muodostavat monimutkaisia yhdisteitä happea sisältävien legendojen kanssa. Kuten näemme, molempien ryhmien metallit ovat kemiallisesti lähellä toisiaan. Tästä syystä lantanideja ja aktinideja kutsutaan usein kaksoismetalleiksi.
Sijainti vedyn, lantanidien, aktinidien jaksollisessa järjestelmässä
On otettava huomioon se tosiasia, että vety on melko reaktiivinen aine. Se ilmenee kemiallisen reaktion olosuhteista riippuen: sekä pelkistimenä että hapettavana aineena. Siksi jaksollisessa järjestelmässävety sijaitsee samanaikaisesti kahden ryhmän pääalaryhmissä kerralla.
Ensimmäisessä tapauksessa vety toimii pelkistimenä, kuten täällä sijaitsevat alkalimetallit. Vedyn paikka 7. ryhmässä yhdessä halogeenien kanssa osoittaa sen pelkistyskyvyn. Kuudennessa jaksossa, kuten jo mainittiin, lantanidiperhe sijaitsee, sijoitettuna erilliseen riviin pöydän mukavuuden ja tiiviyden vuoksi. Seitsemäs jakso sisältää ryhmän radioaktiivisia alkuaineita, jotka ovat ominaisuuksiltaan samanlaisia kuin aktinium. Aktinidit sijaitsevat D. I. Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden taulukon ulkopuolella lantaaniperheen rivin alla. Nämä alkuaineet ovat vähiten tutkittuja, koska niiden atomien ytimet ovat erittäin epävakaita radioaktiivisuuden vuoksi. Muista, että lantanidit ja aktinidit ovat sisäisiä siirtymäelementtejä ja niiden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ovat hyvin lähellä toisiaan.
Yleiset menetelmät metallien valmistukseen teollisuudessa
Lukuun ottamatta toriumia, protaktiiniumia ja uraania, jotka louhitaan suoraan malmeista, loput aktinidit voidaan saada säteilyttämällä metallisen uraanin näytteitä nopeasti liikkuvilla neutronivirroilla. Teollisessa mittakaavassa neptuniumia ja plutoniumia louhitaan ydinreaktorien käytetystä polttoaineesta. Huomaa, että aktinidien tuotanto on melko monimutkainen ja kallis prosessi, jonka päämenetelmät ovat ioninvaihto ja monivaiheinen uutto. Lantanideja, joita kutsutaan harvinaisiksi maametalliksi, saadaan niiden kloridien tai fluoridien elektrolyysillä. Ultrapuhtaiden lantanidien uuttamiseen käytetään metallotermistä menetelmää.
Missä käytetään sisäisiä siirtymäelementtejä
Tutkimiemme metallien käyttöalue on melko laaja. Anemone-perheelle tämä on ennen kaikkea ydinaseita ja energiaa. Aktinidit ovat tärkeitä myös lääketieteessä, vikojen havaitsemisessa ja aktivaatioanalyysissä. Lantanidien ja aktinidien käyttöä neutronien sieppauksen lähteinä ydinreaktoreissa on mahdotonta sivuuttaa. Lantanideja käytetään myös valuraudan ja teräksen seosainelisäaineina sekä fosforien valmistuksessa.
Levittää luonnossa
Aktinidien ja lantanidien oksideja kutsutaan usein zirkonium-, torium- ja yttriummaaksi. Ne ovat päälähde vastaavien metallien saamiseksi. Uraania aktinidien pääedustajana löytyy litosfäärin ulkokerroksesta neljän tyyppisen malmin tai mineraalin muodossa. Ensinnäkin se on uraanipikeä, joka on uraanidioksidia. Siinä on korkein metallipitoisuus. Usein uraanidioksidiin liittyy radiumkertymiä (suonia). Niitä löytyy Kanadasta, Ranskasta ja Zairesta. Torium- ja uraanimalmikompleksit sisältävät usein muiden arvometallien, kuten kullan tai hopean, malmeja.
Tällaisten raaka-aineiden varastot ovat runsaat Venäjällä, Etelä-Afrikassa, Kanadassa ja Australiassa. Jotkut sedimenttikivet sisältävät karnotiittia. Uraanin lisäksi se sisältää myös vanadiinia. Neljäsuraanin raaka-aineen tyyppi on fosfaattimalmit ja rauta-uraaniliuskeet. Niiden varastot sijaitsevat Marokossa, Ruotsissa ja Yhdysvalloissa. Tällä hetkellä myös uraaniepäpuhtauksia sisältäviä ruskohiilen ja kivihiilen esiintymiä pidetään lupaavina. Niitä louhitaan Espanjassa, Tšekin tasavallassa ja myös kahdessa Yhdysv altain osav altiossa - Pohjois- ja Etelä-Dakotassa.
