Lantanidele și actinidele: poziția în tabelul periodic

Fiecare dintre elementele chimice prezentate în cojile Pământului: atmosfera și litosferă hidrosferă - poate servi ca un exemplu luminos care confirmă învățăturile atomice și moleculare fundamentale de drept periodice. Ei au fost formulate de către luminătorii de Natural History - oamenii de știință ruși M. V. Lomonosovym și D. I. Mendeleevym. Lantanide și Actinide - două familii, care cuprind 14 elemente chimice, precum și metalele înseși - lantan și actiniului. Proprietățile lor - atât fizice și chimice - care urmează să fie abordate de către noi în această lucrare. În plus, determinăm poziția în sistemul periodic al hidrogenului, lantanide, actinide depinde de structura orbitali de electroni de atomi.

Istoria descoperirii

In secolul al 18-lea Yu gadolinium au fost obținute prin primul compus din grupa de metale pământuri rare - oxid de ytriu. Până la începutul secolului 20, datorită cercetării de către G. Moseley în chimie a devenit conștient de existența unui grup de metale. Acestea au fost amplasate în tabelul periodic între lantan și hafniu. Un alt element chimic - actiniu, lantan ca și , formează o familie de 14 radioactive elemente chimice, aceste actinide. Descoperirea lor în știință sa întâmplat din 1879 până la mijlocul secolului al 20-lea. Lantanide și actinide au o mulțime de similitudini în proprietățile fizice și chimice. Acest lucru poate fi explicat aranjament de electroni din atomii acestor metale, care sunt în nivelurile de energie, și anume lantanidă este al patrulea nivel de f-subnivel și pentru actinide - al cincilea nivel de f-subnivel. În continuare, considerăm cojile de electroni de atomi ai metalelor menționate mai sus, mai în detaliu.

Structura elementelor de tranziție interioare în lumina teoriei atomo-molecular

Descoperirea Brilliant structurii chimice M. V. Lomonosova a fost baza pentru un studiu mai aprofundat al cochiliilor de electroni de atomi. Modelul Rutherford structurii particulelor elementare a unui element chimic, cercetarea Max Planck, F. Hund permis chimiști pentru a găsi explicația corectă a legilor existente ale variației periodice a proprietăților fizice și chimice, care sunt caracterizate de lantanide și actinide. Nu poți ignora rolul vital al legii periodice D. I. Mendeleeva în studiul structurii atomilor elementelor de tranziție. Să examinăm această problemă în detaliu.

Se pune elemente de tranziție interioare în sistemul periodic D. I. Mendeleeva

In al treilea grup de a șasea - o perioadă mai lungă - pentru metalul de familie este lantan, ceriu și aranjate la lutețiu inclusiv. La lantan atom 4f-subnivel gol și umplut complet în electroni lutețiu 14. La elemente dispuse între acestea, există o umplere treptată a f-orbitali. În familia actinidelor - de la toriului la lawrenciu - Același principiu se observă acumularea de particule încărcate negativ cu singura diferență că are loc în electroni de umplere 5f-subnivelul. Structura nivelului de energie externă și numărul particulelor negative, pe acesta (egal cu doi), în toate metalele de mai sus aceleași. Acest fapt răspunde la întrebarea de ce lantanide și actinide, numite elemente de tranziție interioare, au multe similitudini.

Unele surse din literatura chimică a ambelor familii sunt combinate în a doua parte a subgrupului. Ele conțin două metale din fiecare familie. În forma scurtă a sistemului periodic al elementelor chimice reprezentanții DI Mendeleev acestor familii sunt izolate de masă în sine și aranjate pe rânduri separate. Prin urmare, poziția actinidelor și lantanide în sistemul periodic corespunde planului general al structurii atomilor și electronilor în nivelele interioare periodicitate de umplere și prezența aceleiași oxidare cauzate agregarea metalelor de tranziție interne în grupul general. In aceste elemente chimice au caracteristici și proprietăți lantan sau actiniu echivalente. De aceea, lantanide și actinide eliminate din tabelul elementelor chimice.

Deoarece configurația electronică a f-subnivel influențează proprietățile metalelor

Așa cum am spus înainte, poziția lantanide și actinide în sistemul periodic determină în mod direct caracteristicile lor fizice și chimice. De exemplu, ionii de ceriu, gadoliniu și alte elemente ale familiei lantanide au momente magnetice mari din cauza caracteristicilor structurale ale f-subnivel. Este posibil să se utilizeze metale ca dopanți pentru producerea de semiconductori cu proprietăți magnetice. Sulfurilor elemente de familie actiniului ( de exemplu, sulfura protactiniu, toriu) , în moleculele lor au un amestec tip de legare chimică: ionic sau covalent covalent-metalic. Această caracteristică structurală a dus la apariția unor noi proprietăți fizice și chimice și va servi drept un răspuns la întrebarea de ce lantanide și actinide au proprietăți fluorescente. De exemplu, o probă de argint actinium strălucește în lumina albăstruie întuneric. Acest lucru se datorează acțiunii ionilor metalici electrice de curent, fotoni de lumină, care are loc sub influența excitarea atomilor și electronii în acesta „salt“ la un nivel de energie mai mare și apoi să se întoarcă la orbita lor staționare. Acesta este motivul pentru care lantanide și actinide sunt fosforescente.

Consecințele reducerii razelor ionice a atomilor

La lantan și actiniului, ca elemente din familiile lor, o scădere monotonă a indicatorilor de mărime raze de ioni metalici. În chimie, în astfel de cazuri, pentru a vorbi de compresie lantanide și actinide. Chimia set model următor: cu creșterea de încărcare a nucleului atomilor, atunci când elementele aparțin uneia și aceleiași perioade și scăderea lor raze. Acest lucru poate fi explicat după cum urmează: pentru metale, cum ar fi ceriu, praseodim, neodim, numărul de nivele de energie ale atomilor și întotdeauna egal cu șase. Cu toate acestea, respectiv, taxe nucleelor incrementat cu unu și constituie +58, +59, +60. Acest lucru înseamnă că, crește forța de atracție a cochilii interioare ale electronilor spre nucleul încărcat pozitiv. Ca urmare există o reducere a razelor atomilor. Compușii metalici ionice cu creșterea numărului atomic al razelor ionice sunt de asemenea reduse. Modificări similare au fost observate în familia elemente actinium. De aceea, lantanide și actinide sunt numite gemeni. Reducerea razelor ion duce în primul rând la o slăbire a proprietăților de bază ale hidroxizii Ce (OH) _3, Pr (OH) _3, iar baza de lutețiu prezintă deja proprietăți amfoteri.

Rezultate neașteptate conduce umplere-4f subnivel electroni nepereche în orbitalii la jumătate atomul europiu. El atom raza nu este redusă, ci mai degrabă a crescut. Urmînd în seria de gadoliniu lantanidelor 5d-subnivel, există un electron 4f-subnivel similar cu Eu. O astfel de structură determină o scădere bruscă în raza atomilor gadoliniu. Un fenomen similar se observă într-o pereche de ytterbium - lutețiu. Primul element al razei atom al unei mari datorită pentru a finaliza umplerea 4f-subnivel, în timp ce lutețiu scade brusc ca aspectul observat electron-5d subnivel. În actiniu și alte elemente radioactive în această familie de raze atomi și ioni nu se schimbă uniform, ci și cea a lantanide, în salturi. Astfel, lantanide și actinide sunt elemente în care proprietățile compușilor lor depinde în mod corelativ pe raza ionică și structura cojile de electroni ai atomilor.

stări de valență

Lantanide și Actinide sunt elemente ale căror caracteristici sunt destul de asemănătoare. În special, aceasta se referă la stările de oxidare în ionii de valență și atomi. De exemplu, toriu, protactiniu, care prezintă o valență de trei, în compușii Th (OH) _3, Pácl _3, Tetrahidrofuranul ₃ Pa ₂ (CO _{3) 3.} Toate aceste substanțe sunt insolubile și au aceleași proprietăți chimice ca metalele din familia lantan: .., ceriu, praseodim, neodim, și așa mai departe în Lantanide acestor compuși vor fi, de asemenea, trivalent. Aceste exemple dovedesc corectitudinea afirmației noastre că lantanide și actinidele - gemeni. Ei au proprietăți fizice și chimice similare. Acest lucru poate fi explicat în primul rând structura orbitali de electroni în atomi ambelor familii de elemente de tranziție interne.

proprietăți metalice

Toți reprezentanții celor două grupuri sunt metale care au nefinalizarea 4f-, 5f-, precum și d-subnivele. Lantan și elemente de pământuri rare numit familia lui. Caracteristicile lor fizice și chimice sunt atât de asemănătoare încât separat în condiții de laborator, ele sunt separate cu mare dificultate. Se afișează adesea starea de oxidare +3, elemente din seria lantan au multe similarități cu metale alcalino - pământoase (bariu, calciu, stronțiu). Actinide sunt, de asemenea, metale extrem de activi, în plus, de asemenea, radioactive.

Caracteristici structurale ale lantanide și actinide și proprietățile tactile, cum ar fi, de exemplu, fin divizat piroforice. Există, de asemenea, o reducere a dimensiunii laticilor cristaline metalice fata-centrata. Adăugați că toate elementele chimice ale ambelor familii - un metal, cu un luciu argintiu, din cauza reactivității ridicate a aerului întunecare rapid. Acestea sunt acoperite de peliculă de oxid respectiv protejarea de oxidare în continuare. Toate elementele sunt suficient refractare cu excepția neptuniu și plutoniu, temperatura de topire este semnificativ mai mică de 1000 ° C

Reacțiile chimice caracteristice

După cum sa menționat mai devreme, lantanide și actinide chimic metale activi. Astfel, lantan, ceriu și alți membri ai familiei poate fi conectat cu ușurință cu substanțe simple - halogeni, precum și fosfor, carbon. Lantanidelor poate interacționa, de asemenea, cu atât monoxid de carbon și dioxid de carbon. Ele sunt de asemenea capabile să se descompună apa. Pe lângă săruri simple, cum ar fi , de exemplu SeCl ₃ sau PRF _3, ele formează săruri duble. În chimia analitică, ocupă un loc important reacția cu lantanide metalic-glicina și acizii citric. Rezultați compuși complecși astfel de procedee sunt aplicate pentru separarea unui amestec de lantanidelor, cum ar fi minereuri.

Prin reacția cu un nitrat, clorură și sulfat acizi, metale formează sărurile corespunzătoare. Ele sunt ușor solubile în apă și este ușor capabilă să formeze hidrați cristalini. Trebuie remarcat faptul că soluțiile apoase de săruri de lantanide sunt colorate, care se explică prin prezența ionilor respectivi. sare soluții samariu sau praseodim neodim verde - roșu-violet, europiu și prometiu - roz. Deoarece ionii în stare de oxidare 3 sunt colorate, este utilizat în chimia analitică pentru detectarea ionilor metalici, lantanide (așa-numita reacție de înaltă calitate). În același scop, de asemenea, folosit metode de analiză chimică, cum ar fi cristalizarea fracționată și cromatografia de schimb ionic.

În două din grupa actinidelor de elemente pot fi distinse. Acest lucru este Berkeley, fermă, mendeleviu, nobelium, lawrenciu și uraniu, neptuniu, plutoniu, omeretsy. Proprietățile chimice sunt similare cu primul și lantan metale din familia lui. Elementele din al doilea grup au caracteristici chimice foarte asemănătoare (substanțial identice unul cu celălalt). Toate actinide interactioneaza rapid cu nemetalelor: sulf, azot, carbon. Cu legandami oxigen ele formează compuși complecși. După cum se poate observa, ambele familii de metale similare între ele în comportamentul chimic. De aceea, lantanide și metale actinide adesea numit gemene.

hidrogen Situația sistemului periodic, lantanide, actinidele

Este necesar să se țină cont de faptul că hidrogenul este suficient substanța reactivă. Ea se manifestă, în funcție de condițiile de reacție chimică: ca agent agent de reducere și oxidare. Acesta este motivul pentru care în sistemul periodic, hidrogenul este simultan în subgrupuri majore de două grupuri.

Primul hidrogen actioneaza ca un agent de reducere, precum și metale alcaline, situate aici. Hidrogen, în locul grupei a 7, împreună cu elemente de halogeni indică rezistența. În perioada a șasea este, așa cum sa menționat anterior, familia lantanidelor, prestate într-un rând separat pentru comoditate și compactitatea mesei. Perioada a șaptea conține un grup de elemente radioactive cu caracteristici similare cu actina. Actinide sunt situate în afara tabelul elementelor chimice DI Mendeleev sub familia lantan în apropiere. Aceste elemente mai puțin studiate, deoarece nucleul atomilor lor sunt foarte instabile datorită radioactivității. Să ne amintim că lantanide și actinide sunt elemente de tranziție interne, și caracteristicile lor fizico-chimice sunt foarte asemănătoare.

Metode generale pentru producerea de industria metalelor

Cu excepția toriu, protactiniu și uraniu, care este produs prin direct din minereuri, alte actinide pot fi preparate prin iradiind mostre de fluxuri de uraniu metalic neutroni în mișcare rapidă. La neptuniu scară industrială și de plutoniu este extras din combustibilul uzat de la reactoarele nucleare. Rețineți că obținerea actinide - este destul proces complex și costisitor, principalele metode care sunt schimbătoare de ioni și de extracție în mai multe etape. Lantanidelor, care sunt numite elemente de pământuri rare, obținute prin electroliza clorurilor sau fluoruri. Pentru a obține lantanidelor ultrapuri, folosit metoda metallothermal.

În cazul în care să se aplice elemente de tranziție interne

Spectrul de utilizare a metalelor pe care le studiem este destul de larg. Pentru o familie de actiniului - este, mai presus de toate, arme nucleare și de energie. Actinide sunt importante in medicina, defectoscopie, analiza de activare. Este imposibil de a ignora utilizarea lantanide și actinide, ca de captare de neutroni în sursele de reactoare nucleare. Lantanidelor, de asemenea, folosite ca adaosuri de aliere pentru fier și oțel, precum și în producția de fosforescente.

Distribuția în natură

Oxizii de actinide și lantanide sunt adesea numite zirconiu, toriu, pământuri ytriu. Acestea sunt o sursă majoră pentru prepararea metalelor corespunzătoare. Uranus, ca principalul reprezentant al actinide este în stratul exterior al litosferei sub forma a patru tipuri de minereuri sau minerale. În primul rând, este pehblendă, care este dioxidul de uraniu. Acesta este conținutul ridicat de metal. Adesea însoțită de depozite de dioxid de uraniu radiu (vene). Acestea se găsesc în Canada, Franța, Zair. Complexe de toriu și uraniu minereurilor conțin adesea alte minereuri de metale prețioase, cum ar fi aurul sau argintul.

Inventarul acestor materii prime bogate în Rusia, Africa de Sud, Canada și Australia. Unele roci sedimentare conțin carnotit minerale. Structura sa, în plus față de uraniu, vanadiu și intră în alta. Al patrulea tip de uraniu brut - un minereu de fosfat și tăblițele zhelezouranovye. Rezervele lor sunt în Maroc, Suedia și Statele Unite ale Americii. Au în prezent considerate promițătoare ca depozite de cărbune și lignit care conțin impurități de uraniu. Acestea sunt produse în Spania, Republica Cehă, precum și două state din SUA - Nord si Dakota de Sud.