Lanthanider og actinider: Position i det periodiske bord

Hvert af de kemiske elementer, der præsenteres iJordens skaller: atmosfæren, litosfæren og hydrokfæren - kan tjene som et levende eksempel, som bekræfter den grundlæggende betydning af atommolekylær doktrin og periodisk lov. De blev formuleret af naturvidenskabernes coryphaeans - russiske forskere MV Lomonosov og DI Mendeleev. Lanthanider og actinider er to familier, der indeholder 14 kemiske elementer, såvel som metaller selv - lanthan og actinium. Deres egenskaber - både fysiske og kemiske - vil blive undersøgt af os i dette papir. Derudover vil vi konstatere, hvordan positionen i det periodiske system af hydrogen, lanthanider, actinider afhænger af strukturen af ​​deres atomers elektroniske orbitaler.

Historie om opdagelse

I slutningen af ​​det 18. århundrede Yu. Gadolin var den første forbindelse fra gruppen af ​​sjældne jordarters metaller, yttriumoxid. Indtil begyndelsen af ​​det 20. århundrede, takket være forskning af G. Moseley i kemi blev klar over, at der findes en gruppe af metaller. De var placeret i det periodiske system mellem lantan og hafnium. Et andet kemisk element, actinium, som lantan, danner en familie med 14 radioaktive kemiske elementer kaldet actinider. Deres opdagelse i videnskaben fandt sted, begyndende i 1879 til midten af ​​det 20. århundrede. Lanthanider og actinider har mange ligheder i både fysiske og kemiske egenskaber. Dette kan forklares arrangement af elektroner i atomer af disse metaller, som er i energiniveauer, nemlig lanthanid er det fjerde niveau af f-underlag, og til actinider - det femte niveau af f-underlag. Dernæst overvejer vi de mere detaljerede elektroniske skaller af atomerne i de ovennævnte metaller.

Strukturen af ​​interne overgangselementer i lyset af atommolekylær doktrin

En genial opdagelse af strukturen af ​​kemiske stoffer M. Lomonosov var grundlaget for yderligere undersøgelse af Elektronskal af atomer. Rutherford model af elementarpartikel struktur af et grundstof, Max Planck forskning, F. Hund tilladt kemikere at finde den korrekte forklaring om de gældende love i det periodiske variation af fysiske og kemiske egenskaber, som er karakteriseret ved lanthaniderne og actiniderne. Du kan ikke ignorere den afgørende rolle, som den periodiske lov DI Mendeleev i studiet af strukturen af ​​atomer af overgangen elementer. Lad os undersøge dette spørgsmål nærmere.

Sted for interne overgangselementer i det periodiske bord af DI Mendeleyev

I den tredje gruppe af den sjette - længere periode - forlantan er en familie af metaller beliggende fra cerium til lutetium inklusive. Ved lanthanatomet er 4f-underlaget tomt, og i lutetium er det fuldstændigt fyldt med 14 elektroner. Elementerne der ligger mellem dem bliver gradvis fyldt med f-orbitaler. I familien af ​​actinider, fra thorium til laurentium, observeres det samme princip for akkumulering af negativt ladede partikler med den eneste forskel: elektronfyldning forekommer på 5f-underlaget. Strukturen af ​​det eksterne energiniveau og antallet af negative partikler på det (lig med to) for alle ovennævnte metaller er de samme. Denne kendsgerning besvarer spørgsmålet om hvorfor lanthaniderne og actiniderne, der kaldes interne overgangselementer, har mange ligheder.

I nogle kilder til kemisk litteraturrepræsentanter for begge familier er forenet i anden sekundære undergrupper. De indeholder to metaller fra hver familie. I den korte form af det periodiske system af kemiske elementer i DI Mendeleev skelnes repræsentanter for disse familier fra selve bordet og er arrangeret i separate rækker. Derfor positionen af ​​actinider og lanthanider i det periodiske system svarer til det generelle plan af strukturen af ​​atomer og elektroner i indvendige periodicitetskoefficienter påfyldning niveauer og tilstedeværelsen af ​​den samme oxidation forårsaget aggregere interne overgangsmetaller i den generelle gruppe. I dem har kemiske elementer egenskaber og egenskaber svarende til lantan eller actinium. Derfor fjernes lanthaniderne og actiniderne fra bordet af kemiske elementer.

Hvordan påvirker den elektroniske konfiguration af f-sublevel metallernes egenskaber

Som vi tidligere sagde, var lantanidernes stillingog actinider i det periodiske system bestemmer direkte deres fysiske og kemiske egenskaber. Således har ioner af cerium, gadolinium og andre elementer af familien af ​​lanthanider høje magnetiske øjeblikke, hvilket skyldes de særlige forhold i strukturen af ​​f-underlevelen. Dette gjorde det muligt at anvende metaller som legeringsadditiver til fremstilling af halvledere med magnetiske egenskaber. Sulfider af elementerne af familien af ​​actinium (for eksempel protactiniumsulfid, thorium) i deres molekyler har en blandet type kemisk binding: ion-kovalent eller kovalent-metal. Denne funktion af strukturen førte til udseendet af en ny fysisk-kemisk egenskab og tjente som et svar på spørgsmålet om hvorfor lanthanider og actinider har luminescerende egenskaber. For eksempel lyser actiniumen af ​​sølvfarvet farve i mørket en blålig glød. Dette forklares af virkningen af ​​elektrisk strøm, lysfotoner på metalioner, som påvirker atomerne, og elektronerne i dem "hopper" til højere energiniveauer og derefter vender tilbage til deres stationære baner. Det er af denne grund, at lanthaniderne og actiniderne tilhører phosphorerne.

Konsekvenserne af at formindske ioniske radier af atomer

Lanthanum og Actinium, såvel som elementer fra deresfamilier, er der et monotont fald i værdierne af metalionernes radier. I kemi i sådanne tilfælde er det sædvanligt at tale om lanthanoid- og aktinidkompression. I kemi er følgende regelmæssighed etableret: med en stigning i ladningen af ​​atomkernen, i det tilfælde, hvor elementerne tilhører samme periode, reduceres deres radier. Dette kan forklares på følgende måde: for metaller som cerium, praseodymium, neodym, er antallet af energiniveauer i deres atomer uvægerligt lig med seks. De nukleare afgifter stiger tilsvarende med en og er +58, +59, +60. Dette betyder at tiltrækningskraften af ​​de indre skells elektroner til den positivt ladede kerne øges. Som følge heraf reduceres atomernes radier. I ioniske metalforbindelser falder også de ioniske radier med stigende ordinaltall. Lignende ændringer observeres i elementer af familien af ​​actinium. Derfor kaldes lantanoider og actinider tvillinger. Reduktion af ionernes radiier fører først og fremmest til en svækkelse af de grundlæggende egenskaber af hydroxiderne Ce (OH)₃, Pr (OH)₃, og lutetiumets base udviser allerede amfotere egenskaber.

Til uventede resultatresultater påfyldning4f-deleværdier af uparvede elektroner til halvdelen af ​​orbitalerne af europiumatomet. Hans radius af atomet mindskes ikke, men tværtimod øges det. Den næste elektron i lanthanid-serien af ​​gadolinium på 5d-underlaget fremstår som en elektron af 4f-underlaget, ligesom Eu. En sådan struktur forårsager et krampagtigt fald i gadoliniumatomens radius. Et lignende fænomen observeres i et par ytterbium-lutetium. I det første element er atomets radius stor på grund af den fulde påfyldning af 4f-underlaget, mens det i lutetium falder på en abrupt måde, da elektroner vises på 5d-underlaget. I actinium og andre radioaktive elementer i denne familie ændrer radierne af deres atomer og ioner ikke monotonisk, men ændrer de ligesom lantanoiderne diskontinuerligt. Således er lanthanider og actinider elementer, hvori egenskaberne af deres forbindelser afhænger korrelativt på den ioniske radius og strukturen af ​​atomernes elektronskaller.

Valence stater

Lanthanider og actinider er elementer, hvisegenskaberne er ret ens. Dette angår især deres grader af oxidation i ioner og atomernes valens. For eksempel har thorium og protactinium, der udviser en valence på tre, i Th (OH)₃, PaCl₃, ThF₃, Pa₂(CO₃)_3. Alle disse stoffer er uopløselige og harDe samme kemiske egenskaber som metaller fra lanthanens familie: cerium, praseodymium, neodym osv. Landaniderne i disse forbindelser vil også være trivalente. Disse eksempler viser os igen rigtigheden af ​​udsagnet om, at lanthaniderne og actiniderne er tvillinger. De har lignende fysiske og kemiske egenskaber. Dette kan først og fremmest forklares ved strukturen af ​​de elektroniske orbitaler af atomerne i begge familier af interne overgangselementer.

Metalegenskaber

Alle repræsentanter for begge grupper er metaller,i hvilken 4f-, 5f- og også d-dellevler tilsættes. Lantan og elementer i sin familie kaldes sjældne jordarter. Deres fysiske og kemiske egenskaber er så tæt, at de adskilles særskilt i laboratoriet med store vanskeligheder. Viser graden af ​​oxidation +3 oftest, elementerne i lanthanserien har mange lignende træk med jordalkalimetaller (barium, calcium, strontium). Actinider er også ekstremt aktive metaller, også radioaktive.

Funktioner af strukturen af ​​lanthanider og actinidervedrører også sådanne egenskaber, som for eksempel pyroforicitet i en fin-dispergeret tilstand. Der er også et fald i størrelsen af ​​ansigtscentrerede krystalgitter af metaller. Vi tilføjer, at alle de kemiske elementer i begge familier er metaller med sølvfarvet glans på grund af deres høje reaktivitet, der hurtigt bliver mørkere i luften. De er dækket af en film af det tilsvarende oxid, som beskytter mod yderligere oxidation. Alle elementer er tilstrækkeligt ildfaste, med undtagelse af neptunium og plutonium, hvis smeltepunkt er meget lavere end 1000 ° C.

Typiske kemiske reaktioner

Som tidligere nævnt er lanthanider og actiniderer kemisk aktive metaller. Således er lanthan, cerium og andre elementer i familien let kombineret med enkle stoffer - halogener såvel som med fosfor, kulstof. Lanthanider kan også interagere med både carbonmonoxid og carbondioxid. De er også i stand til at nedbryde vand. Foruden simple salte, for eksempel, såsom SeCl₃ eller PrF₃, de danner dobbeltsalte.I den analytiske kemi er et vigtigt sted besat af reaktionerne af metal-lanthanider med aminoeddikesyre og citronsyrer. Komplekse forbindelser dannet som følge af sådanne processer anvendes til at adskille en blanding af lanthanider, for eksempel i malme.

Ved interaktion med nitrat, chlorid ogsulfat syrer, metaller danner de tilsvarende salte. De er letopløselige i vand og er let i stand til at danne krystallinske hydrater. Det skal bemærkes, at vandige opløsninger af lanthanidsalte er farvede, hvilket forklares af tilstedeværelsen af ​​tilsvarende ioner i dem. Opløsninger af salter af samarium eller praseodymium er grønne, neodymium-rød-violet, promethium og europium-pink. Da ioner med +3 oxidationsgrad er farvet, anvendes det i analytisk kemi til at genkende ioner af lanthanidmetaller (såkaldte kvalitative reaktioner). Til samme formål anvendes også kemiske analysemetoder såsom fraktioneret krystallisation og ionbytningskromatografi.

Actinider kan opdeles i to grupper af elementer.Disse er berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, laurentium og uran, neptunium, plutonium og omertium. De første kemiske egenskaber svarer til lantan og metaller fra sin familie. Elementer i den anden gruppe har meget lignende kemiske egenskaber (næsten identiske med hinanden). Alle actinider interagerer hurtigt med nonmetals: svovl, nitrogen, carbon. Med oxygenholdige ligander danner de komplekse forbindelser. Som vi ser, er metallerne fra begge familier tæt på hinanden i kemisk adfærd. Derfor kaldes lanthanider og actinider ofte dobbeltmetaller.

Position i det periodiske system af hydrogen, lanthanider, actinider

Det er nødvendigt at tage højde for det faktum, at hydrogen ertilstrækkeligt reaktivt stof. Det manifesterer sig afhængigt af betingelserne for den kemiske reaktion: både et reduktionsmiddel og en oxidator. Derfor er hydrogen i et periodisk system samtidigt placeret i de vigtigste undergrupper af to grupper på én gang.

I det første spiller hydrogen ud af rollen som et reduktionsmiddel, somog alkalimetaller placeret her. Stedet for hydrogen i den syvende gruppe sammen med elementhalogener indikerer dets reducerende evne. I den sjette periode er en familie af lanthanider som nævnt placeret i en separat række for at gøre bordet lettere og kompakt. Den syvende periode indeholder en gruppe af radioaktive elementer, der ligner deres egenskaber til actinium. Actinoider er placeret uden for bordet af kemiske elementer af DI Mendeleyev under et antal lantanfamilier. Disse elementer er mindst undersøgt, da kernerne af deres atomer er meget ustabile på grund af radioaktivitet. Husk at lanthanider og actinider hører til elementerne i den interne overgang, og deres fysisk-kemiske egenskaber ligger meget tæt på hinanden.

Generelle produktionsmetoder for metaller i industrien

Med undtagelse af thorium, protactinium og uran,som ekstraheres direkte fra malmerne, kan de resterende actinider opnås ved bestråling af uranprøver med hurtigt bevægelige neutronflusser. I industriel skala ekstraheres neptunium og plutonium fra brugt brændsel fra atomreaktorer. Vi bemærker, at produktionen af ​​actinider er en ret kompleks og kostbar proces, hvis vigtigste metoder er ionbytning og flertrinsekstraktion. Lanthanider, der kaldes sjældne jordarters elementer, opnås ved elektrolyse af deres chlorider eller fluorider. For at producere ultra-rene lanthanider, brug den metallotermiske metode.

Hvor interne overgangselementer anvendes

Spektret for brug af de metaller, vi studererer bred nok. For familien af ​​actinium - er frem for alt atomvåben og energi. Af stor betydning er actinider i medicin, fejldetektion, aktiveringsanalyse. Vi kan ikke ignorere brugen af ​​lanthanider og actinider som kilder til neutronfangst i kernereaktorer. Lanthanider anvendes også som legeringsadditiver til jern og stål samt til fremstilling af fosfor.

Fordeling i naturen

Oxider af actinider og lanthanider kaldes oftezirconium, thorium, yttriumjord. De er den vigtigste kilde til opnåelse af de tilsvarende metaller. Uran er som den største repræsentant for actinider placeret i det yderste lag af litosfæren i form af fire slags malmer eller mineraler. Først og fremmest er det uran tjære, som er urandioxid. I den er metalindholdet det højeste. Ofte ledsages urantioxid af radiumaflejringer (blodårer). De findes i Canada, Frankrig, Zaire. Komplekser af thorium og uranmalm indeholder ofte malm af andre værdifulde metaller, for eksempel guld eller sølv.

Lagrene af sådanne råvarer er rige i Rusland,Sydafrika, Canada og Australien. Nogle sedimentære klipper indeholder mineral carnotit. I sin sammensætning er der ud over uran også vanadium. Den fjerde type uranråmaterialer er fosfatmalm og jernjernskifer. Deres reserver er i Marokko, Sverige og USA. På nuværende tidspunkt er indskud af brunkul og kul, der indeholder uran urenheder, også lovende. De er udvundet i Spanien, Tjekkiet, såvel som i to amerikanske stater - Nord og Syd Dakota.

</ p>>