Kõik Maa kestades esinevad keemilised elemendid: atmosfäär, litosfäär ja hüdrosfäär - võivad olla ilmekaks näiteks, kinnitades aatomi- ja molekulaarteooria ning perioodilise seaduse fundamentaalset tähtsust. Need sõnastasid loodusteaduste valgustid – vene teadlased M. V. Lomonosov ja D. I. Mendelejev. Lantaniidid ja aktiniidid on kaks perekonda, mis sisaldavad igaüks 14 keemilist elementi, aga ka metalle endid - lantaani ja aktiiniumi. Nende füüsikalisi ja keemilisi omadusi käsitleme selles artiklis. Lisaks teeme kindlaks, kuidas vesiniku, lantaniidide ja aktiniidide positsioon perioodilises süsteemis sõltub nende aatomite elektrooniliste orbitaalide struktuurist.
Avastuste ajalugu
18. sajandi lõpus sai Y. Gadolin haruldaste muldmetallide rühmast esimese ühendi – ütriumoksiidi. Kuni 20. sajandi alguseni saadi tänu G. Moseley keemiaalasele uurimistööle teatavaks metallide rühma olemasolu. Need asusid perioodilises süsteemis lantaani ja hafniumi vahel. Teine keemiline element - aktiinium, nagu lantaan, moodustab 14 radioaktiivse perekonnakeemilised elemendid, mida nimetatakse aktiniidideks. Nende avastus teaduses toimus 1879. aastast kuni 20. sajandi keskpaigani. Lantaniididel ja aktiniididel on palju sarnasusi nii füüsikalistes kui ka keemilistes omadustes. Seda saab seletada elektronide paigutusega nende metallide aatomites, mis asuvad energiatasemel, nimelt lantaniidide jaoks on see neljanda taseme f-alamtase ja aktiniidide jaoks - viienda taseme f-alamtase. Järgmisena käsitleme üksikasjalikum alt ül altoodud metallide aatomite elektronkihte.
Sisemiste üleminekuelementide struktuur aatomi- ja molekulaarõpetuste valguses
Kemikaalide struktuuri leidlik avastus MV Lomonosovi poolt oli aluseks aatomite elektronkestade edasisele uurimisele. Keemilise elemendi elementaarosakese struktuuri Rutherfordi mudel, M. Plancki, F. Gundi uuringud võimaldasid keemikutel leida õige seletuse lantaniide ja aktiniide iseloomustavatele füüsikaliste ja keemiliste omaduste perioodiliste muutuste olemasolevatele mustritele. On võimatu ignoreerida D. I. Mendelejevi perioodilise seaduse kõige olulisemat rolli siirdeelementide aatomite struktuuri uurimisel. Peatume sellel teemal üksikasjalikum alt.
Sisemiste üleminekuelementide koht D. I. Mendelejevi perioodilises tabelis
Kuuenda – suurema perioodi kolmandas rühmas on lantaani taga metallide perekond, mis ulatub tseeriumist luteetiumini (kaasa arvatud). Lantaani aatomi alamtase 4f on tühi, luteetiumiaatom on aga täielikult täidetud 14. aatomiga.elektronid. Nende vahel asuvad elemendid täidavad järk-järgult f-orbitaale. Aktiniidide perekonnas - tooriumist Lawrenciumini - täheldatakse sama negatiivselt laetud osakeste kogunemise põhimõtet ainsa erinevusega: elektronidega täitumine toimub 5f alamtasemel. Välise energiataseme struktuur ja sellel olevate negatiivsete osakeste arv (võrdne kahega) on kõigi ül altoodud metallide puhul sama. See fakt annab vastuse küsimusele, miks lantaniididel ja aktiniididel, mida nimetatakse sisemisteks üleminekuelementideks, on palju sarnasusi.
Mõnes keemiakirjanduse allikas on mõlema perekonna esindajad ühendatud teise alarühma. Need sisaldavad igast perekonnast kahte metalli. D. I. Mendelejevi keemiliste elementide perioodilise süsteemi lühivormis eraldatakse nende perekondade esindajad tabelist endast ja paigutatakse eraldi ridadesse. Seetõttu vastab lantaniidide ja aktiniidide asend perioodilises süsteemis aatomite ehituse üldplaanile ja sisetasandite elektronidega täitmise perioodilisusele ning samade oksüdatsiooniastmete olemasolu põhjustas sisemiste siirdemetallide ühinemise ühisteks rühmadeks.. Nendes on keemilistel elementidel lantaani või aktiiniumiga samaväärsed omadused ja omadused. Seetõttu on keemiliste elementide tabelist eemaldatud lantaniidid ja aktiniidid.
Kuidas f-alataseme elektrooniline konfiguratsioon mõjutab metallide omadusi
Nagu me varem ütlesime, lantaniidide ja aktiniidide asukoht perioodilisessüsteem määrab otseselt nende füüsikalised ja keemilised omadused. Seega on tseeriumi, gadoliiniumi ja teiste lantaniidide perekonna elementide ioonidel kõrged magnetmomendid, mis on seotud f-alataseme struktuuriliste iseärasustega. See võimaldas kasutada metalle lisanditena, et saada magnetiliste omadustega pooljuhte. Aktiiniumi perekonna elementide (näiteks protaktiiniumi sulfiid, toorium) sulfiididel nende molekulide koostises on segatüüpi keemiline side: ioon-kovalentne või kovalentne-metall. See struktuuri tunnus tõi kaasa uue füüsikalis-keemilise omaduse tekkimise ja oli vastuseks küsimusele, miks lantaniididel ja aktiniididel on luminestseeruvad omadused. Näiteks pimedas hõbedane anemooni proov helendab sinaka helgiga. Seda seletatakse elektrivoolu, valguse footonite mõjuga metalliioonidele, mille mõjul aatomid ergastuvad ja neis olevad elektronid “hüppavad” kõrgemale energiatasemele ja naasevad seejärel oma statsionaarsetele orbiitidele. Just sel põhjusel liigitatakse lantaniidid ja aktiniidid fosforiteks.
Aatomite ioonraadiuste vähenemise tagajärjed
Lantaanis ja aktiiniumis, aga ka nende perekondades olevates elementides on metalliioonide raadiuse näitajate väärtus monotoonselt vähenenud. Keemias on sellistel juhtudel kombeks rääkida lantaniidi ja aktiniidi kokkusurumisest. Keemias on kehtestatud järgmine muster: aatomituuma laengu suurenemisega, kui elemendid kuuluvad samasse perioodi, vähenevad nende raadiused. Seda saab seletada järgmiseltviis: selliste metallide nagu tseerium, praseodüüm, neodüüm puhul on nende aatomite energiatasemete arv muutumatu ja võrdne kuuega. Tuumade laengud suurenevad aga vastav alt ühe võrra ja on +58, +59, +60. See tähendab, et sisemiste kestade elektronide tõmbejõud positiivselt laetud tuumale suureneb. Selle tulemusena vähenevad aatomiraadiused. Metallide ioonühendites vähenevad aatomarvu suurenemisega ka ioonraadiused. Sarnaseid muutusi täheldatakse anemoonide perekonna elementides. Sellepärast nimetatakse lantaniide ja aktiniide kaksikuteks. Ioonide raadiuse vähenemine viib ennekõike hüdroksiidide Ce(OH)3, Pr(OH)3 põhiomaduste nõrgenemiseni. atribuuti.
4f-alamtaseme täitmine paaritute elektronidega kuni poole euroopiumi aatomi orbitaalidest toob kaasa ootamatuid tulemusi. Selle aatomiraadius ei vähene, vaid vastupidi, suureneb. Gadoliiniumil, mis järgneb talle lantaniidide reas, on sarnaselt Eu-ga üks elektron 4f alamtasandil 5d alamtasemel. Selline struktuur põhjustab gadoliiniumi aatomi raadiuse järsu vähenemise. Sarnast nähtust täheldatakse ka ütterbiumi - luteetiumi paaris. Esimese elemendi puhul on aatomiraadius suur 4f alamtaseme täieliku täitmise tõttu, luteetiumi puhul aga väheneb see järsult, kuna elektronide ilmumist täheldatakse 5d alamtasemel. Aktiinumis ja teistes selle perekonna radioaktiivsetes elementides ei muutu nende aatomite ja ioonide raadiused monotoonselt, vaid nagu lantaniididelgi, astmeliselt. Seega lantaniidid jaaktiniidid on elemendid, mille ühendite omadused sõltuvad korrelatiivselt ioonraadiusest ja aatomite elektronkihtide struktuurist.
Valentsiolekud
Lantaniidid ja aktiniidid on elemendid, mille omadused on üsna sarnased. Eelkõige puudutab see nende oksüdatsiooniastet ioonides ja aatomite valentsust. Näiteks toorium ja protaktiinium, mille valents on kolm, ühendites Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Kõik need ained on lahustumatud ja neil on samad keemilised omadused nagu lantaani perekonna metallidel: tseerium, praseodüüm, neodüüm jne. Nendes ühendites sisalduvad lantaniidid on samuti kolmevalentsed. Need näited tõestavad meile veel kord väite õigsust, et lantaniidid ja aktiniidid on kaksikud. Neil on sarnased füüsikalised ja keemilised omadused. Seda saab eelkõige seletada sisemiste siirdeelementide mõlema perekonna aatomite elektronorbitaalide struktuuriga.
Metalli omadused
Kõik mõlema rühma esindajad on metallid, milles on täidetud 4f-, 5f- ja ka d-alatasandid. Lantaani ja selle perekonna elemente nimetatakse haruldasteks muldmetallideks. Nende füüsikalised ja keemilised omadused on nii lähedased, et neid eraldatakse laboritingimustes suurte raskustega. Lantaani seeria elementidel, mille oksüdatsiooniaste on enamasti +3, on palju sarnasusi leelismuldmetallidega (baarium, k altsium, strontsium). Aktiniidid on samuti äärmiselt aktiivsed metallid ja ka radioaktiivsed.
Lantaniidide ja aktiniidide struktuuriomadused on seotud ka selliste omadustega nagu näiteks pürofoorilisus peenelt hajutatud olekus. Täheldatakse ka metallide näokesksete kristallvõrede suuruse vähenemist. Lisame, et mõlema perekonna kõik keemilised elemendid on hõbedase läikega metallid, mis oma kõrge reaktsioonivõime tõttu õhu käes kiiresti tumenevad. Need on kaetud vastava oksiidi kilega, mis kaitseb edasise oksüdeerumise eest. Kõik elemendid on piisav alt tulekindlad, välja arvatud neptuunium ja plutoonium, mille sulamistemperatuur on tunduv alt alla 1000 °C.
Iseloomulikud keemilised reaktsioonid
Nagu varem märgitud, on lantaniidid ja aktiniidid reaktiivsed metallid. Niisiis on lantaan, tseerium ja muud perekonna elemendid kergesti kombineeritavad lihtsate ainetega - halogeenidega, aga ka fosfori, süsinikuga. Lantaniidid võivad samuti suhelda nii süsinikmonooksiidi kui ka süsinikdioksiidiga. Samuti on nad võimelised vett lagundama. Lisaks lihtsatele sooladele, nagu näiteks SeCl3 või PrF3, moodustavad nad kaksiksoolasid. Analüütilises keemias on oluline koht lantaniidmetallide reaktsioonidel aminoäädik- ja sidrunhappega. Selliste protsesside tulemusena moodustunud kompleksühendeid kasutatakse lantaniidide segu eraldamiseks, näiteks maakides.
Nitraat-, kloriid- ja sulfaathapete, metallidega suhtlemiselmoodustavad vastavad soolad. Need lahustuvad vees hästi ja on kergesti võimelised moodustama kristalseid hüdraate. Tuleb märkida, et lantaniidsoolade vesilahused on värvilised, mis on seletatav vastavate ioonide olemasoluga neis. Samariumi või praseodüümi soolade lahused on rohelised, neodüüm - punakasvioletsed, prometium ja euroopium - roosad. Kuna ioonid oksüdatsiooniastmega +3 on värvilised, kasutatakse seda analüütilises keemias lantaniidmetalliioonide äratundmiseks (nn kvalitatiivsed reaktsioonid). Samal eesmärgil kasutatakse ka keemilisi analüüsimeetodeid, nagu fraktsionaalne kristallisatsioon ja ioonvahetuskromatograafia.
Aktiniidid võib jagada kahte elementide rühma. Need on berkeelium, fermium, mendeleelium, nobeelium, Lawrencium ja uraan, neptuunium, plutoonium, omertsium. Neist esimese keemilised omadused on sarnased lantaanile ja selle perekonna metallidele. Teise rühma elementidel on väga sarnased keemilised omadused (peaaegu identsed). Kõik aktiniidid interakteeruvad kiiresti mittemetallidega: väävel, lämmastik, süsinik. Need moodustavad hapnikku sisaldavate legendidega keerulisi ühendeid. Nagu näeme, on mõlema perekonna metallid keemilises käitumises lähedased. Seetõttu nimetatakse lantaniide ja aktiniide sageli kaksikmetallideks.
Asend vesiniku, lantaniidide, aktiniidide perioodilises süsteemis
Tuleb arvestada tõsiasjaga, et vesinik on üsna reaktiivne aine. See avaldub sõltuv alt keemilise reaktsiooni tingimustest: nii redutseeriva ainena kui ka oksüdeeriva ainena. Sellepärast perioodilises süsteemisvesinik paikneb samaaegselt kahe rühma põhialarühmades korraga.
Esimesel juhul mängib vesinik redutseerija rolli, nagu siin asuvad leelismetallid. Vesiniku koht 7. rühmas koos halogeenide elementidega näitab selle redutseerimisvõimet. Kuuendal perioodil, nagu juba mainitud, asub lantaniidide perekond, mis on laua mugavuse ja kompaktsuse huvides paigutatud eraldi ritta. Seitsmes periood sisaldab rühma radioaktiivseid elemente, mis on omadustelt sarnased aktiiniumiga. Aktiniidid asuvad väljaspool D. I. Mendelejevi keemiliste elementide tabelit lantaani perekonna rea all. Neid elemente on kõige vähem uuritud, kuna nende aatomite tuumad on radioaktiivsuse tõttu väga ebastabiilsed. Tuletage meelde, et lantaniidid ja aktiniidid on sisemised üleminekuelemendid ning nende füüsikalis-keemilised omadused on üksteisele väga lähedased.
Üldised meetodid metallide tootmiseks tööstuses
Välja arvatud toorium, protaktiinium ja uraan, mida kaevandatakse otse maakidest, saab ülejäänud aktiniidid saada metallilise uraani proovide kiiritamisel kiiresti liikuvate neutronivoogudega. Tööstuslikus mastaabis kaevandatakse neptuuniumi ja plutooniumi tuumareaktorite kasutatud kütusest. Pange tähele, et aktiniidide tootmine on üsna keeruline ja kulukas protsess, mille peamised meetodid on ioonivahetus ja mitmeastmeline ekstraheerimine. Lantaniide, mida nimetatakse haruldaste muldmetallideks, saadakse nende kloriidide või fluoriidide elektrolüüsil. Ülipuhaste lantaniidide ekstraheerimiseks kasutatakse metallotermilist meetodit.
Kus kasutatakse sisemisi üleminekuelemente
Meie uuritavate metallide kasutusala on üsna lai. Anemoonide perekonna jaoks on see ennekõike tuumarelvad ja -energia. Aktiniidid on olulised ka meditsiinis, vigade tuvastamises ja aktivatsioonianalüüsis. Lantaniidide ja aktiniidide kasutamist tuumareaktorites neutronite püüdmise allikana on võimatu ignoreerida. Lantaniide kasutatakse ka malmi ja terase legeerivate lisanditena, samuti fosfori tootmisel.
Levike looduses
Aktiniidide ja lantaniidide oksiide nimetatakse sageli tsirkooniumi-, tooriumi- ja ütriummuldadeks. Need on peamiseks allikaks vastavate metallide saamiseks. Uraani kui aktiniidide peamist esindajat leidub litosfääri väliskihis nelja tüüpi maakide või mineraalide kujul. Esiteks on see uraani pigi, mis on uraandioksiid. Sellel on kõrgeim metallisisaldus. Sageli kaasnevad uraandioksiidiga raadiumiladestused (sooned). Neid leidub Kanadas, Prantsusmaal, Zaire'is. Tooriumi- ja uraanimaakide kompleksid sisaldavad sageli muude väärtuslike metallide maake, nagu kuld või hõbe.
Selliste toorainete varud on rikkalikud Venemaal, Lõuna-Aafrikas, Kanadas ja Austraalias. Mõned settekivimid sisaldavad mineraalset karnotiiti. Lisaks uraanile sisaldab see ka vanaadiumi. Neljandaksuraani tooraine liik on fosfaatmaagid ja raud-uraani kildad. Nende varud asuvad Marokos, Rootsis ja USA-s. Praegu peetakse perspektiivikaks ka uraani lisandeid sisaldavaid pruunsöe ja kivisöe maardlaid. Neid kaevandatakse Hispaanias, Tšehhis ja ka kahes USA osariigis – Põhja- ja Lõuna-Dakotas.
