АдукацыяНавука

Лантаноиды і актиноиды: становішча ў перыядычнай сістэме

Кожны з хімічных элементаў, прадстаўлены ў абалонках Зямлі: атмасферы, літасферы і гідрасферы - можа служыць яркім прыкладам, якія пацвярджаюць фундаментальнае значэнне атамна-малекулярнай вучэнні і перыядычнага закона. Яны былі сфармуляваны карыфеямі прыродазнаўства - рускімі вучонымі М. В. Ламаносавым і Д. І. Мендзялеевым. Лантаноиды і актиноиды - гэта два сямейства, якія ўтрымліваюць па 14 хімічных элементаў, а таксама самі металы - лантан і актыній. Іх ўласцівасці - як фізічныя, так і хімічныя - будуць разгледжаны намі ў дадзенай працы. Акрамя гэтага, мы ўсталюем, як становішча ў перыядычнай сістэме вадароду, лантаноидов, актиноидов залежыць ад будынка электронных арбіталей іх атамаў.

Гісторыя адкрыцця

У канцы 18 стагоддзя Ю. гадаліній было атрымана першае злучэнне з групы рэдказямельных металаў - аксід ітрый. Да пачатку 20 стагоддзя дзякуючы даследаванням Г. Мозли ў хіміі стала вядома пра існаванне групы металаў. Яны размяшчаліся ў перыядычнай сістэме паміж лантаном і гафніем. Яшчэ адзін хімічны элемент - актыній, падобна лантану, утворыць сямейства з 14 радыеактыўных хімічных элементаў, названых актиноидами. Іх адкрыццё ў навуцы адбылося, пачынаючы з 1879 года да сярэдзіны 20 стагоддзя. Лантаноиды і актиноиды маюць дастаткова шмат чорт падабенства як у фізічных, так і ў хімічных уласцівасцях. Гэта можна растлумачыць размяшчэннем электронаў у атамах гэтых металаў, якія знаходзяцца на энергетычных узроўнях, а менавіта для лантаноидов гэта чацвёрты ўзровень f-падузровень, а для актиноидов - пяты ўзровень f-падузровень. Далей мы разгледзім электронныя абалонкі атамаў вышэйназваных металаў больш падрабязна.

Будынак унутраных пераходных элементаў у святле атамна-малекулярнай вучэнні

Геніяльнае адкрыццё будынка хімічных рэчываў М. В. Ламаносава з'явілася асновай для далейшага вывучэння электронных абалонак атамаў. Резерфордовская мадэль будовы элементарнай часціцы хімічнага элемента, даследаванні М. Планка, Ф. Гунда дазволілі навукоўцам-хімікам знайсці правільнае тлумачэнне існуючым заканамернасцям перыядычнага змены фізічных і хімічных уласцівасцяў, якімі характарызуюцца лантаноиды і актиноиды. Нельга абысці ўвагай і найважную ролю перыядычнага закона Д. І. Мендзялеева ў вывучэнні будовы атамаў пераходных элементаў. Спынімся на гэтым пытанні больш дэталёва.

Месца ўнутраных пераходных элементаў у перыядычнай сістэме Д. І. Мендзялеева

У трэцяй групе шостага - большага перыяду - за лантаном знаходзіцца сямейства металаў, размешчаных ад цэрыя і да Лютэцыі ўключна. У атама лантана 4f-падузровень пусты, а ў Лютэцыі цалкам напоўнены 14-ю электронамі. У элементаў, размешчаных паміж імі, ідзе паступовае запаўненне f-арбіталей. У сямействе актиноидов - ад торыя да Лоўрэнс - выконваецца той жа прынцып назапашвання адмоўна зараджаных часціц з адзіным адрозненнем: запаўненне электронамі адбываецца на 5f-подуровней. Будова ж вонкавага энергетычнага ўзроўню і колькасць адмоўных часціц на ім (роўнае двум) ва ўсіх вышэйпералічаных металаў аднолькава. Дадзены факт адказвае на пытанне аб тым, чаму лантаноиды і актиноиды, названыя ўнутранымі пераходнымі элементамі, маюць шмат чорт падабенства.

У некаторых крыніцах хімічнай літаратуры прадстаўнікоў абодвух сямействаў аб'ядноўваюць у другія пабочныя падгрупы. У іх утрымліваецца па два металу з кожнага сямейства. У кароткай форме перыядычнай сістэмы хімічных элементаў Д.И Мендзялеева прадстаўнікі гэтых сямействаў выдзелены з самай табліцы і размешчаны асобнымі шэрагамі. Таму становішча лантаноидов і актиноидов ў перыядычнай сістэме адказвае агульным плане будынка атамаў і перыядычнасці запаўнення электронамі ўнутраных узроўняў, а прысутнасць аднолькавых ступеняў акіслення прычынілася аб'яднання ўнутраных пераходных металаў у агульныя групы. У іх хімічныя элементы валодаюць прыкметамі і ўласцівасцямі, раўназначнымі лантану або актыній. Вось чаму лантаноиды і актиноиды вынесены з табліцы хімічных элементаў.

Як электронная канфігурацыя f-подуровней ўплывае на ўласцівасці металаў

Як мы ўжо казалі раней, становішча лантаноидов і актиноидов ў перыядычнай сістэме наўпрост вызначае іх фізічныя і хімічныя характарыстыкі. Так, іёны цэрыя, гадаліній і іншых элементаў сямейства лантаноидов маюць высокія магнітныя моманты, што звязана з асаблівасцямі будовы f-подуровней. Гэта дазволіла выкарыстоўваць металы ў якасці легіруючых дабавак для атрымання паўправаднікоў з магнітнымі ўласцівасцямі. Сульфід элементаў сямейства актыній (напрыклад, сульфід протактиния, торыя) у складзе сваіх малекул маюць змяшаны тып хімічнай сувязі: іённа-кавалентная або кавалентна-металічны. Гэтая асаблівасць будынка прывяла да з'яўлення новага фізіка-хімічнага ўласцівасці і паслужыла адказам на пытанне аб тым, чаму лантаноиды і актиноиды валодаюць люмінесцэнтнымі ўласцівасцямі. Напрыклад, ўзор актыній серабрыстага колеру ў цемры свеціцца блакітнаватым свячэннем. Гэта тлумачыцца дзеяннем на іёны металаў электрычнага току, фатонаў святла, пад уплывам якіх адбываецца ўзбуджэнне атамаў, а электроны ў іх «пераскокваюць» на больш высокія энергетычныя ўзроўні і затым вяртаюцца на свае стацыянарныя арбіты. Менавіта з гэтай прычыны лантаноиды і актиноиды ставяцца да люмінафора.

Наступствы памяншэння іённых радыусаў атамаў

У лантана і актыній, як і ў элементаў з іх сямействаў, назіраецца манатоннае зніжэнне велічыні паказчыкаў радыусаў іёнаў металаў. У хіміі ў такіх выпадках прынята казаць пра лантаноидном і актиноидном сціску. У хіміі ўстаноўлена наступная заканамернасць: з павелічэннем зарада ядра атамаў, у выпадку калі элементы ставяцца да аднаго і таго ж перыяду, іх радыусы памяншаюцца. Растлумачыць гэта можна наступным чынам: у такіх металаў, як цэрый, празеадым, неадым, колькасць энергетычных узроўняў у іх атамах нязменна і роўна шасці. Аднак зарады ядраў адпаведна павялічваюцца на адзінку і складаюць 58, +59, +60. Гэта значыць, што ўзрастае сіла прыцягнення электронаў ўнутраных абалонак да станоўча зараджаным ядру. Як следства адбываецца памяншэнне радыусаў атамаў. У іённых злучэннях металаў з павелічэннем парадкавага нумара іённыя радыусы таксама памяншаюцца. Аналагічныя змены назіраюцца і ў элементаў сямейства актыній. Вось чаму лантаноиды і актиноиды называюць блізнятамі. Памяншэнне радыусаў іёнаў прыводзіць у першую чаргу да паслаблення асноўных уласцівасцяў гідраксідаў Вось (ЁН) 3, Pr (OH) 3, а падстава Лютэцыі ўжо праяўляе амфотерные ўласцівасці.

Да нечаканых вынікаў прыводзіць запаўненне 4f-подуровней неспаренного электронамі да паловы арбіталей ў атама еўропію. У яго радыус атама не змяншаецца, а, наадварот, павялічваецца. Ля наступнае за ім у шэрагу лантаноидов гадаліній на 5d-подуровней з'яўляецца адзін электрон 4f-подуровней аналагічна Eu. Такі будынак выклікае скачкападобнае памяншэнне радыусу атама гадаліній. Падобная з'ява назіраецца ў пары ітэрбій - лютэцый. У першага элемента радыус атама вялікі па прычыне поўнага запаўнення 4f-подуровней, а ў Лютэцыі ён скачкападобна памяншаецца, бо на 5d-подуровней назіраецца з'яўленне электронаў. У актыній і іншых радыеактыўных элементаў гэтага сямейства радыусы іх атамаў і іёнаў змяняюцца не манатонна, а, так жа як і ў лантаноидов, скачкападобна. Такім чынам, лантаноиды і актиноиды з'яўляюцца элементамі, у якіх ўласцівасці іх злучэнняў коррелятивно залежаць ад іённага радыусу і будынкі электронных абалонак атамаў.

валентныя стану

Лантаноиды і актиноиды з'яўляюцца элементамі, чые характарыстыкі досыць падобныя. У прыватнасці, гэта тычыцца іх ступеняў акіслення ў ионах і валентнасці атамаў. Напрыклад, торый і протактиний, якія праяўляюць валентнасць, роўную тром, у злучэннях Th (OH) 3, PaCl 3, ThF 3, Pa 2 (CO 3) 3. Усе гэтыя рэчывы з'яўляюцца нерастваральнымі і маюць тыя ж хімічныя ўласцівасці, што і металы з сямейства лантана: цэрый, празеадым, неадым і т. д. Лантаноиды ў гэтых злучэннях таксама будуць трохвалентнага. Гэтыя прыклады яшчэ раз даказваюць нам правільнасць сцвярджэння, што лантаноиды і актиноиды - блізняты. Яны валодаюць падобнымі фізічнымі і хімічнымі ўласцівасцямі. Гэта можна растлумачыць перш за ўсё будынкам электронных арбіталей у атамаў абодвух сямействаў ўнутраных пераходных элементаў.

металічныя ўласцівасці

Усе прадстаўнікі абедзвюх груп з'яўляюцца металамі, у якіх дабудоўваюцца 4f-, 5f-, а таксама d-подуровней. Лантан і элементы яго сямейства называюць рэдказямельных. Іх фізічныя і хімічныя характарыстыкі настолькі блізкія, што па адным у лабараторных умовах яны падзяляюцца з вялікай працай. Выяўляючы часцей за ўсё ступень акіслення +3, элементы шэрагу лантана маюць шмат падобных рысаў са шчолачназямельныя металамі (барыем, кальцыем, стронцыем). Актиноиды таксама з'яўляюцца надзвычай актыўнымі металамі, да таго ж яшчэ і радыеактыўнымі.

Асаблівасці будовы лантаноидов і актиноидов тычацца і такіх уласцівасцяў, як, напрыклад, пирофорность ў мелкодісперсного стане. Назіраецца таксама памяншэнне памераў гранецентрированных крышталічных рашотак металаў. Дадамо, што ўсе хімічныя элементы абодвух сямействаў - гэта металы, са срэбным бляскам, з-за высокай рэакцыйнай здольнасці хутка цямнее на паветры. Яны пакрываюцца плёнкай адпаведнага аксіду, якая абараняе ад далейшага акіслення. Усе элементы досыць тугаплаўкія, за выключэннем Няптун і Плутон, тэмпература плаўлення якіх значна ніжэй за 1000 ° С.

Характэрныя хімічныя рэакцыі

Як было адзначана раней, лантаноиды і актиноиды з'яўляюцца хімічна актыўнымі металамі. Так, лантан, цэрый і іншыя элементы сямейства лёгка злучаюцца з простымі рэчывамі - галагенавыя, а таксама з фосфарам, вугляродам. Лантаноиды могуць таксама ўзаемадзейнічаць як з монааксід вугляроду, так і з вуглякіслым газам. Яны таксама здольныя раскладаць ваду. Акрамя простых соляў, напрыклад такіх як SeCl 3 ці PrF 3, яны ўтвараюць падвойныя солі. У аналітычнай хіміі важнае месца займаюць рэакцыі металаў-лантаноидов з аминоуксусной і цытрынавай кіслотамі. Якія ўтвараюцца ў выніку такіх працэсаў комплексныя злучэнні прымяняюцца для падзелу сумесі лантаноидов, напрыклад у рудах.

Пры ўзаемадзеянні з нітратнае, хларыднай і сульфатнай кіслотамі, металы ўтвараюць адпаведныя солі. Яны добра растваральныя ў вадзе і лёгка здольныя да адукацыі кристаллогидратов. Трэба адзначыць, што водныя растворы соляў лантаноидов афарбаваны, што тлумачыцца прысутнасцю ў іх адпаведных іёнаў. Растворы соляў Самарыя ці празеодима зялёнага колеру, неадыму - чырвона-фіялетавага, Праметэй і еўропію - ружовага. Так як іёны са ступенню акіслення +3 афарбаваныя, гэта выкарыстоўваецца ў аналітычнай хіміі для распазнання іёнаў металаў-лантаноидов (так званыя якасныя рэакцыі). Для гэтай жа мэты ўжываюць яшчэ і такія метады хімічнага аналізу, як дробавая крышталізацыя і іонаабменных храматаграфіі.

У актиноидов можна вылучыць дзве групы элементаў. Гэта Берклі, фермы, Мяндзелеву, Нобэля, Лоўрэнс і ўран, Няптун, плутоній, омереций. Хімічныя ўласцівасці першай з іх падобныя да лантану і металах з яго сямейства. Элементы другой групы валодаюць вельмі падобнымі хімічнымі характарыстыкамі (практычна ідэнтычныя адзін аднаму). Усе актиноиды хутка ўзаемадзейнічаюць з неметаламі: шэрай, азотам, вугляродам. З Кіслародзмяшчальныя легандами яны ўтвараюць комплексныя злучэнні. Як бачым, металы абодвух сямействаў блізкія паміж сабой па хімічным паводзінах. Вось чаму лантаноиды і актиноиды часта называюць металамі-блізнятамі.

Становішча ў перыядычнай сістэме вадароду, лантаноидов, актиноидов

Трэба ўлічваць той факт, што вадарод з'яўляецца дастаткова реакционноспособным рэчывам. Ён праяўляе сябе ў залежнасці ад умоў хімічнай рэакцыі: як адраджэнцам, так і акісляльнікам. Менавіта таму ў перыядычнай сістэме вадарод размяшчаецца адначасова ў галоўных падгрупах адразу двух груп.

У першай вадарод мае ролю аднаўляльніка, як і шчолачныя металы, размешчаныя тут. Месца вадароду ў 7-й групе разам з элементамі галагенавыя паказвае на яго аднаўленчую здольнасць. У шостым перыядзе знаходзіцца, як ужо раней было сказана, сямейства лантаноидов, вынесенае ў асобны шэраг для зручнасці і кампактнасці табліцы. Сёмы перыяд змяшчае групу радыеактыўных элементаў, па сваіх характарыстыках падобным актыній. Актиноиды размяшчаюцца па-за табліцы хімічных элементаў Д.И Мендзялеева пад побач сямейства лантана. Гэтыя элементы найменш вывучаныя, бо ядра іх атамаў вельмі няўстойлівыя па прычыне радыеактыўнасці. Нагадаем, што лантаноиды і актиноиды ставяцца да элементаў унутраным пераходным, а іх фізіка-хімічныя характарыстыкі вельмі блізкія паміж сабой.

Агульныя спосабы атрымання металаў у прамысловасці

За выключэннем торыя, протактиния і ўрану, якія здабываюць у каго дарога з руд, астатнія актиноиды можна атрымаць шляхам апраменьвання узораў металічнага ўрану быстродвижущимися патокамі нейтронаў. У прамысловых маштабах Няптун і плутоній здабываюць з адпрацаванага паліва ядзерных рэактараў. Адзначым, што атрыманне актиноидов - гэта досыць складаны і дарагі працэс, асноўнымі метадамі якога з'яўляюцца іённы абмен і многастадыйныя экстракцыя. Лантаноиды, якія называюць рэдказямельных элементаў, атрымліваюць шляхам электролізу іх хларыдаў або фтарыдаў. Каб здабыць сверхчистые лантаноиды, выкарыстоўваюць металлотермический метад.

Дзе ўжываюць ўнутраныя пераходныя элементы

Спектр выкарыстання вывучаюцца намі металаў досыць шырокі. Для сямейства актыній - гэта, перш за ўсё, ядзерную зброю і энергетыка. Важнае значэнне маюць актиноиды і ў медыцыне, дэфектаскапіі, актывацыйны аналізе. Нельга абыйсці ўвагай прымяненне лантаноидов і актиноидов ў якасці крыніц захопу нейтронаў у ядзерных рэактарах. Лантаноиды жа ўжываюць у якасці легіруючых дабавак да чыгуну і сталі, а таксама ў вытворчасці люмінафораў.

Распаўсюджванне ў прыродзе

Аксіды актиноидов і лантаноидов часта называюць цырконіевых, ториевой, иттриевой землямі. Яны з'яўляюцца асноўнай крыніцай для атрымання адпаведных металаў. Уран, як галоўны прадстаўнік актиноидов, знаходзіцца ў вонкавым пласце літасферы ў форме чатырох відаў руд або мінералаў. Перш за ўсё, гэта ўранавая смолка, якая ўяўляе сабой двухвокіс ўрану. У ёй ўтрыманне металу самае высокае. Часта дыаксідзе ўрану спадарожнічаюць радыевай радовішча (жылы). Яны сустракаюцца ў Канадзе, Францыі, Заіры. Комплексы ториевой і уранавай руды часта ўтрымліваюць руды іншых каштоўных металаў, напрыклад золата або срэбра.

Запасамі такой сыравіны багатыя Расія, Паўднёва-Афрыканская рэспубліка, Канада і Аўстралія. У некаторых ападкавых пародах змяшчаецца мінерал карнотит. У яго склад, акрамя ўрану, уваходзіць яшчэ і ванадый. Чацвёрты выгляд ўранавага сыравіны - гэта фасфатныя руды і железоурановые сланцы. Іх запасы знаходзяцца ў Марока, Швецыі і ЗША. У цяперашні час перспектыўнымі лічацца таксама залежы лигнитов і каменнага вугалю, якія змяшчаюць прымешкі ўрану. Іх здабываюць у Іспаніі, Чэхіі, а таксама ў двух амерыканскіх штатах - Паўночнай і Паўднёвай Дакоце.

Similar articles

 

 

 

 

Trending Now

 

 

 

 

Newest

Copyright © 2018 be.unansea.com. Theme powered by WordPress.