Elkeen van die chemiese elemente wat in die skulpe van die Aarde aangebied word: die atmosfeer, litosfeer en hidrosfeer - kan as 'n aanskoulike voorbeeld dien, wat die fundamentele belangrikheid van die atoom- en molekulêre teorie en die periodieke wet bevestig. Hulle is geformuleer deur die ligpunte van natuurwetenskap - Russiese wetenskaplikes M. V. Lomonosov en D. I. Mendeleev. Lantaniede en aktiniede is twee families wat elk 14 chemiese elemente bevat, sowel as die metale self - lantaan en aktinium. Hulle eienskappe - beide fisies en chemies - sal deur ons in hierdie artikel oorweeg word. Daarbenewens sal ons vasstel hoe die posisie in die periodieke stelsel van waterstof, lantaniede, aktiniede afhang van die struktuur van die elektroniese orbitale van hul atome.
Ontdekkinggeskiedenis
Aan die einde van die 18de eeu het Y. Gadolin die eerste verbinding uit die groep seldsame aardmetale verkry - yttriumoksied. Tot aan die begin van die 20ste eeu, danksy die navorsing van G. Moseley in chemie, het dit bekend geword oor die bestaan van 'n groep metale. Hulle was geleë in die periodieke stelsel tussen lantaan en hafnium. Nog 'n chemiese element - aktinium, soos lantaan, vorm 'n familie van 14 radioaktiewechemiese elemente genoem aktiniede. Hul ontdekking in die wetenskap het van 1879 tot die middel van die 20ste eeu plaasgevind. Lantaniede en aktiniede het baie ooreenkomste in beide fisiese en chemiese eienskappe. Dit kan verklaar word deur die rangskikking van elektrone in die atome van hierdie metale, wat op energievlakke is, naamlik vir lantaniede is dit die vierde vlak f-subvlak, en vir aktiniede - die vyfde vlak f-subvlak. Vervolgens sal ons die elektronskulpe van die atome van bogenoemde metale in meer besonderhede oorweeg.
Die struktuur van interne oorgangselemente in die lig van atoom- en molekulêre leerstellings
Die vernuftige ontdekking van die struktuur van chemikalieë deur MV Lomonosov was die basis vir verdere studie van die elektronskulpies van atome. Die Rutherford-model van die struktuur van 'n elementêre deeltjie van 'n chemiese element, die studies van M. Planck, F. Gund het chemici toegelaat om die korrekte verklaring te vind vir die bestaande patrone van periodieke veranderinge in fisiese en chemiese eienskappe wat lantaniede en aktiniede kenmerk. Dit is onmoontlik om die belangrikste rol van die periodieke wet van D. I. Mendeleev in die studie van die struktuur van atome van oorgangselemente te ignoreer. Kom ons stilstaan by hierdie kwessie in meer besonderhede.
Plek van interne oorgangselemente in D. I. Mendeleev se Periodieke Tabel
In die derde groep van die sesde - groter tydperk - agter lantaan is 'n familie van metale wat wissel van serium tot lutetium ingesluit. Die 4f-subvlak van die lantaan-atoom is leeg, terwyl die lutetium-atoom heeltemal gevul is met die 14deelektrone. Die elemente wat tussen hulle geleë is, vul geleidelik f-orbitale. In die familie van aktiniede - van torium tot lawrencium - word dieselfde beginsel van ophoping van negatief gelaaide deeltjies waargeneem met die enigste verskil: vul met elektrone vind op die 5f-subvlak plaas. Die struktuur van die eksterne energievlak en die aantal negatiewe deeltjies daarop (gelyk aan twee) is dieselfde vir al die bogenoemde metale. Hierdie feit beantwoord die vraag waarom die lantaniede en aktiniede, wat interne oorgangselemente genoem word, baie ooreenkomste het.
In sommige bronne van chemiese literatuur word verteenwoordigers van beide families in tweedekantsubgroepe gekombineer. Hulle bevat twee metale uit elke familie. In die kort vorm van die periodieke stelsel van chemiese elemente van D. I. Mendeleev, word verteenwoordigers van hierdie families van die tabel self geskei en in aparte rye gerangskik. Daarom stem die posisie van lantaniede en aktiniede in die periodieke stelsel ooreen met die algemene plan van die struktuur van atome en die periodisiteit om interne vlakke met elektrone te vul, en die teenwoordigheid van dieselfde oksidasietoestande het die assosiasie van interne oorgangsmetale in gemeenskaplike groepe veroorsaak.. In hulle het chemiese elemente eienskappe en eienskappe gelykstaande aan lantaan of aktinium. Daarom word die lantaniede en aktiniede van die tabel van chemiese elemente verwyder.
Hoe die elektroniese konfigurasie van die f-subvlak die eienskappe van metale beïnvloed
Soos ons vroeër gesê het, die posisie van lantaniede en aktiniede in die periodiekestelsel bepaal direk hul fisiese en chemiese eienskappe. Ione van cerium, gadolinium en ander elemente van die lantaniedfamilie het dus hoë magnetiese momente, wat geassosieer word met strukturele kenmerke van die f-subvlak. Dit het dit moontlik gemaak om metale as dopmiddels te gebruik om halfgeleiers met magnetiese eienskappe te verkry. Sulfiede van elemente van die aktiniumfamilie (byvoorbeeld sulfied van protactinium, torium) in die samestelling van hul molekules het 'n gemengde tipe chemiese binding: ionies-kovalent of kovalent-metaal. Hierdie kenmerk van die struktuur het gelei tot die ontstaan van 'n nuwe fisies-chemiese eienskap en het gedien as 'n antwoord op die vraag waarom lantaniede en aktiniede luminescerende eienskappe het. Byvoorbeeld, 'n monster anemoon wat silwerig in die donker is, gloei met 'n blouerige gloed. Dit word verklaar deur die werking van elektriese stroom, fotone van lig op metaalione, onder die invloed waarvan atome opgewek word, en die elektrone daarin "spring" na hoër energievlakke en keer dan terug na hul stilstaande bane. Dit is om hierdie rede dat lantaniede en aktiniede as fosfors geklassifiseer word.
Gevolge van die vermindering van die ioniese radius van atome
In lantaan en aktinium, sowel as in die elemente van hul families, is daar 'n eentonige afname in die waarde van die aanwysers van die radiusse van metaalione. In chemie is dit in sulke gevalle gebruiklik om van lantanied- en aktinied-kompressie te praat. In chemie is die volgende patroon vasgestel: met 'n toename in die lading van die kern van atome, as die elemente tot dieselfde tydperk behoort, verminder hul radiusse. Dit kan soos volg verduidelik wordmanier: vir metale soos serium, praseodimium, neodymium is die aantal energievlakke in hul atome onveranderd en gelyk aan ses. Die ladings van die kerne neem egter onderskeidelik met een toe en is +58, +59, +60. Dit beteken dat die aantrekkingskrag van die elektrone van die binneste skulpe na die positief gelaaide kern toeneem. As gevolg hiervan neem die atoomradiusse af. In ioniese verbindings van metale, met 'n toename in die atoomgetal, neem die ioniese radiusse ook af. Soortgelyke veranderinge word waargeneem in die elemente van die anemoonfamilie. Daarom word die lantaniede en aktiniede tweelinge genoem. 'n Afname in die radiusse van ione lei eerstens tot 'n verswakking van die basiese eienskappe van die hidroksiede Ce(OH)3, Pr(OH)3 eiendomme.
Die vulling van die 4f-subvlak met ongepaarde elektrone tot die helfte van die orbitale van die europium-atoom lei tot onverwagte resultate. Sy atoomradius neem nie af nie, maar neem inteendeel toe. Gadolinium, wat dit volg in die reeks lantaniede, het een elektron in die 4f-subvlak by die 5d-subvlak, soortgelyk aan Eu. Hierdie struktuur veroorsaak 'n skielike afname in die radius van die gadoliniumatoom. 'n Soortgelyke verskynsel word waargeneem in 'n paar ytterbium - lutetium. Vir die eerste element is die atoomradius groot as gevolg van die volledige vulling van die 4f-subvlak, terwyl dit vir lutetium skielik afneem, aangesien die voorkoms van elektrone op die 5d-subvlak waargeneem word. In aktinium en ander radioaktiewe elemente van hierdie familie verander die radiusse van hul atome en ione nie eentonig nie, maar, soos die lantaniede, stapsgewys. Dus, die lantaniede enaktiniede is elemente waarvan die eienskappe van hul verbindings korrelatief afhang van die ioniese radius en die struktuur van die elektronskulpe van atome.
Valence state
Lantaniede en aktiniede is elemente waarvan die eienskappe redelik soortgelyk is. Dit gaan veral oor hul oksidasietoestande in ione en die valensie van atome. Byvoorbeeld, thorium en protactinium, wat 'n valensie van drie vertoon, in die verbindings Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Al hierdie stowwe is onoplosbaar en het dieselfde chemiese eienskappe as die metale van die lantaanfamilie: serium, praseodimium, neodymium, ens. Die lantaniede in hierdie verbindings sal ook driewaardig wees. Hierdie voorbeelde bewys weereens vir ons die korrektheid van die stelling dat lantaniede en aktiniede tweelinge is. Hulle het soortgelyke fisiese en chemiese eienskappe. Dit kan hoofsaaklik verklaar word deur die struktuur van die elektronorbitale van die atome van beide families van interne oorgangselemente.
Metaaleienskappe
Alle verteenwoordigers van beide groepe is metale, waarin 4f-, 5f-, en ook d-subvlakke voltooi is. Lantaan en die elemente van sy familie word seldsame aardes genoem. Hulle fisiese en chemiese eienskappe is so naby dat hulle onder laboratoriumtoestande met groot moeite apart geskei word. Die elemente van die lantaanreeks vertoon meestal 'n oksidasietoestand van +3, en het baie ooreenkomste met aardalkalimetale (barium, kalsium, strontium). Aktiniede is ook uiters aktiewe metale, en is ook radioaktief.
Die strukturele kenmerke van lantaniede en aktiniede hou ook verband met eienskappe soos byvoorbeeld piroforisiteit in 'n fyn verspreide toestand. 'n Afname in die grootte van die gesiggesentreerde kristalroosters van metale word ook waargeneem. Ons voeg by dat al die chemiese elemente van beide families metale is met 'n silwer glans, as gevolg van hul hoë reaktiwiteit, word dit vinnig donkerder in lug. Hulle is bedek met 'n film van die ooreenstemmende oksied, wat teen verdere oksidasie beskerm. Alle elemente is voldoende vuurvaste, met die uitsondering van neptunium en plutonium, waarvan die smeltpunt ver onder 1000 °C is.
Kenmerkende chemiese reaksies
Soos vroeër genoem, is lantaniede en aktiniede reaktiewe metale. Dus, lantaan, serium en ander elemente van die familie kombineer maklik met eenvoudige stowwe - halogene, sowel as met fosfor, koolstof. Die lantaniede kan ook met beide koolstofmonoksied en koolstofdioksied in wisselwerking tree. Hulle is ook in staat om water te ontbind. Benewens eenvoudige soute, soos byvoorbeeld SeCl3 of PrF3, vorm hulle dubbelsoute. In analitiese chemie neem reaksies van lantaniedmetale met aminoasyn- en sitroensuur 'n belangrike plek in. Die komplekse verbindings wat as gevolg van sulke prosesse gevorm word, word gebruik om 'n mengsel van lantaniede te skei, byvoorbeeld in ertse.
Wanneer interaksie met nitraat-, chloried- en sulfaatsure, metalevorm die ooreenstemmende soute. Hulle is hoogs oplosbaar in water en is maklik in staat om kristallyne hidrate te vorm. Daar moet kennis geneem word dat waterige oplossings van lantaniedsoute gekleur is, wat verklaar word deur die teenwoordigheid van die ooreenstemmende ione daarin. Oplossings van samarium of praseodymium soute is groen, neodymium - rooi-violet, promethium en europium - pienk. Aangesien ione met 'n oksidasietoestand van +3 gekleur is, word dit in analitiese chemie gebruik om lantaniedmetaalione (sogenaamde kwalitatiewe reaksies) te herken. Vir dieselfde doel word chemiese ontledingsmetodes soos fraksionele kristallisasie en ioonuitruilchromatografie ook gebruik.
Aktiniede kan in twee groepe elemente verdeel word. Dit is berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium en uraan, neptunium, plutonium, omersium. Die chemiese eienskappe van die eerste hiervan is soortgelyk aan lantaan en metale uit sy familie. Die elemente van die tweede groep het baie soortgelyke chemiese eienskappe (byna identies aan mekaar). Alle aktiniede reageer vinnig met nie-metale: swael, stikstof, koolstof. Hulle vorm komplekse verbindings met suurstofbevattende legendes. Soos ons kan sien, is die metale van beide families naby aan mekaar in chemiese gedrag. Dit is hoekom daar dikwels na die lantaniede en aktiniede verwys word as tweelingmetale.
Posisie in die periodieke stelsel van waterstof, lantaniede, aktiniede
Dit is nodig om die feit in ag te neem dat waterstof 'n redelik reaktiewe stof is. Dit manifesteer homself na gelang van die toestande van die chemiese reaksie: beide as 'n reduseermiddel en as 'n oksideermiddel. Dit is hoekom in die periodieke stelselwaterstof is gelyktydig in die hoofsubgroepe van twee groepe tegelyk geleë.
In die eerste speel waterstof die rol van 'n reduseermiddel, soos die alkalimetale wat hier geleë is. Die plek van waterstof in die 7de groep, saam met die elemente halogene, dui op die reduseervermoë daarvan. In die sesde tydperk, soos reeds genoem, is die lantaniedfamilie geleë, in 'n aparte ry geplaas vir die gerief en kompaktheid van die tafel. Die sewende tydperk bevat 'n groep radioaktiewe elemente soortgelyk aan aktinium in eienskappe. Aktiniede is geleë buite die tabel van chemiese elemente van D. I. Mendeleev onder die ry van die lantaanfamilie. Hierdie elemente word die minste bestudeer, aangesien die kerne van hul atome baie onstabiel is as gevolg van radioaktiwiteit. Onthou dat lantaniede en aktiniede interne oorgangselemente is, en hul fisies-chemiese kenmerke is baie na aan mekaar.
Algemene metodes vir die vervaardiging van metale in die industrie
Met die uitsondering van torium, protaktinium en uraan, wat direk uit erts ontgin word, kan die res van die aktiniede verkry word deur monsters van metaal-uraan met vinnigbewegende neutronstrome te bestraal. Op industriële skaal word neptunium en plutonium ontgin uit verbruikte brandstof van kernreaktors. Let daarop dat die produksie van aktiniede 'n taamlik ingewikkelde en duur proses is, waarvan die hoofmetodes ioonuitruiling en meerfase-ekstraksie is. Lantaniede, wat seldsame aardelemente genoem word, word verkry deur elektrolise van hul chloriede of fluoriede. Die metallotermiese metode word gebruik om ultrasuiwer lantaniede te onttrek.
Waar interne oorgangselemente gebruik word
Die gebruiksreeks van die metale wat ons bestudeer is redelik wyd. Vir die anemoonfamilie is dit eerstens kernwapens en energie. Aktiniede is ook belangrik in medisyne, foutopsporing en aktiveringsanalise. Dit is onmoontlik om die gebruik van lantaniede en aktiniede as bronne van neutronvang in kernreaktors te ignoreer. Lantaniede word ook gebruik as legeringstoevoegings tot gietyster en staal, sowel as in die vervaardiging van fosfors.
Verspreiding in die natuur
Oksiede van aktiniede en lantaniede word dikwels sirkonium-, torium-, yttriumaarde genoem. Hulle is die hoofbron vir die verkryging van die ooreenstemmende metale. Uraan, as die hoofverteenwoordiger van aktiniede, word in die buitenste laag van die litosfeer aangetref in die vorm van vier soorte ertse of minerale. Eerstens is dit uraanpek, wat uraandioksied is. Dit het die hoogste metaalinhoud. Dikwels gaan uraandioksied gepaard met radiumafsettings (are). Hulle word gevind in Kanada, Frankryk, Zaïre. Komplekse van torium- en uraanerts bevat dikwels ertse van ander waardevolle metale, soos goud of silwer.
Die reserwes van sulke grondstowwe is ryk in Rusland, Suid-Afrika, Kanada en Australië. Sommige sedimentêre gesteentes bevat die mineraal karnotiet. Benewens uraan bevat dit ook vanadium. Vierdedie tipe uraan grondstowwe is fosfaaterts en yster-uraan skalies. Hulle reservate is geleë in Marokko, Swede en die VSA. Tans word afsettings van bruinkool en steenkool wat uraan onsuiwerhede bevat ook as belowend beskou. Hulle word ontgin in Spanje, die Tsjeggiese Republiek, en ook in twee Amerikaanse state – Noord- en Suid-Dakota.
