Всеки от химическите елементи, представени в черупките на Земята: атмосферата, литосферата и хидросферата - може да послужи като ярък пример, потвърждаващ фундаменталното значение на атомната и молекулярната теория и периодичния закон. Те са формулирани от светилата на естествената наука - руските учени М. В. Ломоносов и Д. И. Менделеев. Лантанидите и актинидите са две семейства, които съдържат по 14 химични елемента, както и самите метали – лантан и актиний. Техните свойства - както физически, така и химични - ще бъдат разгледани от нас в тази статия. Освен това ще установим как позицията в периодичната система на водород, лантаниди, актиниди зависи от структурата на електронните орбитали на техните атоми.
История на откриването
В края на 18 век Й. Гадолин получава първото съединение от групата на редкоземните метали – итриевия оксид. До началото на 20 век благодарение на изследванията на Г. Мозли в химията става известно за съществуването на група метали. Те са били разположени в периодичната система между лантан и хафний. Друг химичен елемент - актиний, подобно на лантана, образува семейство от 14 радиоактивнихимични елементи, наречени актиниди. Откритието им в науката се случи от 1879 г. до средата на 20-ти век. Лантанидите и актинидите имат много прилики както във физичните, така и в химичните свойства. Това може да се обясни с подреждането на електроните в атомите на тези метали, които са на енергийни нива, а именно за лантанидите това е четвърто ниво f-подниво, а за актинидите - пето ниво f-подниво. След това ще разгледаме електронните обвивки на атомите на горните метали по-подробно.
Структурата на вътрешните преходни елементи в светлината на атомните и молекулярните учения
Гениалното откритие на структурата на химикалите от М. В. Ломоносов е в основата на по-нататъшното изследване на електронните обвивки на атомите. Моделът на Ръдърфорд за структурата на елементарна частица от химичен елемент, изследванията на M. Planck, F. Gund позволиха на химиците да намерят правилното обяснение за съществуващите модели на периодични промени във физичните и химичните свойства, които характеризират лантанидите и актинидите. Невъзможно е да се пренебрегне най-важната роля на периодичния закон на Д. И. Менделеев в изследването на структурата на атомите на преходните елементи. Нека се спрем на този въпрос по-подробно.
Място на вътрешни преходни елементи в периодичната таблица на Д. И. Менделеев
В третата група от шестия - по-голям период - зад лантана е семейство метали, вариращи от церий до лутеций включително. 4f подниво на лантановия атом е празно, докато лутециевият атом е напълно запълнен с 14-тоелектрони. Елементите, разположени между тях, постепенно запълват f-орбитали. В семейството на актинидите - от торий до лоуренций - се наблюдава същият принцип на натрупване на отрицателно заредени частици с единствената разлика: запълването с електрони става на подниво 5f. Структурата на външното енергийно ниво и броят на отрицателните частици върху него (равни на две) са еднакви за всички горепосочени метали. Този факт отговаря на въпроса защо лантанидите и актинидите, наречени вътрешни преходни елементи, имат много прилики.
В някои източници на химическа литература, представители на двете семейства са обединени във втора страна подгрупи. Те съдържат по два метала от всяко семейство. В кратката форма на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев, представителите на тези семейства са отделени от самата таблица и подредени в отделни редове. Следователно позицията на лантанидите и актинидите в периодичната система съответства на общия план на структурата на атомите и периодичността на запълване на вътрешните нива с електрони, а наличието на същите окислителни състояния причинява свързването на вътрешни преходни метали в общи групи. В тях химичните елементи имат характеристики и свойства, еквивалентни на лантан или актиний. Ето защо лантанидите и актинидите са премахнати от таблицата на химичните елементи.
Как електронната конфигурация на f-поднивото влияе върху свойствата на металите
Както казахме по-рано, позицията на лантанидите и актинидите в периодичниясистема пряко определя техните физични и химични характеристики. По този начин йони на церий, гадолиний и други елементи от семейството на лантанидите имат високи магнитни моменти, което е свързано със структурните особености на f-поднивото. Това направи възможно използването на метали като добавки за получаване на полупроводници с магнитни свойства. Сулфидите на елементите от семейството на актиниевите (например сулфид на протактиний, торий) в състава на техните молекули имат смесен тип химична връзка: йонно-ковалентна или ковалентна-метална. Тази особеност на структурата доведе до появата на ново физикохимично свойство и послужи като отговор на въпроса защо лантанидите и актинидите имат луминесцентни свойства. Например проба от анемона, която е сребриста на тъмно, свети със синкав блясък. Това се обяснява с действието на електрически ток, фотони на светлината върху метални йони, под въздействието на които атомите се възбуждат, а електроните в тях „скачат“на по-високи енергийни нива и след това се връщат в стационарните си орбити. Поради тази причина лантанидите и актинидите се класифицират като фосфори.
Последствия от намаляването на йонните радиуси на атомите
В лантана и актиния, както и в елементите от техните семейства, се наблюдава монотонно намаляване на стойността на показателите на радиусите на металните йони. В химията в такива случаи е обичайно да се говори за компресия на лантаноиди и актиниди. В химията е установена следната закономерност: с увеличаване на заряда на ядрото на атомите, ако елементите принадлежат към един и същи период, техните радиуси намаляват. Това може да се обясни по следния начинначин: за такива метали като церий, празеодим, неодим, броят на енергийните нива в техните атоми е непроменен и е равен на шест. Зарядите на ядрата обаче се увеличават съответно с едно и са +58, +59, +60. Това означава, че силата на привличане на електроните на вътрешните черупки към положително зареденото ядро се увеличава. В резултат на това атомните радиуси намаляват. В йонните съединения на металите, с увеличаване на атомния номер, йонните радиуси също намаляват. Подобни промени се наблюдават и в елементите на семейството на анемоните. Ето защо лантанидите и актинидите се наричат близнаци. Намаляването на радиусите на йоните води преди всичко до отслабване на основните свойства на хидроксидите Ce(OH)3, Pr(OH)3 имоти.
Запълването на 4f-подниво с несдвоени електрони до половината от орбиталите на европиевия атом води до неочаквани резултати. Неговият атомен радиус не намалява, а, напротив, се увеличава. Гадолиниумът, който го следва в поредицата от лантаниди, има един електрон в 4f подниво на 5d подниво, подобно на Eu. Тази структура причинява рязко намаляване на радиуса на атома гадолиний. Подобно явление се наблюдава при двойка итербий - лутеций. При първия елемент атомният радиус е голям поради пълното запълване на подниво 4f, докато за лутеций рязко намалява, тъй като появата на електрони се наблюдава на 5d подниво. В актиния и други радиоактивни елементи от това семейство радиусите на техните атоми и йони не се променят монотонно, а, подобно на лантанидите, стъпаловидно. Така лантанидите иактинидите са елементи, чиито свойства на техните съединения корелативно зависят от йонния радиус и структурата на електронните обвивки на атомите.
Валентни състояния
Лантанидите и актинидите са елементи, чиито характеристики са доста сходни. По-специално, това се отнася до техните степени на окисление в йони и валентността на атомите. Например, торий и протактиний, които показват валентност от три, в съединенията Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Всички тези вещества са неразтворими и имат същите химични свойства като металите от семейството на лантан: церий, празеодим, неодим и др. Лантанидите в тези съединения също ще бъдат тривалентни. Тези примери още веднъж ни доказват правилността на твърдението, че лантанидите и актинидите са близнаци. Те имат сходни физични и химични свойства. Това може да се обясни преди всичко със структурата на електронните орбитали на атомите на двете семейства вътрешни преходни елементи.
Свойства на метали
Всички представители на двете групи са метали, в които са завършени 4f-, 5f-, а също и d-поднива. Лантана и елементите от неговото семейство се наричат редки земни елементи. Техните физични и химични характеристики са толкова близки, че се отделят отделно в лабораторни условия с голяма трудност. Най-често показващи степен на окисление от +3, елементите от лантанова серия имат много прилики с алкалоземните метали (барий, калций, стронций). Актинидите също са изключително активни метали и също са радиоактивни.
Структурните характеристики на лантанидите и актинидите също се отнасят до такива свойства, като например пирофорност във фино диспергирано състояние. Наблюдава се и намаляване на размера на лицево-центрираните кристални решетки на металите. Добавяме, че всички химични елементи на двете семейства са метали със сребрист блясък, поради високата си реактивност те бързо потъмняват на въздух. Те са покрити с филм от съответния оксид, който предпазва от по-нататъшно окисляване. Всички елементи са достатъчно огнеупорни, с изключение на нептуний и плутоний, чиято точка на топене е доста под 1000 °C.
Характерни химични реакции
Както беше отбелязано по-рано, лантанидите и актинидите са реактивни метали. Така че, лантан, церий и други елементи от семейството лесно се комбинират с прости вещества - халогени, както и с фосфор, въглерод. Лантанидите могат също да взаимодействат както с въглероден оксид, така и с въглероден диоксид. Те също така са способни да разлагат вода. В допълнение към простите соли, като например SeCl3 или PrF3, те образуват двойни соли. В аналитичната химия реакциите на лантанидни метали с аминооцетна и лимонена киселини заемат важно място. Комплексните съединения, образувани в резултат на такива процеси, се използват за отделяне на смес от лантаниди, например в руди.
При взаимодействие с нитратни, хлоридни и сулфатни киселини, металиобразуват съответните соли. Те са силно разтворими във вода и лесно могат да образуват кристални хидрати. Трябва да се отбележи, че водните разтвори на лантанидни соли са оцветени, което се обяснява с наличието на съответните йони в тях. Разтворите на самариеви или празеодимови соли са зелени, неодим - червено-виолетов, прометий и европий - розов. Тъй като йони със степен на окисление +3 са оцветени, това се използва в аналитичната химия за разпознаване на лантанидни метални йони (т.нар. качествени реакции). За същата цел се използват и методи за химичен анализ като фракционна кристализация и йонообменна хроматография.
Актинидите могат да бъдат разделени на две групи елементи. Това са беркелий, фермий, менделевий, нобелий, лоуренций и уран, нептуний, плутоний, омерций. Химичните свойства на първия от тях са подобни на лантана и металите от неговото семейство. Елементите от втората група имат много сходни химични характеристики (почти идентични един с друг). Всички актиниди бързо взаимодействат с неметали: сяра, азот, въглерод. Те образуват сложни съединения с кислород-съдържащи легенди. Както виждаме, металите от двете семейства са близки един до друг по химическо поведение. Ето защо лантанидите и актинидите често се наричат двойни метали.
Позиция в периодичната система на водород, лантаноиди, актиниди
Необходимо е да се вземе предвид фактът, че водородът е доста реактивно вещество. Той се проявява в зависимост от условията на химическата реакция: както като редуциращ агент, така и като окислител. Ето защо в периодичната системаводородът се намира едновременно в основните подгрупи на две групи наведнъж.
В първия водородът играе ролята на редуциращ агент, подобно на алкалните метали, намиращи се тук. Мястото на водорода в 7-ма група, заедно с елементите халогени, показва неговата редукционна способност. В шестия период, както вече беше споменато, се намира семейството на лантанидите, поставено в отделен ред за удобство и компактност на масата. Седмият период съдържа група радиоактивни елементи, подобни по характеристики на актиния. Актинидите са разположени извън таблицата на химичните елементи на Д. И. Менделеев под реда на семейството на лантан. Тези елементи са най-малко проучени, тъй като ядрата на техните атоми са много нестабилни поради радиоактивност. Припомнете си, че лантанидите и актинидите са вътрешни преходни елементи и техните физикохимични характеристики са много близки един до друг.
Общи методи за производство на метали в индустрията
С изключение на торий, протактиний и уран, които се добиват директно от руди, останалите актиниди могат да бъдат получени чрез облъчване на проби от метален уран с бързо движещи се неутронни потоци. В промишлен мащаб нептуний и плутоний се добиват от отработено гориво от ядрени реактори. Имайте предвид, че производството на актиниди е доста сложен и скъп процес, чиито основни методи са йонен обмен и многоетапна екстракция. Лантанидите, които се наричат редкоземни елементи, се получават чрез електролиза на техните хлориди или флуориди. Металотермичният метод се използва за извличане на свръхчисти лантаноиди.
Където се използват вътрешни преходни елементи
Обхватът на използване на металите, които изучаваме, е доста широк. За семейството на анемоните това е преди всичко ядрено оръжие и енергия. Актинидите също са важни в медицината, откриването на дефекти и анализа на активиране. Невъзможно е да се пренебрегне използването на лантаниди и актиниди като източници на улавяне на неутрони в ядрени реактори. Лантанидите се използват също като легиращи добавки към чугун и стомана, както и при производството на фосфор.
Разпространение сред природата
Оксидите на актинидите и лантанидите често се наричат циркониеви, ториеви, итриеви земи. Те са основният източник за получаване на съответните метали. Уранът, като основен представител на актинидите, се намира във външния слой на литосферата под формата на четири вида руди или минерали. На първо място, това е уранова смола, която е уранов диоксид. Има най-високо съдържание на метал. Често урановият диоксид е придружен от радиеви отлагания (вени). Срещат се в Канада, Франция, Заир. Комплексите от ториеви и уранови руди често съдържат руди от други ценни метали, като злато или сребро.
Запасите от такива суровини са богати в Русия, Южна Африка, Канада и Австралия. Някои седиментни скали съдържат минерала карнотит. Освен уран съдържа и ванадий. Четвъртовидът на урановите суровини са фосфатни руди и желязо-уранови шисти. Техните резерви се намират в Мароко, Швеция и САЩ. Понастоящем за перспективни се считат и находищата на лигнит и въглища, съдържащи примеси от уран. Те се добиват в Испания, Чехия, а също и в два американски щата - Северна и Южна Дакота.
