Lanthanidy a aktinidy: pozice v periodické tabulce

Každý z chemických prvků zastoupených v pláště Země: atmosféra, litosféra a hydrosféra - může sloužit jako živý příklad, potvrzující zásadní význam atomové molekulární doktríny a periodického práva. Byli formulováni koryfáni přírodních věd - ruští vědci MV Lomonosov a DI Mendeleev. Lanthanidy a aktinidy jsou dvě rodiny, které obsahují 14 chemických prvků, stejně jako samotné kovy - lanthan a aktinium. Jejich vlastnosti - fyzikální i chemické - budou zkoumány v tomto článku. Dále budeme stanovit, jaká je pozice v periodickém systému vodíku, lanthanidů, aktinidů závislá na struktuře elektronických orbitálů jejich atomů.

Historie objevu

Na konci 18. století získal Yu. Gadolin první sloučeninu ze skupiny kovů vzácných zemin, oxid yttria. Před začátkem 20. století díky výzkumu G. Mosely v chemii se stalo známou existencí skupiny kovů. Byly umístěny v periodický systém mezi lanthanem a hafnium. Dalším chemickým prvkem, aktiniem, jako je lanthan, tvoří rodina 14 radioaktivních chemických prvků nazývaných aktinidy. Jejich objev ve vědě se objevil od roku 1879 až do poloviny 20. století. Lanthanidy a aktinidy mají mnoho podobností v fyzikálních i chemických vlastnostech. To může být vysvětleno uspořádání elektronů v atomu těchto kovů, které jsou v energetické hladiny, a to lanthanidu je čtvrtý stupeň f-podvrstvy, a pro aktinidy - pátý stupeň f-podvrstvy. Dále se podrobněji zabýváme elektronickými skořápkami atomů výše uvedených kovů.

Struktura vnitřních přechodových prvků ve světle atomové molekulární doktríny

Brilliant objev struktury chemických látek Lomonosov byl základem pro další studium elektronových vrstev atomů. Rutherford model základní struktury částic chemický prvek, výzkumu Max Planckova, F. Hund nechá lékárny najít správnou vysvětlení stávajících zákonů periodického vychylování fyzikálních a chemických vlastností, které se vyznačují tím, lanthanidů a aktinidů. Nejsme schopni ignorovat nejdůležitější roli DI Mendelejevova periodického práva při studiu struktury atomů přechodových prvků. Zeptejte se podrobněji na tuto otázku.

Místo interních přechodových prvků v periodické tabulce DI Mendelejeva

Ve třetí skupině šesté - po delší dobu - za lanthanem je rodina kovů, která se nachází od ceru po lutecium včetně. Na atomu lanthanu je prázdný podíl 4f a v lutecia je zcela naplněn 14 elektrony. Prvky umístěné mezi nimi jsou postupně naplněny f-orbitály. V rodině aktinidů, od thoria po laurencium, je pozorován stejný princip akumulace záporně nabitých částic s jediným rozdílem: elektronové plnění dochází na 5f podúrovni. Struktura vnější energetická úroveň a počet negativních částic na něm (rovný dvěma) pro všechny výše uvedené kovy je stejný. Tato skutečnost odpovídá na otázku, proč mají lanthanidy a aktinidy, nazývané interní přechodové prvky, mnoho podobností.

V některých zdrojích chemické literatury jsou zástupci obou rodin seskupeni do druhých sekundárních podskupin. Obsahují dva kovy z každé rodiny. V krátkém formě periodické soustavy chemických prvků zástupci DI Mendělejev těchto rodin jsou izolovány z tabulky samotné a uspořádány samostatné řádky. Proto je poloha aktinidů a lanthanidů z periodické soustavy odpovídá obecnému plánu struktury atomů a elektronů ve vnitřních úrovních periodicita naplnění a přítomnost stejného oxidace způsobené agregací vnitřní přechodné kovy v obecném skupině. V nich mají chemické prvky vlastnosti a vlastnosti rovnocenné lanthanu nebo aktinu. To je důvod, proč jsou lanthanidy a aktinidy odstraněny ze stolu chemických prvků.

Jak ovlivňuje elektronická konfigurace f-subblevel vlastnosti kovů

Jak již bylo řečeno, poloha lanthanidů a aktinidů v periodickém systému přímo určuje jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Tak iony céru, gadolinia a dalších prvků rodiny lanthanoidů mají vysoké magnetické momenty, což je způsobeno zvláštnostmi struktury f-podúrovnice. To umožnilo použití kovů jako legovacích přísad k výrobě polovodičů s magnetickými vlastnostmi. Sulfidy prvků z rodiny aktinia (například síranu protactinu, thoria) v jejich molekulách mají smíšený typ chemické vazby: iontově kovalentní nebo kovalentní kov. Tato vlastnost struktury vedla k vzhledu nové fyzikálně-chemické vlastnosti a sloužila jako odpověď na otázku, proč lanthanidy a aktinidy mají luminiscenční vlastnosti. Například, aktinium stříbřité barvy v tmě září modravou záře. To je vysvětleno působením elektrického proudu, fotonů světla na kovové ionty, pod vlivem kterého jsou atomy vzrušeny a elektrony v nich "skákají" na vyšší energetické úrovně a pak se vracejí do svých stacionárních oběžných drah. Z tohoto důvodu patří lanthanidy a aktinidy k fosforům.

Důsledky snížení iontových poloměrů atomů

V lanthanu a aktinu, jako v případě prvků z jejich rodin, dochází k monotónnímu poklesu hodnot poloměrů iontů kovů. V chemii je v takových případech obvyklé mluvit o lanthanoidní a aktinidové kompresi. V chemii je stanovena následující pravidelnost: s nárůstem náboje atomového jádra, v případě, že prvky patří do stejného období, jejich poloměry klesají. To lze vysvětlit následujícím způsobem: u kovů, jako je cer, praseodymium, neodymium, je počet energetických úrovní v jejich atomech vždy stejný jako šest. Jaderné poplatky se však odpovídajícím způsobem zvyšují o jednu a jsou +58, +59, +60. To znamená, že síla přitahování elektronů vnitřních skořepin k kladně nabitému jádru se zvyšuje. V důsledku toho se poloměry atomů snižují. V iontových sloučeninách kovů se i iontové poloměry s rostoucím pořadovým číslem snižují. Podobné změny jsou pozorovány u elementů rodiny aktinia. Proto se lanthanoidy a aktinidy nazývají dvojčata. Snížení poloměrů iontů vede především k oslabení základních vlastností hydroxidů Ce (OH)₃, Pr (OH)₃, a báze lutetia již vykazuje amfoterní vlastnosti.

K neočekávaným výsledkům vyplývá, že plnění 4f podsoustavy nepárovými elektrony vede k polovině orbitálů atomu europia. Jeho poloměr atomu neklesá, ale naopak se zvyšuje. Další elektron v lanthanidové sérii gadolinia na 5d podúrovni se objeví jako jeden elektron ze 4f podúrovnice podobně jako Eu. Taková struktura způsobuje spasmodické snížení poloměru atomu gadolinia. Podobný jev se vyskytuje u páru yterbia - lutecia. V prvním prvku je poloměr atomu velký kvůli plnému naplnění 4f podsouboru, zatímco v luteciu se náhle sníží, protože elektrony se objevují na 5d podúrovni. U aktinu a dalších radioaktivních prvků této rodiny se poloměry jejich atomů a iontů monotonicky nemění, ale stejně jako lanthanoidy se mění diskontinuálně. Takže lanthanoidy a aktinidy jsou prvky, ve kterých vlastnosti jejich sloučenin závisí korelativně na iontovém poloměru a struktuře elektronových skořepin atomů.

Valency říká

Lanthanidy a aktinidy jsou prvky, jejichž vlastnosti jsou velmi podobné. To se týká zejména jejich stupňů oxidace v iontech a valence atomů. Například thorium a protactinium, vykazující tři valence, v Th (OH)₃, PaCl₃, ThF₃, Pa₂(CO₃)._3. Všechny tyto látky jsou nerozpustné a mají stejné chemické vlastnosti, jako je kovů z rodiny lanthanitého: cer, praseodym, neodym, a tak dále v lanthanidů těchto sloučenin budou také trojmocný ... Tyto příklady opět prokazují správnost tvrzení, že lanthanidy a aktinidy jsou dvojčata. Mají podobné fyzikální a chemické vlastnosti. To lze vysvětlit především strukturou elektronických orbitálů atomů obou skupin interních přechodových prvků.

Vlastnosti kovu

Všichni zástupci obou skupin jsou kovy, ve kterých se budují 4f-, 5f- a také d-subblevels. Lanthan a prvky jeho rodiny jsou nazývány vzácnými zeminami. Jejich fyzikální a chemické vlastnosti jsou tak blízko, že jsou odděleně v laboratoři odděleny velkými obtížemi. Při použití oxidačního stavu +3 nejčastěji mají prvky řady lanthanů mnoho podobností kovy alkalických zemin (baryum, vápník, stroncium). Actinidy jsou také extrémně aktivní kovy, také radioaktivní.

Zvláštnosti struktury lanthanidů a aktinidů se také týkají vlastností, jako je například pyroforita v jemně dispergovaném stavu. Také dochází ke snížení velikosti čelních krystalových mřížkových krystalů. Dodáváme, že všechny chemické prvky obou rodin jsou kovy se stříbřitým leskem, protože jejich vysoká reaktivita rychle stmívá ve vzduchu. Jsou pokryty filtrem odpovídajícího oxidu, který chrání před další oxidací. Všechny prvky jsou dostatečně žárovzdorné, s výjimkou neptunia a plutonia, jejichž teplota tání je mnohem nižší než 1000 ° C.

Typické chemické reakce

Jak bylo uvedeno výše, lanthanidy a aktinidy jsou chemicky aktivní kovy. Lanthan, cerium a další prvky rodiny se tak snadno kombinují s jednoduchými látkami - halogeny, stejně jako s fosforem, uhlíkem. Lanthanidy mohou také interagovat jak s oxidem uhelnatým, tak s oxidem uhličitým. Jsou také schopny rozkládat vodu. Kromě jednoduchých solí, jako je například SeCl₃ nebo PrF₃, tvoří dvojnásobné soli. V analytické chemii je důležité místo obsazeno reakcemi lanthanidů kovu s aminokyselinami a kyselinami citronovou. Komplexní sloučeniny vytvořené v důsledku těchto procesů se používají k oddělení směsi lanthanoidů, například v rudách.

Při interakci s dusičnanovými, chloridovými a sulfátovými kyselinami tvoří kovy odpovídající soli. Jsou snadno rozpustné ve vodě a jsou snadno schopné vytvářet krystalické hydráty. Je třeba poznamenat, že vodné roztoky lanthanidových solí jsou zbarveny, což se vysvětluje přítomností odpovídajících iontů v nich. Roztoky solí samarium nebo praseodymu jsou zelené, neodymové - červenofialové, promethium a europium - růžové. Vzhledem k tomu, že ionty s stupněm oxidace +3 jsou barevné, používají se v analytické chemii k rozpoznání iontů lanthanidových kovů (tzv. Kvalitativní reakce). Pro tentýž účel se také používají metody chemické analýzy, jako je frakční krystalizace a iontoměničovou chromatografii.

Actinidy lze rozdělit na dvě skupiny prvků. Jedná se o berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, laurentium a uran, neptunium, plutonium a omercium. Chemické vlastnosti prvního z nich jsou podobné lanthanu a kovům z jeho rodiny. Prvky druhé skupiny mají velmi podobné chemické vlastnosti (téměř totožné). Všechny aktinidy rychle reagují s nekovy: sírou, dusíkem, uhlíkem. S ligandy obsahujícími kyslík tvoří složité sloučeniny. Jak vidíme, kovy obou rodin jsou v chemickém chování blízko sebe. To je důvod, proč jsou lanthanidy a aktinidy často nazývány dvojitými kovy.

Umístění v periodickém systému vodíku, lanthanidů, aktinidů

Je třeba vzít v úvahu skutečnost, že vodík je dostatečně reaktivní látkou. To se projevuje v závislosti na podmínkách chemické reakce: jak redukčního činidla, tak oxidačního činidla. Proto se v periodickém systému nachází vodík současně v hlavních podskupinách dvou skupin najednou.

V prvním vodíku hraje roli redukčního činidla, jako zde jsou alkalické kovy. Místo vodíku v 7. skupině spolu s prvky halogeny naznačuje jeho redukční schopnost. V šestém období, jak již bylo řečeno, rodina lanthanidů je umístěna v samostatném řádku pro pohodlí a kompaktnost stolu. Sedmé období obsahuje skupinu radioaktivních prvků, které jsou svým charakterem podobné jako aktinium. Actinoidy se nacházejí mimo tabulku chemických prvků DI Mendeleyev pod řadou řady lanthan. Tyto prvky jsou nejméně studovány, protože jádra jejich atomů jsou kvůli radioaktivitě velmi nestabilní. Připomeňme, že lanthanidy a aktinidy patří k prvkům vnitřního přechodu a jejich fyzikálně-chemické vlastnosti jsou velmi blízko sebe.

Obecné metody výroby kovů v průmyslu

S výjimkou thoria, protactinu a uranu, které jsou extrahovány přímo z rud, mohou být zbývající aktinidy získány ozařováním vzorků kovů uranu s rychle se pohybujícími neutronovými toky. V průmyslovém měřítku se neptun a plutonium extrahují z vyhořelého paliva z jaderných reaktorů. Poznamenáváme, že výroba aktinidů je poměrně složitý a nákladný proces, jehož hlavními metodami jsou iontová výměna a vícestupňová extrakce. Lanthanidy, které se nazývají prvky vzácných zemin, se získají elektrolýzou jejich chloridů nebo fluoridů. K výrobě ultračistých lanthanidů použijte metalotermální metodu.

Kde se používají interní přechodové prvky

Rozsah použití kovů, které studujeme, je poměrně široký. Pro rodinu aktinu - je především jaderné zbraně a energie. Velmi důležité jsou aktinidy v medicíně, detekce vad, aktivační analýza. Nemůžeme ignorovat použití lanthanidů a aktinidů jako zdrojů zachycování neutronů v jaderných reaktorech. Lanthanidy se také používají jako legovací přísady do železa a oceli, stejně jako při výrobě fosforu.

Distribuce v přírodě

Oxidy aktinidů a lanthanidů se často nazývají zirkonium, thorium, yttrium. Jsou hlavním zdrojem pro získání odpovídajících kovů. Uran, jako hlavní představitel aktinidů, se nachází ve vnější vrstvě litosféry ve formě čtyř druhů rud nebo minerálů. Nejdříve je to uranový dehet, kterým je oxid uraničitý. V tom je obsah kovu nejvyšší. Často je oxid uranu doprovázený ložiskem z radiu (žil). Nacházejí se v Kanadě, ve Francii, v Zaire. Komplexy thoria a uranové rudy často obsahují rudy jiných cenných kovů, například zlata nebo stříbra.

Zásoby těchto surovin jsou bohaté na Rusko, Jižní Afriku, Kanadu a Austrálii. Některé sedimentární horniny obsahují minerální karnotit. Ve svém složení je vedle uranu také vanád. Čtvrtým typem uranových surovin jsou fosfátové rudy a železná železná břidlice. Jejich rezervy jsou v Maroku, Švédsku a USA. V současné době jsou také slibné ložiska hnědého uhlí a uranu obsahujícího nečistoty. Ty jsou těženy ve Španělsku, v České republice, stejně jako ve dvou amerických státech - Severní a Jižní Dakotě.