Każdy z pierwiastków chemicznych przedstawionych w powłokach Ziemi: atmosfera, litosfera i hydrosfera - może służyć jako żywy przykład, potwierdzający fundamentalne znaczenie teorii atomowej i molekularnej oraz prawa okresowości. Zostały sformułowane przez luminarzy nauk przyrodniczych - rosyjskich naukowców M. V. Lomonosova i D. I. Mendelejewa. Lantanowce i aktynowce to dwie rodziny, które zawierają po 14 pierwiastków chemicznych, a także same metale - lantan i aktyn. Ich właściwości – zarówno fizyczne, jak i chemiczne – będą przez nas rozważane w tym artykule. Ponadto ustalimy, jak położenie w układzie okresowym wodoru, lantanowców, aktynowców zależy od struktury orbitali elektronowych ich atomów.
Historia odkryć
Pod koniec XVIII wieku Y. Gadolin otrzymał pierwszy związek z grupy metali ziem rzadkich - tlenek itru. Aż do początku XX wieku dzięki badaniom chemicznym G. Moseleya dowiedziano się o istnieniu grupy metali. Znajdowały się one w układzie okresowym między lantanem a hafnem. Inny pierwiastek chemiczny - aktyn, podobnie jak lantan, tworzy rodzinę 14 radioaktywnychpierwiastki chemiczne zwane aktynami. Ich odkrycie w nauce miało miejsce od 1879 do połowy XX wieku. Lantanowce i aktynowce mają wiele podobieństw zarówno pod względem właściwości fizycznych, jak i chemicznych. Można to wytłumaczyć układem elektronów w atomach tych metali, które znajdują się na poziomach energetycznych, a mianowicie dla lantanowców jest to czwarty poziom f-podpoziom, a dla aktynowców - piąty poziom f-podpoziom. Następnie bardziej szczegółowo rozważymy powłoki elektronowe atomów powyższych metali.
Struktura wewnętrznych elementów przejściowych w świetle nauk atomowych i molekularnych
Genialne odkrycie struktury związków chemicznych przez MV Łomonosowa było podstawą do dalszych badań powłok elektronowych atomów. Model Rutherforda struktury cząstki elementarnej pierwiastka chemicznego, badania M. Plancka, F. Gunda pozwoliły chemikom znaleźć prawidłowe wyjaśnienie istniejących wzorców okresowych zmian właściwości fizycznych i chemicznych charakteryzujących lantanowce i aktynowce. Nie można zignorować najważniejszej roli prawa okresowego D. I. Mendelejewa w badaniu struktury atomów pierwiastków przejściowych. Zajmijmy się tym zagadnieniem bardziej szczegółowo.
Miejsce wewnętrznych elementów przejściowych w układzie okresowym D. I. Mendelejewa
W trzeciej grupie szóstego - większego okresu - za lantanem znajduje się rodzina metali, od ceru do lutetu włącznie. Podpoziom 4f atomu lantanu jest pusty, podczas gdy atom lutetu jest całkowicie wypełniony czternastymelektrony. Znajdujące się pomiędzy nimi elementy stopniowo wypełniają orbitale. W rodzinie aktynowców - od toru po lawrencjum - obserwuje się tę samą zasadę akumulacji ujemnie naładowanych cząstek, z tą tylko różnicą: wypełnienie elektronami następuje na podpoziomie 5f. Struktura zewnętrznego poziomu energii i liczba na nim cząstek ujemnych (równa dwóm) są takie same dla wszystkich powyższych metali. Fakt ten odpowiada na pytanie, dlaczego lantanowce i aktynowce, zwane wewnętrznymi pierwiastkami przejściowymi, mają wiele podobieństw.
W niektórych źródłach literatury chemicznej przedstawiciele obu rodzin są połączeni w podgrupy drugiej strony. Zawierają po dwa metale z każdej rodziny. W krótkiej formie układu okresowego pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa przedstawiciele tych rodzin są oddzieleni od samego stołu i umieszczeni w osobnych rzędach. Dlatego położenie lantanowców i aktynowców w układzie okresowym odpowiada ogólnemu planowi budowy atomów i okresowości wypełniania wewnętrznych poziomów elektronami, a obecność tych samych stopni utlenienia powodowała łączenie się wewnętrznych metali przejściowych w wspólne grupy. W nich pierwiastki chemiczne mają cechy i właściwości równoważne lantanowi lub aktynie. Dlatego lantanowce i aktynowce są usuwane z tabeli pierwiastków chemicznych.
Jak elektroniczna konfiguracja podpoziomu f wpływa na właściwości metali
Jak powiedzieliśmy wcześniej, pozycja lantanowców i aktynowców w okresachsystem bezpośrednio determinuje ich właściwości fizyczne i chemiczne. Tak więc jony ceru, gadolinu i innych pierwiastków z rodziny lantanowców mają wysokie momenty magnetyczne, co jest związane z cechami strukturalnymi podpoziomu f. Umożliwiło to zastosowanie metali jako domieszek w celu uzyskania półprzewodników o właściwościach magnetycznych. Siarczki pierwiastków z rodziny aktyn (na przykład siarczek protaktynu, toru) w składzie ich cząsteczek mają mieszany typ wiązania chemicznego: jonowo-kowalencyjny lub kowalencyjny. Ta cecha struktury doprowadziła do pojawienia się nowej właściwości fizykochemicznej i była odpowiedzią na pytanie, dlaczego lantanowce i aktynowce mają właściwości luminescencyjne. Na przykład próbka anemonu, który jest srebrzysty w ciemności, świeci niebieskawą poświatą. Tłumaczy się to działaniem prądu elektrycznego, fotonów światła na jony metali, pod wpływem których wzbudzane są atomy, a znajdujące się w nich elektrony „przeskakują” na wyższe poziomy energetyczne, a następnie powracają na swoje stacjonarne orbity. Z tego powodu lantanowce i aktynowce są klasyfikowane jako luminofory.
Konsekwencje zmniejszenia promieni jonowych atomów
W lantanie i aktynie oraz pierwiastkach z ich rodzin następuje jednostajny spadek wartości wskaźników promieni jonów metali. W chemii w takich przypadkach zwykle mówi się o kompresji lantanowców i aktynowców. W chemii ustalono następujący wzór: wraz ze wzrostem ładunku jądra atomów, jeśli pierwiastki należą do tego samego okresu, ich promienie maleją. Można to wyjaśnić w następujący sposóbsposób: dla takich metali jak cer, prazeodym, neodym, liczba poziomów energetycznych w ich atomach jest niezmienna i wynosi sześć. Jednak ładunki jąder odpowiednio wzrastają o jeden i wynoszą +58, +59, +60. Oznacza to, że siła przyciągania elektronów wewnętrznych powłok do dodatnio naładowanego jądra wzrasta. W rezultacie zmniejszają się promienie atomowe. W jonowych związkach metali wraz ze wzrostem liczby atomowej zmniejszają się również promienie jonowe. Podobne zmiany obserwuje się w elementach rodziny zawilców. Dlatego lantanowce i aktynowce nazywane są bliźniakami. Zmniejszenie promieni jonów prowadzi przede wszystkim do osłabienia podstawowych właściwości wodorotlenków Ce(OH)3, Pr(OH)3 właściwości.
Wypełnianie podpoziomu 4f niesparowanymi elektronami do połowy orbitali atomu europu prowadzi do nieoczekiwanych rezultatów. Jego promień atomowy nie zmniejsza się, ale wręcz przeciwnie, wzrasta. Gadolin, który następuje po nim w szeregu lantanowców, ma jeden elektron na podpoziomie 4f na podpoziomie 5d, podobnie jak Eu. Taka struktura powoduje gwałtowny spadek promienia atomu gadolinu. Podobne zjawisko obserwuje się w parze iterb - lutet. Dla pierwszego pierwiastka promień atomowy jest duży ze względu na całkowite wypełnienie podpoziomu 4f, podczas gdy dla lutetu gwałtownie się zmniejsza, ponieważ pojawienie się elektronów obserwuje się na podpoziomie 5d. W aktynie i innych pierwiastkach promieniotwórczych z tej rodziny promienie ich atomów i jonów nie zmieniają się jednostajnie, ale, podobnie jak lantanowce, stopniowo. Tak więc lantanowce iaktynowce to pierwiastki, których właściwości ich związków są skorelowane z promieniem jonowym i strukturą powłok elektronowych atomów.
Stany Walencji
Lantanowce i aktynowce to pierwiastki, których właściwości są dość podobne. W szczególności dotyczy to ich stanów utlenienia w jonach oraz wartościowości atomów. Na przykład tor i protaktyn, które wykazują wartościowość trzy, w związkach Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Wszystkie te substancje są nierozpuszczalne i mają takie same właściwości chemiczne jak metale z rodziny lantanów: cer, prazeodym, neodym itp. Lantanowce w tych związkach również będą trójwartościowe. Te przykłady po raz kolejny dowodzą nam słuszności stwierdzenia, że lantanowce i aktynowce są bliźniakami. Mają podobne właściwości fizyczne i chemiczne. Można to wyjaśnić przede wszystkim strukturą orbitali elektronowych atomów obu rodzin wewnętrznych pierwiastków przejściowych.
Właściwości metalu
Wszyscy przedstawiciele obu grup to metale, w których ukończone są 4f-, 5f-, a także d-podpoziomy. Lantan i elementy jego rodziny nazywane są pierwiastkami ziem rzadkich. Ich właściwości fizyczne i chemiczne są tak zbliżone, że z dużym trudem oddziela się je oddzielnie w warunkach laboratoryjnych. Najczęściej wykazując stopień utlenienia +3, pierwiastki szeregu lantanu mają wiele podobieństw do metali ziem alkalicznych (bar, wapń, stront). Aktynowce są również niezwykle aktywnymi metalami, a także są radioaktywne.
Właściwości strukturalne lantanowców i aktynowców odnoszą się również do takich właściwości, jak na przykład piroforyczność w stanie drobno rozproszonym. Obserwuje się również zmniejszenie wielkości skoncentrowanych na ścianach sieci krystalicznych metali. Dodajemy, że wszystkie pierwiastki chemiczne obu rodzin to metale o srebrzystym połysku, ze względu na wysoką reaktywność szybko ciemnieją w powietrzu. Pokryte są filmem odpowiedniego tlenku, który zabezpiecza przed dalszym utlenianiem. Wszystkie pierwiastki są wystarczająco ogniotrwałe, z wyjątkiem neptunu i plutonu, których temperatura topnienia jest znacznie poniżej 1000 °C.
Charakterystyczne reakcje chemiczne
Jak wspomniano wcześniej, lantanowce i aktynowce są metalami reaktywnymi. Tak więc lantan, cer i inne elementy rodziny łatwo łączą się z prostymi substancjami - halogenami, a także z fosforem, węglem. Lantanowce mogą również oddziaływać zarówno z tlenkiem węgla, jak i dwutlenkiem węgla. Są również zdolne do rozkładu wody. Oprócz prostych soli, takich jak np. SeCl3 lub PrF3 tworzą one sole podwójne. W chemii analitycznej ważne miejsce zajmują reakcje metali lantanowców z kwasami aminooctowymi i cytrynowymi. Złożone związki powstałe w wyniku takich procesów są wykorzystywane do oddzielania mieszaniny lantanowców, na przykład w rudach.
Podczas interakcji z kwasami azotanowymi, chlorkowymi i siarczanowymi, metalamitworzą odpowiednie sole. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie i łatwo tworzą krystaliczne hydraty. Należy zauważyć, że wodne roztwory soli lantanowców są zabarwione, co tłumaczy się obecnością w nich odpowiednich jonów. Roztwory soli samaru lub prazeodymu są zielone, neodymowe - czerwono-fioletowe, prometowe i europowe - różowe. Ponieważ jony o stopniu utlenienia +3 są zabarwione, jest to wykorzystywane w chemii analitycznej do rozpoznawania jonów metali lantanowców (tzw. reakcje jakościowe). W tym samym celu stosuje się również metody analizy chemicznej, takie jak krystalizacja frakcyjna i chromatografia jonowymienna.
Aktynowce można podzielić na dwie grupy pierwiastków. Są to berkel, ferm, mendelew, nobel, lawrencjum i uran, neptun, pluton, omercjum. Właściwości chemiczne pierwszego z nich są podobne do lantanu i metali z jego rodziny. Elementy drugiej grupy mają bardzo podobne właściwości chemiczne (prawie identyczne). Wszystkie aktynowce szybko oddziałują z niemetalami: siarką, azotem, węglem. Tworzą złożone związki z legendami zawierającymi tlen. Jak widać, metale obu rodzin są do siebie zbliżone pod względem zachowania chemicznego. Właśnie dlatego lantanowce i aktynowce są często określane jako metale bliźniacze.
Pozycja w układzie okresowym wodoru, lantanowców, aktynowców
Należy wziąć pod uwagę fakt, że wodór jest substancją dość reaktywną. Przejawia się w zależności od warunków reakcji chemicznej: zarówno jako czynnik redukujący, jak i utleniający. Dlatego w układzie okresowymwodór znajduje się jednocześnie w głównych podgrupach dwóch grup jednocześnie.
W pierwszym przypadku wodór pełni rolę czynnika redukującego, podobnie jak znajdujące się tutaj metale alkaliczne. Miejsce wodoru w grupie 7 wraz z pierwiastkami halogenowymi wskazuje na jego zdolność redukcyjną. W szóstym okresie, jak już wspomniano, znajduje się rodzina lantanowców, umieszczona w osobnym rzędzie dla wygody i zwartości stołu. Siódmy okres zawiera grupę pierwiastków promieniotwórczych o właściwościach podobnych do aktynu. Aktynowce znajdują się poza tabelą pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa pod rzędem rodziny lantanów. Pierwiastki te są najmniej zbadane, ponieważ jądra ich atomów są bardzo niestabilne z powodu radioaktywności. Przypomnijmy, że lantanowce i aktynowce są wewnętrznymi pierwiastkami przejściowymi, a ich właściwości fizykochemiczne są bardzo zbliżone.
Ogólne metody produkcji metali w przemyśle
Z wyjątkiem toru, protaktynu i uranu, które wydobywa się bezpośrednio z rud, resztę aktynowców można uzyskać przez napromieniowanie próbek metalicznego uranu szybko poruszającymi się strumieniami neutronów. Na skalę przemysłową neptun i pluton są wydobywane z wypalonego paliwa z reaktorów jądrowych. Należy zauważyć, że produkcja aktynowców jest dość skomplikowanym i kosztownym procesem, którego głównymi metodami są wymiana jonowa i wieloetapowa ekstrakcja. Lantanowce, zwane pierwiastkami ziem rzadkich, otrzymywane są przez elektrolizę ich chlorków lub fluorków. Do ekstrakcji ultraczystych lantanowców stosowana jest metoda metalotermiczna.
Gdzie używane są wewnętrzne elementy przejściowe
Zakres wykorzystania badanych przez nas metali jest dość szeroki. Dla rodziny ukwiałów jest to przede wszystkim broń jądrowa i energia. Aktynowce są również ważne w medycynie, wykrywaniu wad i analizie aktywacji. Nie można zignorować stosowania lantanowców i aktynowców jako źródeł wychwytywania neutronów w reaktorach jądrowych. Lantanowce stosuje się również jako dodatki stopowe do żeliwa i stali, a także do produkcji luminoforów.
Rozprzestrzeniaj się w naturze
Tlenki aktynowców i lantanowców są często nazywane ziemiami cyrkonu, toru, itru. Są głównym źródłem pozyskiwania odpowiednich metali. Uran, jako główny przedstawiciel aktynowców, występuje w zewnętrznej warstwie litosfery w postaci czterech rodzajów rud lub minerałów. Przede wszystkim jest to pak uranowy, czyli dwutlenek uranu. Posiada najwyższą zawartość metalu. Często dwutlenkowi uranu towarzyszą złogi radu (żyły). Występują w Kanadzie, Francji, Zairze. Kompleksy rud toru i uranu często zawierają rudy innych cennych metali, takich jak złoto czy srebro.
Zasoby takich surowców są bogate w Rosji, Afryce Południowej, Kanadzie i Australii. Niektóre skały osadowe zawierają mineralny karnotyt. Oprócz uranu zawiera również wanad. Czwartyrodzajem surowców uranowych są rudy fosforanowe i łupki żelazowo-uranowe. Ich rezerwy znajdują się w Maroku, Szwecji i USA. Obecnie za obiecujące uważa się również złoża węgla brunatnego i węglowego zawierające zanieczyszczenia uranowe. Wydobywane są w Hiszpanii, Czechach, a także w dwóch stanach USA - Dakocie Północnej i Południowej.
