Elk van de chemische elementen die in de schillen van de aarde worden gepresenteerd: de atmosfeer, de lithosfeer en de hydrosfeer - kan als een levendig voorbeeld dienen en het fundamentele belang van de atomaire en moleculaire theorie en de periodieke wet bevestigen. Ze werden geformuleerd door de sterren van de natuurwetenschap - Russische wetenschappers M. V. Lomonosov en D. I. Mendeleev. Lanthaniden en actiniden zijn twee families die elk 14 chemische elementen bevatten, evenals de metalen zelf - lanthaan en actinium. Hun eigenschappen - zowel fysisch als chemisch - zullen door ons in dit artikel worden besproken. Daarnaast zullen we vaststellen hoe de positie in het periodiek systeem van waterstof, lanthaniden, actiniden afhangt van de structuur van de elektronische orbitalen van hun atomen.
Ontdekkingsgeschiedenis
Aan het einde van de 18e eeuw verkreeg Y. Gadolin de eerste verbinding uit de groep van zeldzame aardmetalen - yttriumoxide. Tot het begin van de 20e eeuw werd het dankzij het onderzoek van G. Moseley in de chemie bekend over het bestaan van een groep metalen. Ze bevonden zich in het periodiek systeem tussen lanthaan en hafnium. Een ander chemisch element - actinium, zoals lanthaan, vormt een familie van 14 radioactievechemische elementen die actiniden worden genoemd. Hun ontdekking in de wetenschap vond plaats van 1879 tot het midden van de 20e eeuw. Lanthaniden en actiniden hebben veel overeenkomsten in zowel fysische als chemische eigenschappen. Dit kan worden verklaard door de rangschikking van elektronen in de atomen van deze metalen, die zich op energieniveaus bevinden, namelijk voor lanthaniden is dit het vierde niveau f-subniveau, en voor actiniden - het vijfde niveau f-subniveau. Vervolgens zullen we de elektronenschillen van de atomen van de bovengenoemde metalen in meer detail bekijken.
De structuur van interne overgangselementen in het licht van atomaire en moleculaire leringen
De ingenieuze ontdekking van de structuur van chemicaliën door MV Lomonosov vormde de basis voor verdere studie van de elektronenschillen van atomen. Het Rutherford-model van de structuur van een elementair deeltje van een chemisch element, de studies van M. Planck, F. Gund, stelden chemici in staat de juiste verklaring te vinden voor de bestaande patronen van periodieke veranderingen in fysische en chemische eigenschappen die lanthaniden en actiniden kenmerken. Het is onmogelijk om de belangrijkste rol van de periodieke wet van D. I. Mendelejev in de studie van de structuur van atomen van overgangselementen te negeren. Laten we dieper ingaan op dit probleem.
Plaats van interne overgangselementen in het periodiek systeem van D. I. Mendelejev
In de derde groep van de zesde - grotere periode - achter lanthaan bevindt zich een familie van metalen variërend van cerium tot en met lutetium. Het 4f-subniveau van het lanthaanatoom is leeg, terwijl het lutetiumatoom volledig is gevuld met het 14eelektronen. De elementen ertussen vullen geleidelijk f-orbitalen. In de familie van actiniden - van thorium tot lawrencium - wordt hetzelfde principe van accumulatie van negatief geladen deeltjes waargenomen met het enige verschil: het vullen met elektronen vindt plaats op het 5f-subniveau. De structuur van het externe energieniveau en het aantal negatieve deeltjes erop (gelijk aan twee) zijn hetzelfde voor alle bovengenoemde metalen. Dit feit beantwoordt de vraag waarom de lanthaniden en actiniden, interne overgangselementen genoemd, veel overeenkomsten hebben.
In sommige bronnen van chemische literatuur worden vertegenwoordigers van beide families gecombineerd in subgroepen van de tweede zijde. Ze bevatten twee metalen uit elke familie. In de korte vorm van het periodiek systeem van chemische elementen van D. I. Mendelejev, worden vertegenwoordigers van deze families gescheiden van de tafel zelf en in afzonderlijke rijen gerangschikt. Daarom komt de positie van lanthaniden en actiniden in het periodieke systeem overeen met het algemene plan van de structuur van atomen en de periodiciteit van het vullen van interne niveaus met elektronen, en de aanwezigheid van dezelfde oxidatietoestanden veroorzaakte de associatie van interne overgangsmetalen in gemeenschappelijke groepen. Daarin hebben chemische elementen kenmerken en eigenschappen die gelijkwaardig zijn aan lanthaan of actinium. Dat is de reden waarom de lanthaniden en actiniden van de tabel met chemische elementen worden verwijderd.
Hoe de elektronische configuratie van het f-subniveau de eigenschappen van metalen beïnvloedt
Zoals we eerder zeiden, de positie van lanthaniden en actiniden in de periodiekesysteem bepa alt direct hun fysieke en chemische eigenschappen. Zo hebben ionen van cerium, gadolinium en andere elementen van de lanthanidefamilie hoge magnetische momenten, wat wordt geassocieerd met structurele kenmerken van het f-subniveau. Dit maakte het mogelijk om metalen als doteermiddelen te gebruiken om halfgeleiders met magnetische eigenschappen te verkrijgen. Sulfiden van elementen van de actiniumfamilie (bijvoorbeeld sulfide van protactinium, thorium) in de samenstelling van hun moleculen hebben een gemengd type chemische binding: ionisch-covalent of covalent-metaal. Dit kenmerk van de structuur leidde tot de opkomst van een nieuwe fysisch-chemische eigenschap en diende als antwoord op de vraag waarom lanthaniden en actiniden lichtgevende eigenschappen hebben. Een anemoonmonster dat in het donker zilverachtig is, gloeit bijvoorbeeld met een blauwachtige gloed. Dit wordt verklaard door de werking van elektrische stroom, fotonen van licht op metaalionen, onder invloed waarvan atomen worden geëxciteerd, en de elektronen daarin "springen" naar hogere energieniveaus en keren dan terug naar hun stationaire banen. Het is om deze reden dat lanthaniden en actiniden worden geclassificeerd als fosforen.
Gevolgen van het verkleinen van de ionische stralen van atomen
In lanthaan en actinium, evenals in de elementen van hun families, is er een monotone afname van de waarde van de indicatoren van de stralen van metaalionen. In de chemie is het in dergelijke gevallen gebruikelijk om te spreken van lanthanide- en actinidecompressie. In de scheikunde is het volgende patroon vastgesteld: met een toename van de lading van de atoomkern, als de elementen tot dezelfde periode behoren, nemen hun stralen af. Dit kan als volgt worden uitgelegd:manier: voor metalen als cerium, praseodymium, neodymium is het aantal energieniveaus in hun atomen onveranderd en gelijk aan zes. De ladingen van de kernen nemen echter respectievelijk met één toe en zijn +58, +59, +60. Dit betekent dat de aantrekkingskracht van de elektronen van de binnenschillen op de positief geladen kern toeneemt. Als gevolg hiervan nemen de atoomstralen af. In ionische verbindingen van metalen, met een toename van het atoomnummer, nemen ook de ionische stralen af. Soortgelijke veranderingen worden waargenomen in de elementen van de anemonenfamilie. Daarom worden de lanthaniden en actiniden tweelingen genoemd. Een afname van de ionenstralen leidt allereerst tot een verzwakking van de basiseigenschappen van de hydroxiden Ce(OH)3, Pr(OH)3 eigenschappen.
Het vullen van het 4f-subniveau met ongepaarde elektronen tot de helft van de orbitalen van het europiumatoom leidt tot onverwachte resultaten. De atomaire straal neemt niet af, maar neemt juist toe. Gadolinium, dat het volgt in de reeks lanthaniden, heeft één elektron in het 4f-subniveau op het 5d-subniveau, vergelijkbaar met Eu. Deze structuur veroorzaakt een abrupte afname van de straal van het gadoliniumatoom. Een soortgelijk fenomeen wordt waargenomen in een paar ytterbium - lutetium. Voor het eerste element is de atomaire straal groot vanwege de volledige vulling van het 4f-subniveau, terwijl het voor lutetium abrupt afneemt, omdat het verschijnen van elektronen wordt waargenomen op het 5d-subniveau. In actinium en andere radioactieve elementen van deze familie veranderen de stralen van hun atomen en ionen niet eentonig, maar, net als de lanthaniden, stapsgewijs. Dus de lanthaniden enactiniden zijn elementen waarvan de eigenschappen van hun verbindingen correlatief afhangen van de ionische straal en de structuur van de elektronenschillen van atomen.
Valentie staten
Lanthaniden en actiniden zijn elementen waarvan de kenmerken vrij gelijkaardig zijn. Dit betreft met name hun oxidatietoestanden in ionen en de valentie van atomen. Bijvoorbeeld thorium en protactinium, die een valentie van drie vertonen, in de verbindingen Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Al deze stoffen zijn onoplosbaar en hebben dezelfde chemische eigenschappen als de metalen uit de lanthaanfamilie: cerium, praseodymium, neodymium, enz. De lanthaniden in deze verbindingen zullen ook driewaardig zijn. Deze voorbeelden bewijzen ons nogmaals de juistheid van de bewering dat lanthaniden en actiniden tweelingen zijn. Ze hebben vergelijkbare fysische en chemische eigenschappen. Dit kan voornamelijk worden verklaard door de structuur van de elektronenorbitalen van de atomen van beide families van interne overgangselementen.
Metaaleigenschappen
Alle vertegenwoordigers van beide groepen zijn metalen, waarin 4f-, 5f- en ook d-subniveaus zijn voltooid. Lanthaan en de elementen van zijn familie worden zeldzame aardmetalen genoemd. Hun fysische en chemische eigenschappen liggen zo dicht bij elkaar dat ze onder laboratoriumomstandigheden met grote moeite afzonderlijk kunnen worden gescheiden. Meestal vertonen de elementen van de lanthaanreeks een oxidatietoestand van +3 en hebben ze veel overeenkomsten met aardalkalimetalen (barium, calcium, strontium). Actiniden zijn ook extreem actieve metalen en zijn ook radioactief.
De structurele kenmerken van lanthaniden en actiniden hebben ook betrekking op eigenschappen zoals bijvoorbeeld pyrophoriciteit in een fijn gedispergeerde staat. Een afname in de grootte van de kristalroosters van metalen in het midden van het gezicht wordt ook waargenomen. We voegen eraan toe dat alle chemische elementen van beide families metalen zijn met een zilverachtige glans, vanwege hun hoge reactiviteit worden ze snel donker in de lucht. Ze zijn bedekt met een film van het overeenkomstige oxide, dat beschermt tegen verdere oxidatie. Alle elementen zijn voldoende vuurvast, met uitzondering van neptunium en plutonium, waarvan het smeltpunt ruim onder 1000 °C ligt.
Karakteristieke chemische reacties
Zoals eerder opgemerkt, zijn lanthaniden en actiniden reactieve metalen. Dus lanthaan, cerium en andere elementen van de familie zijn gemakkelijk te combineren met eenvoudige stoffen - halogenen, maar ook met fosfor, koolstof. De lanthaniden kunnen ook een interactie aangaan met zowel koolmonoxide als kooldioxide. Ze zijn ook in staat om water af te breken. Naast eenvoudige zouten, zoals SeCl3 of PrF3, vormen ze bijvoorbeeld dubbelzouten. In de analytische chemie nemen reacties van lanthanidemetalen met aminoazijn- en citroenzuur een belangrijke plaats in. De complexe verbindingen die als resultaat van dergelijke processen worden gevormd, worden gebruikt om een mengsel van lanthaniden af te scheiden, bijvoorbeeld in ertsen.
Bij interactie met nitraat-, chloride- en sulfaatzuren, metalende overeenkomstige zouten vormen. Ze zijn zeer goed oplosbaar in water en kunnen gemakkelijk kristallijne hydraten vormen. Opgemerkt moet worden dat waterige oplossingen van lanthanidezouten gekleurd zijn, wat wordt verklaard door de aanwezigheid van de overeenkomstige ionen daarin. Oplossingen van samarium- of praseodymiumzouten zijn groen, neodymium - roodviolet, promethium en europium - roze. Omdat ionen met een oxidatietoestand van +3 gekleurd zijn, wordt dit in de analytische chemie gebruikt om lanthanidemetaalionen te herkennen (zogenaamde kwalitatieve reacties). Voor hetzelfde doel worden ook chemische analysemethoden zoals fractionele kristallisatie en ionenuitwisselingschromatografie gebruikt.
Actiniden kunnen worden onderverdeeld in twee groepen elementen. Dit zijn berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium en uranium, neptunium, plutonium, omercium. De chemische eigenschappen van de eerste hiervan zijn vergelijkbaar met lanthaan en metalen uit zijn familie. De elementen van de tweede groep hebben zeer vergelijkbare chemische kenmerken (bijna identiek aan elkaar). Alle actiniden interageren snel met niet-metalen: zwavel, stikstof, koolstof. Ze vormen complexe verbindingen met zuurstofbevattende legendes. Zoals we kunnen zien, liggen de metalen van beide families dicht bij elkaar in chemisch gedrag. Dit is de reden waarom de lanthaniden en actiniden vaak tweelingmetalen worden genoemd.
Positie in het periodiek systeem van waterstof, lanthaniden, actiniden
Er moet rekening worden gehouden met het feit dat waterstof een vrij reactieve stof is. Het manifesteert zich afhankelijk van de omstandigheden van de chemische reactie: zowel als reductiemiddel als als oxidatiemiddel. Dat is de reden waarom in het periodiek systeemwaterstof bevindt zich tegelijkertijd in de hoofdsubgroepen van twee groepen tegelijk.
In het eerste speelt waterstof de rol van reductiemiddel, zoals de alkalimetalen die zich hier bevinden. De plaats van waterstof in de 7e groep, samen met de elementen halogenen, geeft het reducerende vermogen aan. In de zesde periode bevindt zich, zoals eerder vermeld, de lanthanidefamilie, in een aparte rij geplaatst voor het gemak en de compactheid van de tafel. De zevende periode bevat een groep radioactieve elementen die qua kenmerken vergelijkbaar zijn met actinium. Actiniden bevinden zich buiten de tabel met chemische elementen van D. I. Mendeleev onder de rij van de lanthaanfamilie. Deze elementen zijn het minst bestudeerd, omdat de kernen van hun atomen erg onstabiel zijn door radioactiviteit. Bedenk dat lanthaniden en actiniden interne overgangselementen zijn en dat hun fysisch-chemische kenmerken zeer dicht bij elkaar liggen.
Algemene methoden voor het produceren van metalen in de industrie
Met uitzondering van thorium, protactinium en uranium, die rechtstreeks uit ertsen worden gewonnen, kan de rest van de actiniden worden verkregen door monsters van metallisch uranium te bestralen met snel bewegende neutronenstromen. Op industriële schaal worden neptunium en plutonium gewonnen uit verbruikte splijtstof uit kernreactoren. Merk op dat de productie van actiniden een nogal gecompliceerd en duur proces is, waarvan de belangrijkste methoden ionenuitwisseling en meertrapsextractie zijn. Lanthaniden, die zeldzame aardelementen worden genoemd, worden verkregen door elektrolyse van hun chloriden of fluoriden. De metallothermische methode wordt gebruikt om ultrazuivere lanthaniden te extraheren.
Waar interne overgangselementen worden gebruikt
Het toepassingsgebied van de metalen die we bestuderen is vrij breed. Voor de anemonenfamilie zijn dit in de eerste plaats kernwapens en energie. Actiniden zijn ook belangrijk in de geneeskunde, foutdetectie en activeringsanalyse. Het is onmogelijk om het gebruik van lanthaniden en actiniden als bronnen van neutronenvangst in kernreactoren te negeren. Lanthaniden worden ook gebruikt als legeringstoevoegingen aan gietijzer en staal, evenals bij de productie van fosforen.
Verspreid in de natuur
Oxiden van actiniden en lanthaniden worden vaak zirkonium-, thorium-, yttriumaarde genoemd. Ze zijn de belangrijkste bron voor het verkrijgen van de overeenkomstige metalen. Uranium, als de belangrijkste vertegenwoordiger van actiniden, wordt in de buitenste laag van de lithosfeer aangetroffen in de vorm van vier soorten ertsen of mineralen. Allereerst is het uraniumpek, dat uraniumdioxide is. Het heeft het hoogste metaalgeh alte. Vaak gaat uraniumdioxide gepaard met radiumafzettingen (aders). Ze zijn te vinden in Canada, Frankrijk, Zaïre. Complexen van thorium- en uraniumerts bevatten vaak ertsen van andere waardevolle metalen, zoals goud of zilver.
De reserves van dergelijke grondstoffen zijn rijk in Rusland, Zuid-Afrika, Canada en Australië. Sommige sedimentaire gesteenten bevatten het mineraal carnotiet. Naast uranium bevat het ook vanadium. Vierdehet type uraniumgrondstof is fosfaaterts en ijzer-uraniumschalie. Hun reserves bevinden zich in Marokko, Zweden en de VS. Op dit moment worden afzettingen van bruinkool en steenkool die uraniumverontreinigingen bevatten ook als veelbelovend beschouwd. Ze worden gedolven in Spanje, de Tsjechische Republiek en ook in twee Amerikaanse staten - Noord- en Zuid-Dakota.
