Svaki od hemijskih elemenata predstavljenih u ljuskama Zemlje: atmosfera, litosfera i hidrosfera - može poslužiti kao živopisan primjer, koji potvrđuje fundamentalni značaj atomske i molekularne teorije i periodičnog zakona. Formulisali su ih svetila prirodne nauke - ruski naučnici M. V. Lomonosov i D. I. Mendeljejev. Lantanidi i aktinidi su dvije porodice koje sadrže po 14 hemijskih elemenata, kao i same metale - lantan i aktinijum. Njihova svojstva – fizička i hemijska – razmotrićemo u ovom radu. Pored toga, ustanovićemo kako pozicija u periodičnom sistemu vodonika, lantanida, aktinida zavisi od strukture elektronskih orbitala njihovih atoma.
Historija otkrića
Krajem 18. veka, Y. Gadolin je dobio prvo jedinjenje iz grupe retkih zemnih metala - itrijum oksid. Sve do početka 20. veka, zahvaljujući istraživanjima G. Moseleya u hemiji, saznalo se za postojanje grupe metala. Nalazili su se u periodičnom sistemu između lantana i hafnijuma. Drugi hemijski element - aktinijum, kao i lantan, čini porodicu od 14 radioaktivnihhemijski elementi koji se nazivaju aktinidi. Njihovo otkriće u nauci dogodilo se od 1879. do sredine 20. vijeka. Lantanoidi i aktinidi imaju dosta sličnosti u fizičkim i hemijskim svojstvima. Ovo se može objasniti rasporedom elektrona u atomima ovih metala, koji se nalaze na energetskim nivoima, naime, za lantanoide je ovo četvrti nivo f-podnivo, a za aktinide - peti nivo f-podnivo. Zatim ćemo detaljnije razmotriti elektronske ljuske atoma gore navedenih metala.
Struktura unutrašnjih prelaznih elemenata u svetlu atomskih i molekularnih učenja
Genijalno otkriće strukture hemikalija MV Lomonosova bilo je osnova za dalje proučavanje elektronskih omotača atoma. Rutherfordov model strukture elementarne čestice hemijskog elementa, studije M. Plancka, F. Gunda omogućile su hemičarima da pronađu ispravno objašnjenje za postojeće obrasce periodičnih promjena fizičkih i kemijskih svojstava koje karakteriziraju lantanide i aktinide. Nemoguće je zanemariti najvažniju ulogu periodičnog zakona D. I. Mendeljejeva u proučavanju strukture atoma prelaznih elemenata. Hajde da se zadržimo na ovom pitanju detaljnije.
Mesto internih prelaznih elemenata u periodnom sistemu D. I. Mendeljejeva
U trećoj grupi šestog - većeg perioda - iza lantana nalazi se porodica metala u rasponu od cerijuma do uključujući lutecijum. 4f podnivo atoma lantana je prazan, dok je atom lutecijuma potpuno ispunjen 14.elektrona. Elementi koji se nalaze između njih postepeno ispunjavaju f-orbitale. U porodici aktinida - od torija do Lawrencijuma - primjećuje se isti princip akumulacije negativno nabijenih čestica s jedinom razlikom: punjenje elektronima se događa na 5f podnivou. Struktura vanjskog energetskog nivoa i broj negativnih čestica na njemu (jednak dva) isti su za sve gore navedene metale. Ova činjenica daje odgovor na pitanje zašto lantanidi i aktinidi, koji se nazivaju unutrašnji prijelazni elementi, imaju mnogo sličnosti.
U nekim izvorima hemijske literature, predstavnici obe porodice su kombinovani u podgrupe druge strane. Sadrže dva metala iz svake porodice. U kratkom obliku periodnog sistema hemijskih elemenata D. I. Mendelejeva, predstavnici ovih porodica su odvojeni od same tabele i raspoređeni u posebne redove. Dakle, položaj lantanida i aktinida u periodnom sistemu odgovara opštem planu strukture atoma i periodičnosti punjenja unutrašnjih nivoa elektronima, a prisustvo istih oksidacionih stanja uslovilo je asocijaciju unutrašnjih prelaznih metala u zajedničke grupe.. U njima hemijski elementi imaju karakteristike i svojstva ekvivalentna lantanu ili aktinijumu. Zbog toga su lantanidi i aktinidi uklonjeni iz tabele hemijskih elemenata.
Kako elektronska konfiguracija f-podnivoa utiče na svojstva metala
Kao što smo ranije rekli, položaj lantanida i aktinida u periodičnojsistem direktno određuje njihove fizičke i hemijske karakteristike. Dakle, joni cerijuma, gadolinijuma i drugih elemenata iz porodice lantanida imaju visoke magnetne momente, što je povezano sa strukturnim karakteristikama f-podnivoa. To je omogućilo korištenje metala kao dodataka za dobivanje poluvodiča s magnetskim svojstvima. Sulfidi elemenata familije aktinijuma (na primjer, sulfid protaktinija, torija) u sastavu svojih molekula imaju mješovitu vrstu kemijske veze: ionsko-kovalentna ili kovalentna-metalna. Ova karakteristika strukture dovela je do pojave novog fizičko-hemijskog svojstva i poslužila je kao odgovor na pitanje zašto lantanidi i aktinidi imaju luminescentna svojstva. Na primjer, uzorak anemone koji je srebrnast u mraku svijetli plavkastim sjajem. To se objašnjava djelovanjem električne struje, fotona svjetlosti na ione metala, pod čijim utjecajem se atomi pobuđuju, a elektroni u njima "skaču" na više energetske razine i potom se vraćaju u svoje stacionarne orbite. Iz tog razloga su lantanidi i aktinidi klasifikovani kao fosfori.
Posljedice smanjenja jonskog radijusa atoma
U lantanu i aktinijumu, kao i u elementima iz njihovih porodica, dolazi do monotonog smanjenja vrijednosti indikatora radijusa metalnih jona. U hemiji se u takvim slučajevima uobičajeno govori o kompresiji lantanida i aktinida. U hemiji je ustanovljen sljedeći obrazac: s povećanjem naboja jezgra atoma, ako elementi pripadaju istom periodu, njihovi radijusi se smanjuju. Ovo se može objasniti na sljedeći načinnačin: za takve metale kao što su cerij, prazeodimijum, neodimijum, broj energetskih nivoa u njihovim atomima je nepromenjen i jednak je šest. Međutim, naboji jezgara se povećavaju za jedan i iznose +58, +59, +60. To znači da se povećava sila privlačenja elektrona unutrašnjih ljuski na pozitivno nabijeno jezgro. Kao rezultat, atomski radijusi se smanjuju. U ionskim spojevima metala, s povećanjem atomskog broja, smanjuju se i ionski radijusi. Slične promjene uočene su i u elementima porodice anemona. Zbog toga se lantanidi i aktinidi nazivaju blizancima. Smanjenje radijusa jona dovodi, prije svega, do slabljenja osnovnih svojstava hidroksida Ce(OH)3, Pr(OH)3 svojstva.
Popunjavanje 4f-podnivoa nesparenim elektronima do polovine orbitala atoma europijuma dovodi do neočekivanih rezultata. Njegov atomski radijus se ne smanjuje, već se, naprotiv, povećava. Gadolinijum, koji ga prati u nizu lantanida, ima jedan elektron u 4f podnivou na 5d podnivou, slično kao Eu. Ova struktura uzrokuje naglo smanjenje radijusa atoma gadolinijuma. Sličan fenomen je uočen u paru iterbija - lutecijuma. Za prvi element atomski radijus je veliki zbog potpunog punjenja 4f podnivoa, dok se za lutecij naglo smanjuje, jer se pojava elektrona uočava na 5d podnivou. U aktinijumu i drugim radioaktivnim elementima ove porodice, radijusi njihovih atoma i jona se ne mijenjaju monotono, već se, poput lantanida, postupno. Dakle, lantanidi iaktinidi su elementi čija svojstva njihovih spojeva korelativno zavise od ionskog radijusa i strukture elektronskih omotača atoma.
Valencijska stanja
Lantanidi i aktinidi su elementi čije su karakteristike prilično slične. To se posebno odnosi na njihova oksidaciona stanja u ionima i valenciju atoma. Na primjer, torijum i protaktinijum, koji pokazuju valencu od tri, u jedinjenjima Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Sve ove supstance su nerastvorljive i imaju ista hemijska svojstva kao i metali iz porodice lantana: cerij, prazeodimijum, neodimijum, itd. Lantanidi u ovim jedinjenjima će takođe biti trovalentni. Ovi primjeri nam još jednom dokazuju tačnost tvrdnje da su lantanidi i aktinidi blizanci. Imaju slična fizička i hemijska svojstva. Ovo se prvenstveno može objasniti strukturom elektronskih orbitala atoma obe porodice unutrašnjih prelaznih elemenata.
Metalna svojstva
Svi predstavnici obe grupe su metali, u kojima su završeni 4f-, 5f-, kao i d-podnivoi. Lantan i elementi njegove porodice nazivaju se rijetkim zemljama. Njihove fizičke i hemijske karakteristike su toliko bliske da se teško odvajaju u laboratorijskim uslovima. Najčešće pokazujući oksidaciono stanje od +3, elementi serije lantana imaju mnogo sličnosti sa zemnoalkalnim metalima (barijum, kalcijum, stroncijum). Aktinidi su takođe izuzetno aktivni metali, a takođe su i radioaktivni.
Strukturne karakteristike lantanida i aktinida takođe se odnose na svojstva kao što je, na primer, pirofornost u fino dispergovanom stanju. Uočeno je i smanjenje veličine kristalnih rešetki metala usmjerenih na lice. Dodajmo da su svi hemijski elementi obe porodice metali srebrnastog sjaja, koji zbog svoje visoke reaktivnosti brzo potamne na vazduhu. Prekriveni su filmom odgovarajućeg oksida koji štiti od daljnje oksidacije. Svi elementi su dovoljno vatrostalni, sa izuzetkom neptunija i plutonijuma, čija je tačka topljenja znatno ispod 1000 °C.
Karakteristične hemijske reakcije
Kao što je ranije navedeno, lantanidi i aktinidi su reaktivni metali. Dakle, lantan, cerij i drugi elementi porodice lako se kombinuju sa jednostavnim supstancama - halogenima, kao i sa fosforom, ugljenikom. Lantanidi također mogu stupiti u interakciju s ugljičnim monoksidom i ugljičnim dioksidom. Oni su takođe sposobni da razgrađuju vodu. Pored jednostavnih soli, kao što su SeCl3 ili PrF3, na primjer, formiraju dvostruke soli. U analitičkoj hemiji značajno mjesto zauzimaju reakcije lantanidnih metala sa aminosirćetnom i limunskom kiselinom. Kompleksna jedinjenja nastala kao rezultat takvih procesa koriste se za odvajanje mešavine lantanida, na primer, u rudama.
Pri interakciji sa nitratnim, hloridnim i sulfatnim kiselinama, metalimaformiraju odgovarajuće soli. Vrlo su topljivi u vodi i lako mogu formirati kristalne hidrate. Treba napomenuti da su vodene otopine soli lantanida obojene, što se objašnjava prisustvom odgovarajućih iona u njima. Otopine soli samarija ili prazeodijuma su zelene, neodimijum - crveno-ljubičaste, prometijum i europijum - ružičaste. Pošto su joni sa oksidacionim stanjem +3 obojeni, ovo se koristi u analitičkoj hemiji za prepoznavanje lantanidnih metalnih jona (tzv. kvalitativne reakcije). U istu svrhu koriste se i metode hemijske analize kao što su frakciona kristalizacija i ionsko-izmjenjivačka hromatografija.
Aktinidi se mogu podijeliti u dvije grupe elemenata. To su berkelijum, fermijum, mendelevijum, nobelijum, lorencijum i uranijum, neptunijum, plutonijum, omercijum. Hemijska svojstva prvog od njih su slična lantanu i metalima iz njegove porodice. Elementi druge grupe imaju vrlo slične hemijske karakteristike (gotovo identične jedni drugima). Svi aktinidi brzo stupaju u interakciju s nemetalima: sumporom, dušikom, ugljikom. Oni formiraju kompleksna jedinjenja sa legendama o sadržaju kiseonika. Kao što vidimo, metali obe porodice su bliski jedan drugom u hemijskom ponašanju. Zbog toga se lantanidi i aktinidi često nazivaju metalima blizancima.
Pozicija u periodičnom sistemu vodonika, lantanida, aktinida
Neophodno je uzeti u obzir činjenicu da je vodonik prilično reaktivna supstanca. Manifestira se u zavisnosti od uslova hemijske reakcije: i kao redukciono i kao oksidaciono sredstvo. Zato u periodnom sistemuvodonik se nalazi istovremeno u glavnim podgrupama dvije grupe odjednom.
U prvom, vodonik igra ulogu redukcionog sredstva, poput alkalnih metala koji se nalaze ovdje. Mjesto vodonika u 7. grupi, uz elemente halogene, ukazuje na njegovu redukcijsku sposobnost. U šestom periodu, kao što je već spomenuto, smještena je porodica lantanida, smještena u poseban red radi praktičnosti i kompaktnosti stola. Sedmi period sadrži grupu radioaktivnih elemenata sličnih po karakteristikama aktinijumu. Aktinidi se nalaze izvan tabele hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva ispod reda porodice lantana. Ovi elementi su najmanje proučavani, jer su jezgra njihovih atoma vrlo nestabilna zbog radioaktivnosti. Podsjetimo da su lantanidi i aktinidi unutrašnji prijelazni elementi, a njihove fizičko-hemijske karakteristike su veoma bliske jedna drugoj.
Opće metode za proizvodnju metala u industriji
Sa izuzetkom torija, protaktinija i uranijuma, koji se kopaju direktno iz ruda, ostatak aktinida se može dobiti zračenjem uzoraka metalnog uranijuma brzim neutronskim strujama. U industrijskom obimu, neptunijum i plutonijum se kopaju iz istrošenog goriva iz nuklearnih reaktora. Imajte na umu da je proizvodnja aktinida prilično kompliciran i skup proces, čije su glavne metode jonska izmjena i višestepena ekstrakcija. Lantanidi, koji se nazivaju retkim zemnim elementima, dobijaju se elektrolizom njihovih hlorida ili fluorida. Metalotermna metoda se koristi za ekstrakciju ultračistih lantanida.
Gdje se koriste interni prijelazni elementi
Raspon upotrebe metala koje proučavamo je prilično širok. Za porodicu anemona, ovo je prije svega nuklearno oružje i energija. Aktinidi su takođe važni u medicini, detekciji nedostataka i aktivacionoj analizi. Nemoguće je zanemariti upotrebu lantanida i aktinida kao izvora hvatanja neutrona u nuklearnim reaktorima. Lantanidi se takođe koriste kao dodaci za legiranje livenog gvožđa i čelika, kao i u proizvodnji fosfora.
Širenje u prirodi
Oksidi aktinida i lantanida se često nazivaju cirkonijum, torijum, itrijum. Oni su glavni izvor za dobijanje odgovarajućih metala. Uran, kao glavni predstavnik aktinida, nalazi se u vanjskom sloju litosfere u obliku četiri vrste ruda ili minerala. Prije svega, to je uranijumska smola, koja je uran dioksid. Ima najveći sadržaj metala. Često je uran dioksid praćen naslagama radijuma (žilama). Ima ih u Kanadi, Francuskoj, Zairu. Kompleksi ruda torija i uranijuma često sadrže rude drugih vrijednih metala, poput zlata ili srebra.
Rezerve takvih sirovina bogate su u Rusiji, Južnoj Africi, Kanadi i Australiji. Neke sedimentne stijene sadrže mineral karnotit. Osim uranijuma, sadrži i vanadijum. Četvrtovrsta uranijumske sirovine su fosfatne rude i željezo-uranski škriljci. Njihove rezerve se nalaze u Maroku, Švedskoj i SAD. Trenutno se obećavajućim smatraju i nalazišta lignita i uglja koji sadrže nečistoće uranijuma. Miniraju se u Španiji, Češkoj, kao i u dvije američke države - Sjevernoj i Južnoj Dakoti.
