Ang bawat isa sa mga kemikal na elemento na ipinakita sa mga shell ng Earth: ang atmospera, lithosphere at hydrosphere - ay maaaring magsilbi bilang isang matingkad na halimbawa, na nagpapatunay sa pangunahing kahalagahan ng atomic at molekular na teorya at ang periodic law. Ang mga ito ay binuo ng mga luminaries ng natural na agham - mga siyentipikong Ruso M. V. Lomonosov at D. I. Mendeleev. Ang Lanthanides at actinides ay dalawang pamilya na naglalaman ng 14 na elemento ng kemikal bawat isa, pati na rin ang mga metal mismo - lanthanum at actinium. Ang kanilang mga katangian - parehong pisikal at kemikal - ay isasaalang-alang namin sa papel na ito. Bilang karagdagan, itatatag namin kung paano nakadepende ang posisyon sa periodic system ng hydrogen, lanthanides, actinides sa istruktura ng mga electronic orbital ng kanilang mga atom.
Kasaysayan ng pagtuklas
Sa pagtatapos ng ika-18 siglo, nakuha ni Y. Gadolin ang unang tambalan mula sa pangkat ng mga rare earth metal - yttrium oxide. Hanggang sa simula ng ika-20 siglo, salamat sa pananaliksik ni G. Moseley sa kimika, naging kilala ito tungkol sa pagkakaroon ng isang pangkat ng mga metal. Matatagpuan ang mga ito sa periodic system sa pagitan ng lanthanum at hafnium. Ang isa pang elemento ng kemikal - actinium, tulad ng lanthanum, ay bumubuo ng isang pamilya ng 14 radioactivemga elemento ng kemikal na tinatawag na actinides. Ang kanilang pagtuklas sa agham ay naganap mula 1879 hanggang sa kalagitnaan ng ika-20 siglo. Ang mga lanthanides at actinides ay may maraming pagkakatulad sa parehong pisikal at kemikal na mga katangian. Ito ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pag-aayos ng mga electron sa mga atomo ng mga metal na ito, na nasa mga antas ng enerhiya, ibig sabihin, para sa lanthanides ito ang ikaapat na antas ng f-sublevel, at para sa actinides - ang ikalimang antas ng f-sublevel. Susunod, isasaalang-alang natin ang mga electron shell ng mga atomo ng mga metal sa itaas nang mas detalyado.
Ang istruktura ng panloob na transisyonal na mga elemento sa liwanag ng atomic at molekular na mga turo
Ang mapanlikhang pagtuklas ng istruktura ng mga kemikal ni MV Lomonosov ang naging batayan para sa karagdagang pag-aaral ng mga electron shell ng mga atomo. Ang modelo ng Rutherford ng istraktura ng isang elementarya na particle ng isang elemento ng kemikal, ang mga pag-aaral ng M. Planck, F. Gund ay nagpapahintulot sa mga chemist na mahanap ang tamang paliwanag para sa mga umiiral na pattern ng mga pana-panahong pagbabago sa pisikal at kemikal na mga katangian na nagpapakilala sa mga lanthanides at actinides. Imposibleng balewalain ang pinakamahalagang papel ng pana-panahong batas ng D. I. Mendeleev sa pag-aaral ng istraktura ng mga atomo ng mga elemento ng paglipat. Pag-usapan natin ang isyung ito nang mas detalyado.
Lugar ng mga panloob na elemento ng paglipat sa D. I. Mendeleev's Periodic Table
Sa ikatlong pangkat ng ikaanim - mas malaking yugto - sa likod ng lanthanum ay isang pamilya ng mga metal mula sa cerium hanggang lutetium kasama. Ang 4f sublevel ng lanthanum atom ay walang laman, habang ang lutetium atom ay ganap na puno ng ika-14mga electron. Ang mga elementong matatagpuan sa pagitan ng mga ito ay unti-unting pinupuno ang mga f-orbital. Sa pamilya ng actinides - mula sa thorium hanggang lawrencium - ang parehong prinsipyo ng akumulasyon ng mga negatibong sisingilin na mga particle ay sinusunod na may tanging pagkakaiba: ang pagpuno ng mga electron ay nangyayari sa 5f sublevel. Ang istraktura ng panlabas na antas ng enerhiya at ang bilang ng mga negatibong particle dito (katumbas ng dalawa) ay pareho para sa lahat ng mga metal sa itaas. Sinasagot ng katotohanang ito ang tanong kung bakit ang lanthanides at actinides, na tinatawag na internal transition elements, ay may maraming pagkakatulad.
Sa ilang pinagmumulan ng chemical literature, ang mga kinatawan ng parehong pamilya ay pinagsama sa pangalawang bahagi na mga subgroup. Naglalaman ang mga ito ng dalawang metal mula sa bawat pamilya. Sa maikling anyo ng pana-panahong sistema ng mga elemento ng kemikal ng D. I. Mendeleev, ang mga kinatawan ng mga pamilyang ito ay nahihiwalay mula sa talahanayan mismo at nakaayos sa magkahiwalay na mga hilera. Samakatuwid, ang posisyon ng lanthanides at actinides sa periodic system ay tumutugma sa pangkalahatang plano ng istraktura ng mga atomo at ang periodicity ng pagpuno ng mga panloob na antas ng mga electron, at ang pagkakaroon ng parehong mga estado ng oksihenasyon ay nagdulot ng samahan ng panloob na paglipat ng mga metal sa mga karaniwang grupo.. Sa kanila, ang mga elemento ng kemikal ay may mga katangian at katangian na katumbas ng lanthanum o actinium. Iyon ang dahilan kung bakit ang lanthanides at actinides ay inalis mula sa talahanayan ng mga elemento ng kemikal.
Paano naaapektuhan ng electronic configuration ng f-sublevel ang mga katangian ng mga metal
Tulad ng sinabi natin kanina, ang posisyon ng lanthanides at actinides sa periodicdirektang tinutukoy ng system ang kanilang pisikal at kemikal na mga katangian. Kaya, ang mga ions ng cerium, gadolinium, at iba pang mga elemento ng pamilyang lanthanide ay may mataas na magnetic moments, na nauugnay sa mga tampok na istruktura ng f-sublevel. Ginawa nitong posible na gumamit ng mga metal bilang dopant upang makakuha ng mga semiconductors na may mga magnetic na katangian. Ang mga sulfide ng mga elemento ng pamilyang actinium (halimbawa, sulfide ng protactinium, thorium) sa komposisyon ng kanilang mga molekula ay may magkahalong uri ng kemikal na bono: ionic-covalent o covalent-metal. Ang tampok na ito ng istraktura ay humantong sa paglitaw ng isang bagong physicochemical property at nagsilbing sagot sa tanong kung bakit ang lanthanides at actinides ay may mga luminescent na katangian. Halimbawa, ang isang sample ng anemone na kulay-pilak sa dilim ay kumikinang na may mala-bughaw na glow. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagkilos ng electric current, mga photon ng liwanag sa mga metal ions, sa ilalim ng impluwensya kung saan ang mga atom ay nasasabik, at ang mga electron sa kanila ay "tumalon" sa mas mataas na antas ng enerhiya at pagkatapos ay bumalik sa kanilang mga nakatigil na orbit. Ito ay para sa kadahilanang ito na ang lanthanides at actinides ay inuri bilang phosphors.
Mga kahihinatnan ng pagbaba ng ionic radii ng mga atom
Sa lanthanum at actinium, gayundin sa mga elemento mula sa kanilang mga pamilya, mayroong monotonous na pagbaba sa halaga ng mga indicator ng radii ng mga metal ions. Sa kimika, sa mga ganitong kaso ay kaugalian na magsalita ng lanthanide at actinide compression. Sa kimika, ang sumusunod na pattern ay naitatag: na may pagtaas sa singil ng nucleus ng mga atomo, kung ang mga elemento ay nabibilang sa parehong panahon, ang kanilang radii ay bumababa. Ito ay maaaring ipaliwanag tulad ng sumusunodparaan: para sa mga metal tulad ng cerium, praseodymium, neodymium, ang bilang ng mga antas ng enerhiya sa kanilang mga atom ay hindi nagbabago at katumbas ng anim. Gayunpaman, ang mga singil ng nuclei ayon sa pagkakabanggit ay tumaas ng isa at +58, +59, +60. Nangangahulugan ito na ang puwersa ng pagkahumaling ng mga electron ng mga panloob na shell sa positibong sisingilin na nucleus ay tumataas. Bilang resulta, bumababa ang atomic radii. Sa mga ionic compound ng mga metal, na may pagtaas sa atomic number, bumababa rin ang ionic radii. Ang mga katulad na pagbabago ay sinusunod sa mga elemento ng pamilya ng anemone. Iyon ang dahilan kung bakit ang lanthanides at actinides ay tinatawag na kambal. Ang pagbaba sa radii ng mga ion ay humahantong, una sa lahat, sa pagpapahina ng mga pangunahing katangian ng mga hydroxides Ce(OH)3, Pr(OH)3 property.
Ang pagpuno ng 4f-sublevel na may hindi magkapares na mga electron hanggang sa kalahati ng mga orbital ng europium atom ay humahantong sa mga hindi inaasahang resulta. Ang atomic radius nito ay hindi bumababa, ngunit, sa kabaligtaran, ay tumataas. Ang Gadolinium, na sumusunod dito sa serye ng mga lanthanides, ay may isang electron sa 4f sublevel sa 5d sublevel, katulad ng Eu. Ang istrukturang ito ay nagdudulot ng biglang pagbaba sa radius ng gadolinium atom. Ang isang katulad na kababalaghan ay sinusunod sa isang pares ng ytterbium - lutetium. Para sa unang elemento, ang atomic radius ay malaki dahil sa kumpletong pagpuno ng 4f sublevel, habang para sa lutetium ito ay biglang bumababa, dahil ang hitsura ng mga electron ay sinusunod sa 5d sublevel. Sa actinium at iba pang mga radioactive na elemento ng pamilyang ito, ang radii ng kanilang mga atom at ion ay hindi nagbabago nang monotonously, ngunit, tulad ng mga lanthanides, stepwise. Kaya, ang lanthanides atAng actinides ay mga elemento na ang mga katangian ng kanilang mga compound ay may kaugnayan na nakasalalay sa ionic radius at ang istraktura ng mga electron shell ng mga atom.
Valence states
Ang
Lanthanides at actinides ay mga elemento na medyo magkatulad ang mga katangian. Sa partikular, ito ay may kinalaman sa kanilang mga estado ng oksihenasyon sa mga ion at ang valency ng mga atomo. Halimbawa, ang thorium at protactinium, na nagpapakita ng valence na tatlo, sa mga compound na Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Lahat ng mga sangkap na ito ay hindi matutunaw at may parehong mga kemikal na katangian tulad ng mga metal mula sa pamilyang lanthanum: cerium, praseodymium, neodymium, atbp. Ang lanthanides sa mga compound na ito ay magiging trivalent din. Ang mga halimbawang ito ay muling nagpapatunay sa atin ng kawastuhan ng pahayag na ang lanthanides at actinides ay kambal. Mayroon silang magkatulad na pisikal at kemikal na mga katangian. Ito ay maaaring ipaliwanag pangunahin sa pamamagitan ng istraktura ng mga electron orbital ng mga atomo ng parehong pamilya ng panloob na mga elemento ng paglipat.
Mga katangian ng metal
Lahat ng kinatawan ng parehong grupo ay mga metal, kung saan ang 4f-, 5f-, at gayundin ang d-sublevel ay nakumpleto. Ang Lanthanum at ang mga elemento ng pamilya nito ay tinatawag na rare earth. Ang kanilang pisikal at kemikal na mga katangian ay napakalapit na sila ay pinaghihiwalay nang hiwalay sa ilalim ng mga kondisyon ng laboratoryo na may matinding kahirapan. Kadalasang nagpapakita ng estado ng oksihenasyon ng +3, ang mga elemento ng serye ng lanthanum ay may maraming pagkakatulad sa mga alkaline earth metal (barium, calcium, strontium). Ang mga actinides ay napakaaktibong mga metal din, at radioactive din.
Ang mga tampok na istruktura ng lanthanides at actinides ay nauugnay din sa mga katangian tulad ng, halimbawa, pyrophoricity sa isang finely dispersed state. Ang isang pagbawas sa laki ng nakasentro sa mukha na mga kristal na sala-sala ng mga metal ay naobserbahan din. Idinagdag namin na ang lahat ng mga kemikal na elemento ng parehong pamilya ay mga metal na may kulay-pilak na kinang, dahil sa kanilang mataas na reaktibiti, mabilis silang nagdidilim sa hangin. Ang mga ito ay natatakpan ng isang pelikula ng kaukulang oksido, na nagpoprotekta laban sa karagdagang oksihenasyon. Ang lahat ng mga elemento ay sapat na refractory, maliban sa neptunium at plutonium, na ang punto ng pagkatunaw ay mas mababa sa 1000 °C.
Mga katangiang kemikal na reaksyon
Tulad ng nabanggit kanina, ang lanthanides at actinides ay mga reaktibong metal. Kaya, ang lanthanum, cerium at iba pang mga elemento ng pamilya ay madaling pagsamahin sa mga simpleng sangkap - halogens, pati na rin sa posporus, carbon. Ang lanthanides ay maaari ding makipag-ugnayan sa parehong carbon monoxide at carbon dioxide. May kakayahan din silang mabulok ang tubig. Bilang karagdagan sa mga simpleng asin, tulad ng SeCl3 o PrF3, halimbawa, bumubuo sila ng mga dobleng asin. Sa analytical chemistry, ang mga reaksyon ng lanthanide metal na may aminoacetic at citric acid ay sumasakop sa isang mahalagang lugar. Ang mga kumplikadong compound na nabuo bilang resulta ng mga naturang proseso ay ginagamit upang paghiwalayin ang pinaghalong lanthanides, halimbawa, sa mga ores.
Kapag nakikipag-ugnayan sa nitrate, chloride at sulfate acid, mga metalbumuo ng kaukulang mga asin. Ang mga ito ay lubos na natutunaw sa tubig at madaling may kakayahang bumuo ng mga crystalline hydrates. Dapat pansinin na ang mga may tubig na solusyon ng mga lanthanide s alt ay may kulay, na ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagkakaroon ng kaukulang mga ions sa kanila. Ang mga solusyon ng samarium o praseodymium s alts ay berde, neodymium - red-violet, promethium at europium - pink. Dahil may kulay ang mga ions na may oxidation state na +3, ginagamit ito sa analytical chemistry para makilala ang lanthanide metal ions (tinatawag na qualitative reactions). Para sa parehong layunin, ginagamit din ang mga pamamaraan ng pagsusuri ng kemikal gaya ng fractional crystallization at ion-exchange chromatography.
Ang
Actinides ay maaaring hatiin sa dalawang pangkat ng mga elemento. Ang mga ito ay berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium at uranium, neptunium, plutonium, omercium. Ang mga kemikal na katangian ng una sa mga ito ay katulad ng lanthanum at mga metal mula sa pamilya nito. Ang mga elemento ng pangalawang pangkat ay may halos magkatulad na mga katangian ng kemikal (halos magkapareho sa bawat isa). Ang lahat ng actinides ay mabilis na nakikipag-ugnayan sa mga di-metal: sulfur, nitrogen, carbon. Bumubuo sila ng mga kumplikadong compound na may mga alamat na naglalaman ng oxygen. Tulad ng nakikita natin, ang mga metal ng parehong pamilya ay malapit sa isa't isa sa pag-uugali ng kemikal. Ito ang dahilan kung bakit ang lanthanides at actinides ay madalas na tinutukoy bilang twin metals.
Posisyon sa periodic system ng hydrogen, lanthanides, actinides
Kailangang isaalang-alang ang katotohanan na ang hydrogen ay isang medyo reaktibong sangkap. Ito ay nagpapakita ng sarili depende sa mga kondisyon ng kemikal na reaksyon: kapwa bilang isang ahente ng pagbabawas at bilang isang ahente ng oxidizing. Kaya naman sa periodic systemAng hydrogen ay matatagpuan nang sabay-sabay sa mga pangunahing subgroup ng dalawang grupo nang sabay-sabay.
Sa una, gumaganap ang hydrogen bilang isang reducing agent, tulad ng mga alkali metal na matatagpuan dito. Ang lugar ng hydrogen sa ika-7 pangkat, kasama ang mga elemento ng halogens, ay nagpapahiwatig ng pagbabawas nito. Sa ikaanim na panahon, tulad ng nabanggit na, ang pamilya ng lanthanide ay matatagpuan, inilagay sa isang hiwalay na hilera para sa kaginhawahan at pagiging compactness ng talahanayan. Ang ikapitong yugto ay naglalaman ng isang pangkat ng mga radioactive na elemento na katulad ng mga katangian sa actinium. Ang mga actinides ay matatagpuan sa labas ng talahanayan ng mga elemento ng kemikal ng D. I. Mendeleev sa ilalim ng hilera ng pamilyang lanthanum. Ang mga elementong ito ay ang pinakamaliit na pinag-aralan, dahil ang nuclei ng kanilang mga atomo ay lubhang hindi matatag dahil sa radyaktibidad. Alalahanin na ang lanthanides at actinides ay mga panloob na elemento ng paglipat, at ang kanilang mga katangiang physicochemical ay napakalapit sa isa't isa.
Mga pangkalahatang pamamaraan para sa paggawa ng mga metal sa industriya
Maliban sa thorium, protactinium at uranium, na direktang mina mula sa ores, ang natitirang bahagi ng actinides ay maaaring makuha sa pamamagitan ng pag-irradiate ng mga sample ng metallic uranium na may mabilis na paggalaw ng neutron stream. Sa isang pang-industriya na sukat, ang neptunium at plutonium ay mina mula sa ginastos na gasolina mula sa mga nuclear reactor. Tandaan na ang paggawa ng actinides ay isang medyo kumplikado at mahal na proseso, ang mga pangunahing pamamaraan kung saan ay ang palitan ng ion at multistage extraction. Ang mga lanthanides, na tinatawag na rare earth elements, ay nakukuha sa pamamagitan ng electrolysis ng kanilang mga chlorides o fluoride. Ginagamit ang metallothermic na paraan para mag-extract ng ultrapure lanthanides.
Kung saan ginagamit ang mga panloob na elemento ng paglipat
Ang saklaw ng paggamit ng mga metal na pinag-aaralan natin ay medyo malawak. Para sa pamilya ng anemone, ito ay, una sa lahat, mga sandatang nuklear at enerhiya. Mahalaga rin ang mga actinides sa gamot, pagtuklas ng kapintasan, at pagsusuri sa pag-activate. Imposibleng balewalain ang paggamit ng lanthanides at actinides bilang mga mapagkukunan ng pagkuha ng neutron sa mga nuclear reactor. Ginagamit din ang mga lanthanides bilang mga pandagdag na haluang metal sa cast iron at steel, gayundin sa paggawa ng phosphors.
Kumalat sa kalikasan
Oxides ng actinides at lanthanides ay madalas na tinatawag na zirconium, thorium, yttrium earths. Sila ang pangunahing pinagmumulan para sa pagkuha ng kaukulang mga metal. Ang uranium, bilang pangunahing kinatawan ng actinides, ay matatagpuan sa panlabas na layer ng lithosphere sa anyo ng apat na uri ng ores o mineral. Una sa lahat, ito ay uranium pitch, na uranium dioxide. Ito ay may pinakamataas na nilalaman ng metal. Kadalasan ang uranium dioxide ay sinamahan ng mga deposito ng radium (mga ugat). Ang mga ito ay matatagpuan sa Canada, France, Zaire. Ang mga complex ng thorium at uranium ores ay kadalasang naglalaman ng ores ng iba pang mahahalagang metal, gaya ng ginto o pilak.
Ang mga reserba ng naturang mga hilaw na materyales ay mayaman sa Russia, South Africa, Canada at Australia. Ang ilang sedimentary rock ay naglalaman ng mineral carnotite. Bilang karagdagan sa uranium, naglalaman din ito ng vanadium. Pang-apatang uri ng uranium raw na materyales ay phosphate ores at iron-uranium shales. Ang kanilang mga reserba ay matatagpuan sa Morocco, Sweden at USA. Sa kasalukuyan, ang mga deposito ng lignite at karbon na naglalaman ng mga dumi ng uranium ay itinuturing din na may pag-asa. Ang mga ito ay mina sa Spain, Czech Republic, at gayundin sa dalawang estado ng US - North at South Dakota.
