Lanthanides ו אקטינידים: העמדה במערכת המחזורית

כל אחד מהרכיבים הכימיים המיוצגים בקליפות כדור הארץ: האטמוספרה, הליטוספירה וההיידרוספרה - יכולים לשמש כדוגמה חיה, המאשרת את החשיבות הבסיסית של הוראה אטומית מולקולרית וחוק תקופתי. הם גובשו על ידי הקוריאנים של מדע הטבע - מדענים רוסים MV Lomonosov ו DI מנדלייב. Lanthanides ו actinides הן שתי משפחות המכילות 14 יסודות כימיים, כמו גם מתכות עצמם - lanthanum ו actinium. תכונותיהם - הן פיסיקליות והן כימיות - ייחשבו על ידינו במאמר זה. בנוסף, נוכל לקבוע כיצד המיקום במערכת מחזורית של מימן, lanthanides, actinides תלוי במבנה של האורביטלים אלקטרונים של האטומים שלהם.

היסטוריה של הגילוי

בסוף המאה ה -18, קיבל יו גדולין את התרכובת הראשונה מקבוצת מתכות נדירות, תחמוצת איטריום. לפני תחילת המאה ה -20, הודות למחקר של ג 'מוזלי בכימיה, הוא נודע על קיומו של קבוצה של מתכות. הם היו ממוקמים במערכת תקופתית בין lanthanum ו הפניום. אלמנט כימי נוסף, actinium, כמו lanthanum, יוצר משפחה של 14 אלמנטים כימיים רדיואקטיביים הנקראים actinides. התגלית שלהם במדע התרחשה, מ 1879 עד אמצע המאה ה -20. Lanthanides ו actinides יש קווי דמיון רבים הן פיזית והן תכונות כימיות. זה יכול להיות מוסבר על ידי סידור של אלקטרונים באטומים של מתכות אלה, אשר נמצאים ברמות האנרגיה, כלומר עבור lanthanides זה הרמה הרביעית של f-sublevel, ועל actinides, הרמה החמישית, f-sublevel. לאחר מכן, אנו רואים את הפגזים האלקטרוניים של האטומים של מתכות לעיל בפירוט רב יותר.

המבנה של מרכיבי מעבר פנימיים לאור הדוקטרינה האטומית-מולקולרית

גילוי מבריק של המבנה הכימי של MV Lomonosov היה הבסיס למחקר נוסף של פגזי אלקטרונים של אטומים. מודל Rutherford של המבנה של החלקיקים היסודיים של היסוד הכימי, חקירותיו של מ 'פלאנק, פ' גונד איפשר לכימאים למצוא את ההסבר הנכון לדפוסים הקיימים של שינויים תקופתיים בתכונות הפיסיקליות והכימיות המאפיינות את הלנתנידים והאקטנידים. אי אפשר להתעלם מתפקידו המכריע של החוק התקופתי של ד 'מנדלייב בחקר מבנה האטומים של גורמי המעבר. תן לנו להתעכב על בעיה זו בפירוט רב יותר.

מקומם של מרכיבי מעבר פנימיים בטבלה המחזורית של די מנדלייב

בקבוצה השלישית של השישית - תקופה ארוכה יותר - מאחורי lanthanum היא משפחה של מתכות הממוקם מ cerium ללוטטיום כולל. ב אטום lanthanum, 4f sublevel הוא ריק, ב lutetium הוא מלא לחלוטין עם 14 אלקטרונים. המרכיבים הממוקמים ביניהם מתמלאים בהדרגה עם f- אורביטלים. במשפחה של actinides - מ תוריום ל לורנטיום - אותו עיקרון של הצטברות של חלקיקים טעונים שלילי הוא ציין עם ההבדל היחיד: מילוי אלקטרונים מתרחשת על 5f sublevel. מבנה מפלס האנרגיה החיצוני ומספר החלקיקים השליליים עליו (שווה לשניים) לכל המתכות הנ"ל זהים. עובדה זו עונה על השאלה מדוע לנטנידים ואקטנידים, הנקראים אלמנטים של מעבר פנימי, יש קווי דמיון רבים.

בחלק ממקורות הספרות הכימית מקובצים נציגי שתי המשפחות לקבוצות משנה משניות. הם מכילים שתי מתכות מכל משפחה. בצורתו הקצרה של המערכת התקופתית של יסודות כימיים נבדקו די מנדילב נציגי המשפחות הללו מן השולחן עצמו ונמצאים בשורות נפרדות. לכן, המיקום של lanthanides ו actinides במערכת תקופתיים תואמת את התוכנית הכללית של מבנה האטומים ואת המחזוריות של מילוי של רמות פנימיות על ידי אלקטרונים, ואת הנוכחות של מעלות זהים של חמצון גרמה שילוב של מתכות המעבר הפנימי בקבוצות משותפות. בהם, אלמנטים כימיים בעלי מאפיינים ומאפיינים שווה lanthanum או actinium. לכן lanthanides ו actinides יוסרו משולחן של אלמנטים כימיים.

איך את תצורה אלקטרונית של f-sublevel משפיע על המאפיינים של מתכות

כפי שאמרנו קודם, המיקום של lanthanides ו actinides במערכת תקופתית קובעת ישירות המאפיינים הפיזיים והכימיים שלהם. לפיכך, יונים של סידום, גדוליניום ואלמנטים אחרים של המשפחה של lanthanides יש רגעים מגנטיים גבוהים, אשר בשל המוזרויות של המבנה של f-sublevel. זה מותר להשתמש במתכות כמו תוספים מסגסוגת לייצור מוליכים למחצה עם תכונות מגנטיות. גופרתי של אלמנטים של משפחת actinium (לדוגמה, פרוטאקטניום גופרתי, תוריום) במולקולות שלהם יש סוג מעורב של קשר כימי: יון קוולנטי או קוולנטי מתכת. תכונה זו של המבנה הובילה להופעתו של נכס פיסיקלי כימי חדש ושימש כתשובה לשאלה מדוע lanthanides ו actinides יש תכונות זוהר. לדוגמה, אקטיניום של צבע כסף בחושך זוהר זוהר כחלחל. זה מוסבר על ידי פעולה על יונים של מתכות של זרם חשמלי, פוטונים של אור, תחת השפעת אשר יש עירור של אטומים, ואלקטרונים בהם "לקפוץ" לרמות אנרגיה גבוהות יותר ואז לחזור למסלול נייח שלהם. מסיבה זו lanthanides ו actinides שייכים phosphors.

ההשלכות של הפחתת רדיוס יונים של אטומים

ב lanthanum ו actinium, כמו במקרה של אלמנטים ממשפחותיהם, יש ירידה מונוטונית ערך של הפרמטרים של רדיוס של יונים מתכת. בכימיה במקרים כאלה נהוג לדבר על דחיסה lanthanoid ו actinide. בכימיה נקבעת הרגולציה הבאה: עם עליית המטען של הגרעין האטומי, במקרה שהאלמנטים שייכים לאותה תקופה, הירידה ברדיוס שלהם. זה יכול להיות מוסבר באופן הבא: עבור מתכות כגון cerium, praseodymium, neodymium, מספר רמות האנרגיה באטומים שלהם שווה תמיד לשישה. עם זאת, החיובים הגרעיני הם בהתאמה גדל על ידי אחד והם +58, +59, +60. משמעות הדבר היא כי כוח המשיכה של האלקטרונים של פגזים פנימיים אל הליבה טעונה חיובי מגביר. כתוצאה מכך, רדיוס האטומים יורד. בתרכובות מתכת יוניות, ככל שמספר הסידור גדל, רדיוס יונית גם ירידה. שינויים דומים נצפים האלמנטים של המשפחה של actinium. לכן lanthanoids ו actinides נקראים תאומים. הפחתת רדיוס יון מוביל בעיקר להיחלשות של תכונות בסיסיות של hydroxides Ce (OH) ₃ , Pr (OH) ₃ , ואת הבסיס של lutetium כבר מציג תכונות amphoteric.

לתוצאות בלתי צפויות, מילוי של 4f sublevel עם אלקטרונים unaired מוביל חצי אורביטלים של האטום אירופיום. רדיוס האטום שלו אינו יורד, אלא להיפך. לידו, בסדרה של ladanide של גדוליניום, אחד האלקטרונים של 4f sublevel מופיע על 5d sublevel, בדומה האיחוד האירופי. מבנה כזה גורם ירידה spasmodic ברדיוס של אטום גדוליניום. תופעה דומה היא נצפתה זוג ytterbium - lutetium. במרכיב הראשון, רדיוס האטום גדול בגלל המילוי המלא של הסופלבול הרביעי, ואילו בלוטטיום הוא פוחת בצורה פתאומית, שכן האלקטרונים מופיעים על המפרק. באקטיניום ובאלמנטים רדיואקטיביים אחרים במשפחה זו, רדיום האטומים והיונים שלהם אינו משתנה באופן מונוטוני, אבל, כמו הלנתנודים, הם משתנים ללא הרף. לפיכך, lanthanides ו actinides הם אלמנטים שבהם את המאפיינים של compounds שלהם תלוי correlatively על רדיוס יוניים ואת המבנה של קליפות אלקטרונים של אטומים.

קובע Valency

Lanthanides ו actinides הם אלמנטים אשר מאפיינים דומים למדי. בפרט, זה נוגע מעלותיהם של חמצון יונים ואת העוצמה של האטומים. לדוגמה, תוריום ופרוטקטין, המציגים הערכיות של שלושה, בתרכובות Th (OH) ₃ , PaCl ₃ , ThF ₃ , אבא ₂ (CO ₃ ) _3. כל החומרים הללו אינם מסיסים ויש להם את התכונות הכימיות כמו מתכות משפחות Lanthanum: cerium, praseodymium, neodymium, וכו 'lanthanides תרכובות אלה יהיה גם trivalent. הדוגמאות הללו שוב מוכיחות לנו את נכונות ההצהרה כי הלנתנידים והאקטנידים הם תאומים. יש להם מאפיינים פיזיים וכימיים דומים. זה יכול להיות מוסבר, קודם כל, על ידי המבנה של אורביטלים אלקטרונים של האטומים של שתי המשפחות של אלמנטים המעבר הפנימי.

תכונות מתכת

כל הנציגים של שתי הקבוצות הם מתכות, שבו 4f, 5f, וגם d-sublevels מתווספים. Lanthanum ואלמנטים של משפחתו נקראים כדור הארץ נדיר. המאפיינים הפיזיים והכימיים שלהם קרובים כל כך, שבמעבדה בנפרד הם מופרדים בקושי רב. באמצעות מצב החימצון +3 בתדירות הגבוהה ביותר, האלמנטים של סדרת lanthanum יש תכונות דומות רבות עם מתכות כדור הארץ אלקליין (בריום, סידן, סטרונציום). Actinides הם גם מתכות פעיל מאוד, גם רדיואקטיבי.

תכונות של המבנה של lanthanides ו actinides גם משפיעים על תכונות כגון, למשל, pyrophoricity במצב מפוזרים היטב. יש גם ירידה בגודל של סריג קריסטל פנים של מתכות. אנו מוסיפים כי כל האלמנטים הכימיים של שתי המשפחות הן מתכות עם ברק כסוף, בגלל תגובתיות גבוהה שלהם במהירות מחשיך באוויר. הם מכוסים בסרט של תחמוצת המקביל, אשר מגן מפני חמצון נוסף. כל האלמנטים הם עקשן מספיק, למעט נפטוניום ו פלוטוניום, נקודת ההתכה של אשר נמוך בהרבה מ 1000 ° C.

תגובות כימיות אופייניות

כפי שצוין קודם לכן, lanthanides ו actinides הם מתכות פעיל כימית. לכן, lanthanum, cerium ואלמנטים אחרים של המשפחה משולבים בקלות עם חומרים פשוטים - הלוגנים, כמו גם עם זרחן, פחמן. Lanthanides יכול גם אינטראקציה עם חד תחמוצת הפחמן ופחמן דו חמצני. הם גם מסוגלים לפרק מים. בנוסף מלחי פשוט, למשל כגון SeCl ₃ או PRF ₃ , הם מהווים מלחים כפולה. מקום חשוב בכימיה אנליטית הוא נכבש על ידי התגובות של מתכות lanthanide עם חומצות אמיניות וחומצה ציטרית. תרכובות מורכבות שנוצרו כתוצאה של תהליכים כאלה משמשים להפריד תערובת של lanthanides, למשל, ב עפרות.

כאשר אינטראקציה עם חנקתי, חומצה כלוריד וגופרתי, מתכות טופס מלחים המתאימים. הם מסיסים בקלות במים והם מסוגלים בקלות להרכיב hydrates גבישי. יש לציין כי פתרונות מימיים של מלחים lanthanide הם צבעוניים, אשר מוסבר על ידי נוכחות של יונים המקביל בהם. פתרונות של מלחים של samarium או praseodymium הם ירוקים, neodymium - אדום סגול, promethium ו אירופיום - ורוד. מאז יונים עם מצב חמצון של 3 הם צבעוניים, הוא משמש בכימיה אנליטית לזהות יונים של מתכות lanthanide (מה שנקרא תגובות איכותיות). עבור אותה מטרה, שיטות ניתוח כימי כגון התגבשות השבר ו יון חילופי כרומטוגרפיה משמשים גם.

Actinides ניתן לחלק לשתי קבוצות של אלמנטים. אלה הם berkelium, פרמיום, mendelevium, nobelium, laurentium ו אורניום, נפטון, פלוטוניום, ו omeresis. המאפיינים הכימיים של הראשון מהם דומים lanthanum ומתכות ממשפחתו. אלמנטים של הקבוצה השנייה יש מאפיינים כימיים דומים מאוד (כמעט זהים זה לזה). כל actinides אינטראקציה במהירות עם nonmetals: גופרית, חנקן, פחמן. עם ligands המכילים חמצן הם יוצרים תרכובות מורכבות. כפי שאנו רואים, המתכות של שתי המשפחות קרובות זו לזו בהתנהגות כימית. לכן lanthanides ו actinides נקראים לעתים קרובות תאומים מתכות.

מיקום במערכת מחזורית של מימן, lanthanides, actinides

יש צורך לקחת בחשבון את העובדה כי מימן הוא חומר מגיב מספיק. זה בא לידי ביטוי בהתאם לתנאים של התגובה הכימית: הן סוכן הפחתת חמצון. זו הסיבה במערכת מימן תקופתי ממוקם בו זמנית תת קבוצות עיקריות של שתי קבוצות בבת אחת.

בחודש הראשון, מימן משחק את התפקיד של סוכן הפחתת, כמו מתכות אלקליות הממוקם כאן. מקום המימן בקבוצה השביעית יחד עם הלוגנים המרכיבים מצביע על יכולת ההפחתה שלו. בתקופה השישית, כאמור, משפחה של lanthanides ממוקם בשורה נפרדת לנוחות וקומפקטיות של השולחן. התקופה השביעית מכילה קבוצה של אלמנטים רדיואקטיביים, הדומים במאפייניהם לאקטניום. Actinides נמצאים מחוץ לשולחן של אלמנטים כימיים של די Mendeleyev תחת מספר משפחת lanthanum. אלמנטים אלה הם לפחות למד, שכן גרעיני האטומים שלהם הם מאוד לא יציבים עקב רדיואקטיביות. נזכיר כי lanthanides ו actinides שייכים אלמנטים של המעבר הפנימי, המאפיינים הפיזיוכימיים שלהם קרובים מאוד זה לזה.

שיטות כלליות לייצור מתכות בתעשייה

למעט תוריום, פרוטקטיניום ואורניום, אשר מופקים ישירות עפרות, actinides הנותרים ניתן להשיג על ידי קרינה דגימות מתכת אורניום עם זרימות נויטרונים נע במהירות. בקנה מידה תעשייתי, נפטוניום פלוטוניום מופקים דלק בילה מן הכורים הגרעיניים. נציין כי הייצור של actinides הוא תהליך מורכב למדי ויקר, השיטות העיקריות של אשר החליפין יון מיצוי רב שלבי. Lanthanides, אשר נקראים אלמנטים הארץ נדיר, מתקבלים על ידי אלקטרוליזה של כלורידים שלהם או פלואורידים. כדי לייצר lanthanides אולטרה טהור, שיטה metallothermic משמש.

כאשר נעשה שימוש באלמנטים של מעבר פנימי

טווח השימוש במתכות שאנו לומדים די רחב. עבור משפחת actinium - זה, קודם כל, נשק גרעיני ואנרגיה. חשיבות רבה הם actinides ברפואה, defectoscopy, ניתוח הפעלה. איננו יכולים להתעלם משימוש בלנטנידים ובאקטינידים כמקור לכידת נויטרונים בכורים גרעיניים. Lanthanides משמשים גם תוספים מסגסוגת ברזל ופלדה, כמו גם בייצור של phosphors.

הפצה בטבע

תחמוצות של actinides ו lanthanides נקראים לעתים קרובות זירקוניום, תוריום, איטריום. הם המקור העיקרי להשגת המתכות המתאימות. אורניום, כנציג העיקרי של actinides, ממוקם בשכבה החיצונית של ליתוספירה בצורה של ארבעה סוגים של עפרות או מינרלים. קודם כל, זה זפת אורניום, אשר הוא דו תחמוצת האורניום. בתוכן, המתכת היא הגבוהה ביותר. לעתים קרובות, דו תחמוצת האורניום מלווה פיקדונות רדיום (ורידים). הם נמצאים בקנדה, צרפת, זאיר. מכלולים של תוריום עפרות עפרות לעתים קרובות מכילים עפרות של מתכות יקרות אחרות, למשל זהב או כסף.

המניות של חומרי גלם כאלה עשירים ברוסיה, דרום אפריקה, קנדה ואוסטרליה. כמה סלעים משקעים מכילים קרנוטיט מינרליים. בהרכב שלה, בנוסף אורניום, הוא גם ונדיום. הסוג הרביעי של חומרי גלם אורניום הוא עפרות פוספט ברזל צחצוח ברזל. עתודות שלהם נמצאים במרוקו, שבדיה וארצות הברית. כיום, פיקדונות של ליגניט ופחם המכילים זיהומים אורניום גם מבטיח. הם ממוקש בספרד, בצ'כיה, וגם בשתי מדינות אמריקאיות - צפון ודרום דקוטה.