Кожен з хімічних елементів, представлений в оболонках Землі: атмосфері, літосфері і гідросфері - може служити яскравим прикладом, що підтверджує фундаментальне значення атомно-молекулярного вчення і періодичного закону. Вони були сформульовані корифеями природознавства – російськими вченими М. В. Ломоносовим і Д. І. Менделєєвим. Лантаноіди і актиноіди – це два сімейства, які містять по 14 хімічних елементів, а також самі метали – лантан і актиній. Їх властивості - як фізичні, так і хімічні - будуть розглянуті в даній роботі. Крім цього, ми встановимо, як положення в періодичній системі водню, лантаноїдів, актиноїдів залежить від будови електронних орбіталей їх атомів.

Історія відкриття

В кінці 18 століття Ю. Гадолином було отримано перше з'єднання з групи рідкоземельних металів – оксид ітрію. До початку 20 століття завдяки дослідженнями Р. Мозлі в хімії стало відомо про існування групи металів. Вони розташовувалися в періодичній системі між лантаном і гафнію. Ще один хімічний елемент – актиній, подібно лантану, утворює сімейство з 14 радіоактивних хімічних елементів, названих актиноидами. Їх відкриття в науці сталося, починаючи з 1879 року до середини 20 століття. Лантаноіди і актиноіди мають досить багато рис подібності як у фізичних, так і хімічних властивостей. Це можна пояснити розташування електронів в атомах цих металів, які знаходяться на енергетичних рівнях, а саме для лантаноїдів це четвертий рівень f-підрівень, а для актиноїдів - п'ятий рівень f-підрівень. Далі ми розглянемо електронні оболонки атомів цих металів більш докладно.

Будова внутрішніх перехідних елементів у світлі атомно-молекулярного вчення

Геніальне відкриття будови хімічних речовин М. в. Ломоносова стало основою для подальшого вивчення електронних оболонок атомів. Резерфордовская модель будови елементарної частки хімічного елемента, дослідження М. Планка, Ф. Гунда дозволили вченим-хімікам знайти правильне пояснення існуючим закономірностям періодичної зміни фізичних і хімічних властивостей, якими характеризуються лантаноиди і актиноіди. Не можна обійти увагою і найважливішу роль періодичного закону Менделєєва Д. І. у вивченні будови атомів перехідних елементів. Зупинимося на цьому питанні більш детально.

Місце внутрішніх перехідних елементів у періодичній системі Менделєєва Д. І.

У третій групі шостого – більшого періоду - за лантаном знаходиться сімейство металів, розташованих від церію і до лютецію включно. У атома лантану 4f-підрівень порожній, а у лютеція повністю наповнений 14-ю електронами. У елементів, розташованих між ними, йде поступове заповнення f-орбіталей. У сімействі актиноїдів – від торію до лоуренсия - дотримується той же принцип накопичення негативно заряджених частинок з єдиною відмінністю: заповнення електронами відбувається на 5f-підрівні. Будова ж зовнішнього енергетичного рівня і кількість негативних частинок на ньому (рівна двом) у всіх перерахованих вище металів однаково. Даний факт відповідає на питання про те, чому лантаноиди і актиноіди, названі внутрішніми перехідними елементами, мають багато рис подібності.
В деяких джерелах хімічної літератури представників обох родин об'єднують в другі побічні підгрупи. В них міститься по два металу з кожної колекції. В короткій формі періодичної системи хімічних елементів Д. І Менделєєва представники цих родин виділені з самої таблиці і розташовані окремими рядами. Тому положення лантаноїдів та актиноїдів в періодичній системі відповідає загальним планом будови атомів і періодичності заповнення електронами внутрішніх рівнів, а присутність однакових ступенів окислення послужило причиною об'єднання внутрішніх перехідних металів у загальні групи. В них хімічні елементи володіють ознаками і властивостями, рівнозначними лантану або актинию. Ось чому лантаноиди і актиноіди винесені з таблиці хімічних елементів.

Електронна конфігурація f-підрівні впливає на властивості металів

Як ми вже говорили раніше, положення лантаноїдів та актиноїдів у періодичній системі безпосередньо визначає їх фізичні та хімічні характеристики. Так, іони церію, гадолінію та інших елементів родини лантаноїдів мають високі магнітні моменти, що пов'язано з особливостями будови f-підрівні. Це дозволило використовувати метали в якості легуючих добавок для отримання напівпровідників з магнітними властивостями. Сульфіди елементів сімейства актинія (наприклад, сульфід протактиния, торію) у складі своїх молекул мають змішаний тип хімічного зв'язку: іонно-ковалентний або ковалентно-металевий. Ця особливість будови призвела до появи нового фізико-хімічної властивості і стала відповіддю на питання про те, чому лантаноиди і актиноіди мають люмінесцентними властивостями. Наприклад, зразок актинія сріблястого кольору в темряві світиться блакитним світінням. Це пояснюється дією на іони металів електричного струму, фотонів світла, під впливом яких відбувається збудження атомів, а електрони в них «перескакують» на більш високі енергетичні рівні і потім повертаються на свої стаціонарні орбіти. Саме з цієї причини лантаноиди і актиноіди відносяться до люминофорам.

Наслідки зменшення іонних радіусів атомів

У лантану і актинія, як і в елементів з їх родин, спостерігається монотонне зниження величини показників радіусів іонів металів. У хімії у таких випадках прийнято говорити про лантаноидном і актиноидном стисненні. У хімії встановлена наступна закономірність: із збільшенням заряду ядра атомів, у разі якщо елементи належать до одного і того ж періоду, їх радіуси зменшуються. Пояснити це можна таким чином: у таких металів, як церій, празеодім, неодим, кількість енергетичних рівнів у їх атомах незмінно і дорівнює шести. Однак заряди ядер відповідно збільшуються на одиницю і становлять +58 +59 +60. Це означає, що зростає сила тяжіння електронів внутрішніх оболонок до позитивно зарядженого ядра. Як наслідок відбувається зменшення радіусів атомів. В іонних сполуках металів із збільшенням порядкового номера іонні радіуси також зменшуються. Аналогічні зміни спостерігаються і в елементів сімейства актинія. Ось чому лантаноиди і актиноіди називають близнюками. Зменшення радіусів іонів призводить в першу чергу до послаблення основних властивостей гідроксидів Рє(ВІН) 3 Pr(OH) 3 , а підстава лютеція вже проявляє амфотерні властивості. До несподіваних результатів призводить заповнення 4f-підрівня неспаренними електронами до половини орбіталей у атома європію. У нього радіус атома не зменшується, а, навпаки, збільшується. У наступного за ним в ряду лантаноїдів гадолінію на 5d-підрівні з'являється один електрон 4f-підрівня аналогічно Eu. Така будова викликає стрибкоподібне зменшення радіусу атома гадолінію. Подібне явище спостерігається в парі ітербій – лютецій. У першого елемента радіус атома великий з причини повного заповнення 4f-підрівня, а у лютеція він стрибкоподібно зменшується, так як на 5d-підрівні спостерігається поява електронів. У актинія та інших радіоактивних елементів цього сімейства радіуси їх атомів і іонів змінюються не монотонно, а, так само як і у лантаноїдів, стрибкоподібно. Таким чином, лантаноиди і актиноіди є елементами, у яких властивості їх сполук коррелятивно залежать від іонного радіуса і будови електронних оболонок атомів.

Валентні стану

Лантаноіди і актиноіди є елементами, чиї характеристики досить подібні. Зокрема, це стосується їх ступенів окислення в іонах і валентності атомів. Наприклад, торій і протактиний, проявляють валентність, рівну трьом, у з'єднаннях Th(OH) 3 , PaCl 3 , ThF 3 , Pa 2 (CO 3 ) 3. Всі ці речовини є нерозчинними і мають ті ж хімічні властивості, що і метали з сімейства лантану: церій, празеодім, неодим і т. д. Лантаноіди в цих сполуках також будуть трехвалентними. Ці приклади ще раз доводять нам правильність твердження, що лантаноиди і актиноіди – близнюки. Вони володіють схожими фізичними і хімічними властивостями. Це можна пояснити насамперед будовою електронних орбіталей атомів у обох сімейств внутрішніх перехідних елементів.

Металеві властивості

Всі представники обох груп є металами, у яких добудовуються 4f-, 5f-, а також d-підрівні. Лантан і елементи його родини називають рідкісноземельними. Їх фізичні та хімічні характеристики настільки близькі, що окремо в лабораторних умовах вони поділяються з великим трудом. Проявляючи найчастіше ступінь окислення +3 елементи ряду лантану мають багато схожих рис з лужно-земельними металами (барієм, кальцієм і стронцієм). Актиноиди також є надзвичайно активними металами, до того ж ще і радіоактивними. Особливості будови лантаноїдів та актиноїдів стосуються і таких властивостей, як, наприклад, пирофорность у дрібнодисперсному стані. Спостерігається також зменшення розмірів гранецентрированних кристалічних решіток металів. Додамо, що всі хімічні елементи обох сімейств – це метали з сріблястим блиском, з-за високої реакційної здатності швидко темніють на повітрі. Вони покриваються плівкою відповідного оксиду, що захищає від подальшого окислення. Всі елементи досить тугоплавки, за винятком нептунію і плутонію, температура плавлення яких значно нижче 1000 °С.

Характерні хімічні реакції

Як було зазначено раніше, лантаноиди і актиноіди є хімічно активними металами. Так, лантан, церій та інші елементи сімейства легко з'єднуються з простими речовинами – галогенами, а також з фосфором, вуглецем. Лантаноіди можуть також взаємодіяти як з монооксидом вуглецю, так і з вуглекислим газом. Вони також здатні розкладати воду. Крім простих солей, наприклад таких як SeCl 3 або PrF 3 вони утворюють подвійні солі. В аналітичній хімії важливе місце посідають реакції металів-лантаноїдів з аминоуксусной і лимонної кислоти. Утворюються в результаті таких процесів комплексні сполуки застосовуються для розділення суміші лантаноїдів, наприклад в рудах. При взаємодії з нітратній, хлоридної та сульфатної кислоти, метали утворюють відповідні солі. Вони добре розчиняються у воді і легко здатні до утворення кристалогідратів. Потрібно зазначити, що водні розчини солей лантаноїдів пофарбовані, що пояснюється присутністю в них відповідних іонів. Розчини солей або самарія празеодіма зеленого кольору, неодиму – червоно-фіолетового, прометия та європію – рожевого. Так як іони зі ступенем окислення +3 пофарбовані, це використовується в аналітичній хімії для розпізнавання іонів металів-лантаноїдів (так звані якісні реакції). Для цієї ж мети застосовують ще й такі методи хімічного аналізу, як дробова кристалізація та іонообмінна хроматографія. У актиноїдів можна виділити дві групи елементів. Це берклій, фермій, менделевий, нобелий, лоуренсий і уран, нептуній, плутоній, омереций. Хімічні властивості першої з них подібні лантану і металів з його колекції. Елементи другої групи володіють дуже схожими хімічними характеристиками (практично ідентичні один одному). Всі актиноіди швидко взаємодіють з неметалами: сіркою, азотом, вуглецем. З кисневмісних легандами вони утворюють комплексні сполуки. Як бачимо, метали обох сімейств близькі між собою за хімічним поведінки. Ось чому лантаноиди і актиноіди часто називають металами-близнюками.

Положення в періодичній системі водню, лантаноїдів, актиноїдів

Потрібно враховувати той факт, що водень є досить реакционноспособним речовиною. Він проявляє себе у залежності від умов хімічної реакції: як відновник, так і окислювачем. Саме тому в періодичній системі водень розташовується одночасно в головних підгрупах двох груп. У першій водень грає роль відновника, як і лужні метали, розташовані тут. Місце водню в 7-й групі поряд з елементами галогенами вказує на його відновну здатність. У шостому періоді перебуває, як уже раніше було сказано, сімейство лантаноїдів, винесене в окремий ряд для зручності і компактності таблиці. Сьомий період містить групу радіоактивних елементів, за своїми характеристиками подібним актинию. Актиноиди розташовуються поза таблиці хімічних елементів Д. І Менделєєва під поруч сімейства лантану. Ці елементи найменш вивчені, так як ядра їх атомів дуже нестійкі через радіоактивності. Нагадаємо, що лантаноиди і актиноіди відносяться до елементів внутрішнім перехідним, а їх фізико-хімічні характеристики дуже близькі між собою.

Загальні способи добування металів у промисловості

За винятком торію, протактиния і урану, які видобувають прямим шляхом з руд, інші актиноіди можна отримати шляхом опромінення зразків металевого урану бистродвижущимися потоками нейтронів. У промислових масштабах нептуній і плутоній добувають з відпрацьованого палива ядерних реакторів. Зазначимо, що отримання актиноїдів – це досить складний і дорогий процес, основними методами якого є іонний обмін і багатостадійна екстракція. Лантаноіди, які називають рідкісноземельними елементами, отримують шляхом електролізу їх хлоридів або фторидів. Щоб добути надчисті лантаноиди, використовують металлотермический метод.

Де застосовують внутрішні перехідні елементи

Спектр використання досліджуваних нами металів досить широкий. Для сімейства актинія – це, насамперед, ядерну зброю і енергетика. Важливе значення мають актиноіди і в медицині, дефектоскопії, активаційному аналізі. Не можна обійти увагою застосування лантаноїдів та актиноїдів в якості джерел захоплення нейтронів в ядерних реакторах. Лантаноіди ж застосовують в якості легуючих добавок до чавуну і сталі, а також у виробництві люмінофорів.

Поширення в природі

Оксиди актиноїдів і лантаноїдів часто називають цирконієвої, торієвої, ітрієвої землями. Вони є основним джерелом для одержання відповідних металів. Уран, як головний представник актиноїдів, знаходиться у зовнішньому шарі літосфери у формі чотирьох видів руд або мінералів. Насамперед, це уранова смолка, що представляє собою двоокис урану. В ній вміст металу найвище. Часто діоксиду урану супроводжують радієві родовища (жили). Вони зустрічаються в Канаді, Франції, Заїрі. Комплекси торієвої та уранової руди часто містять руди інших цінних металів, наприклад золота або срібла. Запасами сировини багаті Росія, Південно-Африканська республіка, Канада і Австралія. У деяких осадових породах мінерал карнотит. До його складу, крім урану, входить ще і ванадій. Четвертий вид уранової сировини – це фосфатні руди і железоурановие сланці. Їх запаси знаходяться в Марокко, Швеції та США. В даний час перспективними вважаються також поклади лігнітів і кам'яного вугілля, що містять домішки урану. Їх видобувають у Іспанії, Чехії, а також у двох американських штатах – Північній і Південній Дакоті.