Svaki od kemijskih elemenata predstavljenih u ljuskama Zemlje: atmosfera, litosfera i hidrosfera - može poslužiti kao živopisan primjer, koji potvrđuje temeljnu važnost atomske i molekularne teorije i periodičnog zakona. Formulirali su ih svjetiljci prirodne znanosti - ruski znanstvenici M. V. Lomonosov i D. I. Mendeljejev. Lantanidi i aktinidi su dvije obitelji koje sadrže po 14 kemijskih elemenata, kao i same metale – lantan i aktinij. Njihova svojstva – fizička i kemijska – razmotrit ćemo u ovom radu. Osim toga, ustanovit ćemo kako položaj u periodnom sustavu vodika, lantanida, aktinida ovisi o strukturi elektroničkih orbitala njihovih atoma.
Povijest otkrića
Krajem 18. stoljeća Y. Gadolin je dobio prvi spoj iz skupine rijetkih zemnih metala - itrij oksid. Sve do početka 20. stoljeća, zahvaljujući istraživanjima G. Moseleya u kemiji, saznalo se za postojanje skupine metala. Nalazili su se u periodičnom sustavu između lantana i hafnija. Drugi kemijski element - aktinij, poput lantana, čini obitelj od 14 radioaktivnihkemijski elementi zvani aktinidi. Njihovo otkriće u znanosti dogodilo se od 1879. do sredine 20. stoljeća. Lantanidi i aktinidi imaju mnogo sličnosti u fizičkim i kemijskim svojstvima. To se može objasniti rasporedom elektrona u atomima ovih metala, koji se nalaze na energetskim razinama, naime, za lantanoide je to četvrta razina f-podrazina, a za aktinide - peta razina f-podrazina. Zatim ćemo detaljnije razmotriti elektronske ljuske atoma gornjih metala.
Struktura unutarnjih prijelaznih elemenata u svjetlu atomskih i molekularnih učenja
Genijalno otkriće strukture kemikalija MV Lomonosova bilo je temelj za daljnje proučavanje elektronskih ljuski atoma. Rutherfordov model strukture elementarne čestice kemijskog elementa, studije M. Plancka, F. Gunda omogućile su kemičarima da pronađu ispravno objašnjenje za postojeće obrasce periodičnih promjena fizikalnih i kemijskih svojstava koje karakteriziraju lantanide i aktinide. Nemoguće je zanemariti najvažniju ulogu periodičnog zakona D. I. Mendeljejeva u proučavanju strukture atoma prijelaznih elemenata. Zaustavimo se na ovom pitanju detaljnije.
Mjesto unutarnjih prijelaznih elemenata u periodnom sustavu D. I. Mendelejeva
U trećoj skupini šestog - većeg razdoblja - iza lantana nalazi se porodica metala u rasponu od cerija do uključujući lutecij. 4f podrazina atoma lantana je prazna, dok je atom lutecija potpuno ispunjen 14.elektrona. Elementi koji se nalaze između njih postupno ispunjavaju f-orbitale. U obitelji aktinida - od torija do Lawrencija - promatra se isti princip nakupljanja negativno nabijenih čestica s jedinom razlikom: punjenje elektronima događa se na podrazini 5f. Struktura vanjske energetske razine i broj negativnih čestica na njoj (jednak dvije) jednaki su za sve gore navedene metale. Ova činjenica odgovara na pitanje zašto lantanidi i aktinidi, nazvani unutarnji prijelazni elementi, imaju mnogo sličnosti.
U nekim izvorima kemijske literature, predstavnici obiju obitelji kombinirani su u podskupine druge strane. Sadrže dva metala iz svake obitelji. U kratkom obliku periodnog sustava kemijskih elemenata D. I. Mendelejeva, predstavnici ovih obitelji odvojeni su od same tablice i raspoređeni u zasebne redove. Stoga položaj lantanida i aktinida u periodnom sustavu odgovara općem planu strukture atoma i periodičnosti punjenja unutarnjih razina elektronima, a prisutnost istih oksidacijskih stanja uzrokovala je udruživanje unutarnjih prijelaznih metala u zajedničke skupine.. U njima kemijski elementi imaju značajke i svojstva ekvivalentna lantanu ili aktiniju. Zato su lantanidi i aktinidi uklonjeni iz tablice kemijskih elemenata.
Kako elektronička konfiguracija f-podrazine utječe na svojstva metala
Kao što smo ranije rekli, položaj lantanida i aktinida u periodičnomsustav izravno određuje njihove fizikalne i kemijske karakteristike. Dakle, ioni cerija, gadolinija i drugih elemenata iz obitelji lantanida imaju visoke magnetne momente, što je povezano sa strukturnim značajkama f-podrazine. To je omogućilo korištenje metala kao dodataka za dobivanje poluvodiča s magnetskim svojstvima. Sulfidi elemenata obitelji aktinija (na primjer, sulfid protaktinija, torija) u sastavu svojih molekula imaju mješovitu vrstu kemijske veze: ionsko-kovalentna ili kovalentna-metalna. Ova značajka strukture dovela je do pojave novog fizikalno-kemijskog svojstva i poslužila 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 utjecajem kojih se atomi pobuđuju, a elektroni u njima "skaču" na više energetske razine i potom se vraćaju u svoje stacionarne orbite. Iz tog razloga se lantanidi i aktinidi klasificiraju kao fosfor.
Posljedice smanjenja ionskih radijusa atoma
U lantanu i aktiniju, kao i u elementima iz njihovih obitelji, dolazi do monotonog smanjenja vrijednosti pokazatelja radijusa metalnih iona. U kemiji je u takvim slučajevima uobičajeno govoriti o kompresiji lantanida i aktinida. U kemiji je ustanovljen sljedeći obrazac: s povećanjem naboja jezgre atoma, ako elementi pripadaju istom razdoblju, njihovi se radijusi smanjuju. To se može objasniti na sljedeći načinnačin: za takve metale kao što su cerij, prazeodim, neodim, broj energetskih razina u njihovim atomima je nepromijenjen i jednak je šest. Međutim, naboji jezgri se povećavaju za jedan i iznose +58, +59, +60. To znači da se povećava sila privlačenja elektrona unutarnjih ljuski na pozitivno nabijenu jezgru. Kao rezultat, atomski radijusi se smanjuju. U ionskim spojevima metala, s povećanjem atomskog broja, smanjuju se i ionski radijusi. Slične promjene opažene su u elementima obitelji anemona. Zato se lantanidi i aktinidi nazivaju blizancima. Smanjenje radijusa iona dovodi, prije svega, do slabljenja osnovnih svojstava hidroksida Ce(OH)3, Pr(OH)3 svojstva.
Popunjavanje 4f-podrazine nesparenim elektronima do polovice orbitala atoma europija dovodi do neočekivanih rezultata. Njegov atomski radijus se ne smanjuje, već se, naprotiv, povećava. Gadolinij, koji ga slijedi u nizu lantanida, ima jedan elektron u 4f podrazini na 5d podrazini, slično kao Eu. Ova struktura uzrokuje naglo smanjenje radijusa atoma gadolinija. Sličan fenomen se opaža u paru iterbija - lutecija. Za prvi element atomski radijus je velik zbog potpunog punjenja 4f podrazine, dok se za lutecij naglo smanjuje, budući da se pojava elektrona opaža na 5d podrazini. U aktiniju i drugim radioaktivnim elementima ove obitelji polumjeri njihovih atoma i iona ne mijenjaju se monotono, već se, poput lantanida, postupno. Dakle, lantanidi iaktinidi su elementi čija svojstva njihovih spojeva korelativno ovise o ionskom radijusu i strukturi elektronske ljuske atoma.
Valencijska stanja
Lantanidi i aktinidi su elementi čije su karakteristike prilično slične. To se posebno odnosi na njihova oksidacijska stanja u ionima i valenciju atoma. Na primjer, torij i protaktinij, koji pokazuju valenciju od tri, u spojevima Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Sve ove tvari su netopive i imaju ista kemijska svojstva kao i metali iz obitelji lantana: cerij, prazeodim, neodim, itd. Lantanidi u tim spojevima također će biti trovalentni. Ovi nam primjeri još jednom dokazuju točnost tvrdnje da su lantanidi i aktinidi blizanci. Imaju slična fizikalna i kemijska svojstva. To se prvenstveno može objasniti strukturom elektronskih orbitala atoma obje obitelji unutarnjih prijelaznih elemenata.
Metalna svojstva
Svi predstavnici obiju grupa su metali, u kojima su završene 4f-, 5f-, a također i d-podrazine. Lantan i elementi njegove obitelji nazivaju se rijetkim zemljama. Njihove fizikalne i kemijske karakteristike su toliko bliske da se u laboratorijskim uvjetima teško odvajaju odvojeno. Elementi serije lantana, koji najčešće pokazuju oksidacijsko stanje od +3, imaju mnogo sličnosti sa zemnoalkalijskim metalima (barij, kalcij, stroncij). Aktinidi su također izuzetno aktivni metali, a također su i radioaktivni.
Strukturne značajke lantanida i aktinida također se odnose na svojstva kao što je, na primjer, pirofornost u fino raspršenom stanju. Također se opaža smanjenje veličine kristalnih rešetki metala usmjerenih na lice. Dodajmo da su svi kemijski elementi obje obitelji metali srebrnastog sjaja, koji zbog svoje visoke reaktivnosti brzo potamne na zraku. Prekriveni su filmom odgovarajućeg oksida koji štiti od daljnje oksidacije. Svi elementi su dovoljno vatrostalni, osim neptunija i plutonija, čija je točka taljenja znatno ispod 1000 °C.
Karakteristične kemijske reakcije
Kao što je ranije navedeno, lantanidi i aktinidi su reaktivni metali. Dakle, lantan, cerij i drugi elementi obitelji lako se kombiniraju s jednostavnim tvarima - halogenima, kao i s fosforom, ugljikom. Lantanidi također mogu komunicirati s ugljičnim monoksidom i ugljičnim dioksidom. Također su sposobni razgraditi vodu. Osim jednostavnih soli, kao što su SeCl3 ili PrF3, na primjer, tvore dvostruke soli. U analitičkoj kemiji važno mjesto zauzimaju reakcije lantanidnih metala s aminooctenom i limunskom kiselinom. Složeni spojevi koji nastaju kao rezultat takvih procesa koriste se za odvajanje mješavine lantanida, na primjer, u rudama.
Kod interakcije s nitratnim, kloridnim i sulfatnim kiselinama, metalimaformiraju odgovarajuće soli. Vrlo su topljivi u vodi i lako mogu tvoriti kristalne hidrate. Valja napomenuti da su vodene otopine soli lantanida obojene, što se objašnjava prisutnošću odgovarajućih iona u njima. Otopine soli samarija ili prazeodima su zelene, neodima - crveno-ljubičaste, prometija i europija - ružičaste. Budući da su ioni s oksidacijskim stanjem +3 obojeni, to se koristi u analitičkoj kemiji za prepoznavanje iona metala lantanida (tzv. kvalitativne reakcije). U istu svrhu koriste se i metode kemijske analize kao što su frakcijska kristalizacija i ionsko-izmjenjivačka kromatografija.
Aktinidi se mogu podijeliti u dvije grupe elemenata. To su berkelij, fermij, mendelevij, nobelij, lorencij i uran, neptunij, plutonij, omercij. Kemijska svojstva prvog od njih slična su lantanu i metalima iz njegove obitelji. Elementi druge skupine imaju vrlo slične kemijske karakteristike (međusobno gotovo identične). Svi aktinidi brzo stupaju u interakciju s nemetalima: sumporom, dušikom, ugljikom. Oni tvore složene spojeve s legendama koje sadrže kisik. Kao što vidimo, metali obje obitelji su bliski jedan drugome u kemijskom ponašanju. Zbog toga se lantanidi i aktinidi često nazivaju metalima blizancima.
Pozicija u periodnom sustavu vodika, lantanida, aktinida
Neophodno je uzeti u obzir činjenicu da je vodik prilično reaktivna tvar. Očituje se ovisno o uvjetima kemijske reakcije: i kao redukcijsko i kao oksidacijsko sredstvo. Zato se u periodnom sustavuvodik se nalazi istovremeno u glavnim podskupinama dviju skupina odjednom.
U prvom, vodik igra ulogu redukcijskog agensa, poput alkalnih metala koji se nalaze ovdje. Mjesto vodika u 7. skupini, uz elemente halogene, ukazuje na njegovu redukcijsku sposobnost. U šestom razdoblju, kao što je već spomenuto, nalazi se obitelj lantanida, smještena u zasebnom redu radi praktičnosti i kompaktnosti stola. Sedmo razdoblje sadrži skupinu radioaktivnih elemenata sličnih po svojstvima aktiniju. Aktinidi se nalaze izvan tablice kemijskih elemenata D. I. Mendelejeva ispod reda obitelji lantana. Ovi elementi su najmanje proučavani, jer su jezgre njihovih atoma vrlo nestabilne zbog radioaktivnosti. Podsjetimo da su lantanidi i aktinidi unutarnji prijelazni elementi, a njihove su fizikalno-kemijske karakteristike vrlo bliske jedna drugoj.
Opće metode za proizvodnju metala u industriji
S izuzetkom torija, protaktinija i urana, koji se kopaju izravno iz ruda, ostatak aktinida može se dobiti zračenjem uzoraka metalnog urana brzim neutronskim strujama. U industrijskim razmjerima, neptunij i plutonij se kopaju iz istrošenog goriva iz nuklearnih reaktora. Imajte na umu da je proizvodnja aktinida prilično kompliciran i skup proces, čije su glavne metode ionska izmjena i višestupanjska ekstrakcija. Lantanidi, koji se nazivaju elementi rijetkih zemalja, dobivaju se elektrolizom njihovih klorida ili fluorida. Metalotermna metoda koristi se za ekstrakciju ultračistih lantanida.
Gdje se koriste interni prijelazni elementi
Raspon upotrebe metala koje proučavamo prilično je širok. Za obitelj anemona, ovo je prije svega nuklearno oružje i energija. Aktinidi su također važni u medicini, detekciji mana i aktivacijskoj analizi. Nemoguće je zanemariti korištenje lantanida i aktinida kao izvora hvatanja neutrona u nuklearnim reaktorima. Lantanidi se također koriste kao dodaci za legiranje lijevanog željeza i čelika, kao i u proizvodnji fosfora.
Širi se u prirodi
Oksidi aktinida i lantanida često se nazivaju cirkonij, torij, itrij. Oni su glavni izvor za dobivanje odgovarajućih metala. Uran, kao glavni predstavnik aktinida, nalazi se u vanjskom sloju litosfere u obliku četiri vrste ruda ili minerala. Prije svega, to je uranova smola, koja je uranijev dioksid. Ima najveći udio metala. Često je uran dioksid popraćen naslagama radija (žilama). Ima ih u Kanadi, Francuskoj, Zairu. Kompleksi ruda torija i urana često sadrže rude drugih vrijednih metala, poput zlata ili srebra.
Zalihe takvih sirovina bogate su u Rusiji, Južnoj Africi, Kanadi i Australiji. Neke sedimentne stijene sadrže mineral karnotit. Osim urana, sadrži i vanadij. Četvrtavrsta uranovih sirovina su fosfatne rude i željezo-uranski škriljevci. Njihove rezerve nalaze se u Maroku, Švedskoj i SAD-u. Trenutačno se obećavajućim smatraju i nalazišta lignita i ugljena koji sadrže nečistoće urana. Miniraju se u Španjolskoj, Češkoj, te također u dvije američke države - Sjevernoj i Južnoj Dakoti.
