Lanthanides ו actinides: מיקום בטבלה המחזורית

כל אחד מהרכיבים הכימיים המוצגיםפגזים של כדור הארץ: אווירה, ליתוספירה והידרוספרה - 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. התכונות שלהם - הן פיסיקליות והן כימיות - ייבחנו על ידינו במאמר זה. בנוסף, נוכל לקבוע כיצד המיקום במערכת מחזורית של מימן, lanthanides, actinides תלוי במבנה של אלקטרונים אלקטרוניים של האטומים שלהם.

היסטוריה של גילוי

בסוף המאה ה -18 יו. גדולין היה התרכובת הראשונה מקבוצת מתכות הארץ נדירות, תחמוצת איטריום. לפני תחילת המאה ה -20, הודות למחקר של ג 'Mosely 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, החל משנת 1879 עד אמצע המאה ה -20. Lanthanides ו actinides יש קווי דמיון רבים הן פיזית והן תכונות כימיות. זה יכול להיות מוסבר על ידי המיקום של האלקטרונים 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 המתכות לעיל בפירוט רב יותר.

המבנה של מרכיבי מעבר פנימיים לאור הדוקטרינה האטומית-מולקולרית

תגלית מתוחכמת של המבנה של חומרים כימיים מ. לומונוסוב היה הבסיס למחקר נוסף של קליפת האלקטרונים של אטומים. מודל הפלנטרי של מבנה חלקיקים היסודי של יסוד כימי, המחקר מקס פלאנק, פ הונט מותר כימאים כדי למצוא את ההסבר הנכון של החוקים הקיימים של הווריאציה המחזורית של תכונות פיסיקליות וכימיות, אשר מתאפיינות lanthanides ו אקטינידים. אתה לא יכול להתעלם מן התפקיד החיוני של החוק התקופתי של DI מנדלייב בחקר המבנה של אטומים של יסודות מעבר. הבה נבחן סוגיה זו ביתר פירוט.

מקום של אלמנטים מעבר פנימי בטבלה המחזורית של די מנדלייב

בקבוצה השלישית של התקופה השישית - ארוכה יותרמתכת המשפחה הוא לנתן, cerium וקבענו לוטציום כלול. בשעה לנתן אטום 4F-שכבת משנה ריק ומלא לחלוטין אלקטרונים -14 לוטציום. בשלב אלמנטים מסולקים therebetween, ישן מילוי הדרגתי של אורביטלים F. במשפחה של אקטינידים - מ תוריום כדי לורנציום - אותו העיקרון הוא ציין הצטברות של חלקיקים טעונים שלילית עם ההבדל היחיד המתרחשת 5F-שכבת משנה אלקטרונים מילוי. המבנה של רמת האנרגיה החיצונית ומספר חלקיקים שליליים עליה (שווה שתיים) בכל המתכות הנ"ל זהות. עובדה זו עונה על השאלה לגבי מדוע lanthanides ו אקטינידים, כינה את אלמנטי מעבר הפנימיים, יש קווי דמיון רבים.

בחלק ממקורות הספרות הכימיתנציגי שתי המשפחות משולבים לתוך הצד השני של תת קבוצה. הם מכילים שני מתכת מכל משפחה. את הטופס הקצר של המערכת המחזורית של היסודות הכימיים נציגי DI מנדלייב של משפחות אלה מבודדים מהשולחן עצמו וסידר בשורות נפרדות. לכן, עמדת אקטינידים ו lanthanides במערכת המחזורית תואמת את התכנית הכללית של מבנה אטומים ואלקטרונים ברמות מילוי מחזוריות פנימית ואת הנוכחות של אותו חמצון נגרם צבירת מתכות מעבר פנימיים בקבוצה הכללית. בשנת יסודות כימיים אלה יש תכונות ומאפיינים המקבילה לנתן או אקטיניום. זו הסיבה lanthanides ו אקטינידים הוסרה מהשולחן של יסודות כימיים.

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

כפי שאמרנו קודם, את המיקום של lanthanidesו 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 אפשר להשתמש מתכות כמו תוספים נתוך לייצר מוליכים למחצה עם תכונות מגנטיות. גופרית 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 שימש בתגובה לשאלה מדוע lanthanides ו actinides יש תכונות זוהר. לדוגמה, אקטיניום של צבע כסף בחושך זוהר זוהר כחלחל. זה מוסבר על ידי פעולה של זרם חשמלי, פוטונים של אור על יונים מתכת, תחת השפעת אשר האטומים נרגשים, ואת האלקטרונים 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

Lanthanum ו actinium, כמו גם אלמנטים שלהםמשפחות, יש ירידה חדגונית בערכים 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 שבו האלמנטים שייכים לאותה תקופה, ירידה ברדיוס שלהם. זה יכול להיות מוסבר בצורה הבאה: 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 הקונכיות הפנימיות אל הליבה טעונה חיובי מגביר. כתוצאה מכך, רדי האטומים יורדים. בתרכובות יוניות של מתכות, רדיוס יונית גם ירידה עם מספר סידורי גדל. שינויים דומים נצפים האלמנטים של המשפחה של actinium. לכן lanthanoids ו actinides נקראים תאומים. הפחתת רדיוס של יונים מוביל, קודם כל, כדי היחלשות של תכונות בסיסיות של hydroxides Ce (OH)₃, Pr (OH)₃, ואת הבסיס של lutetium כבר מציג תכונות amphoteric.

לתוצאות בלתי צפויות תוצאות מילוי4F על ידי אלקטרונים לא מזוהים למחצית האורביטלים של האטום האירופיום. רדיוס האטום שלו אינו יורד, אלא להיפך. האלקטרון הבא בסדרת lananide של גדוליניום ב 5d sublevel מופיע כאחד האלקטרון של 4f 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 4F, בעוד בלוטטיום הוא מצטמצם בצורה פתאומית, שכן האלקטרונים מופיעים על המפרק 5d. באקטיניום ובאלמנטים רדיואקטיביים אחרים במשפחה זו, רדיום האטומים והיונים שלהם אינו משתנה באופן מונוטוני, אבל, כמו הלנתנואידים, 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 אשרהמאפיינים דומים למדי. בפרט, זה נוגע מעלות שלהם של חמצון יונים ואת העוצמה של האטומים. לדוגמה, תוריום ופרוטקטין, המציגים שוויון של שלושה, ב- TH (OH)₃, PaCl₃, ThF₃, אבא₂(CO₃)_3. כל החומרים האלה הם מסיסים ויש להםאותם תכונות כימיות כמו מתכות ממשפחת lanthanum: cerium, praseodymium, neodymium, וכו 'lanthanides בתרכובות אלה יהיה גם trivalent. דוגמאות אלה שוב מוכיחות לנו את נכונות ההצהרה כי lanthanides ו actinides הם תאומים. יש להם מאפיינים פיזיים וכימיים דומים. זה יכול להיות מוסבר, קודם כל, על ידי המבנה של האורביטלים האלקטרוניים של האטומים של שתי המשפחות של אלמנטים המעבר הפנימי.

תכונות מתכת

כל נציגי שתי הקבוצות הן 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. מציג את מידת החמצון +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 actinidesהדאגה גם תכונות כאלה, כמו, למשל, pyrophoricity במצב פיזור בסדר. 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 הרבה יותר נמוך מ 1000 ° C.

תגובות כימיות אופייניות

כפי שצוין קודם לכן, lanthanides ו actinidesהם מתכות פעילים 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 SeCl₃ או PRF₃, הם מהווים מלחי כפול. בכימיה האנליטית מקום חשוב הוא תפוס על ידי התגובות של מתכת lanthanides עם aminoacetic ו חומצות לימון. תרכובות מורכבות שנוצרו כתוצאה של תהליכים אלה משמשים להפריד תערובת של lanthanides, למשל, ב עפרות.

כאשר אינטראקציה עם חנקתי, כלוריד וחומצות גופרתי, 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 תואר +3 חמצון 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 omertium. התכונות הכימיות 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 מימןחומר תגובתי מספיק. זה בא לידי ביטוי בהתאם לתנאים של התגובה הכימית: הן סוכן הפחתת חמצון. זו הסיבה במערכת מימן תקופתי ממוקם בו זמנית subgroups הראשי של שתי קבוצות בבת אחת.

בחודש הראשון, מימן משחק את התפקיד של סוכן הפחתת, כמוו מתכות אלקליות ממוקם כאן. מקומו של המימן בקבוצה השביעית, יחד עם אלמנטים האלוגנים, 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. אקטנואידים ממוקמים מחוץ לשולחן של אלמנטים כימיים של די מנדלייב תחת מספר המשפחה lanthanum. אלמנטים אלה הם לפחות למד, שכן הגרעינים של 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 דגימה אורניום דגימות עם זרימות נויטרונים נעים במהירות. בקנה מידה תעשייתי, נפטון ופלוטוניום 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, להשתמש בשיטה metallothermal.

כאשר נעשה שימוש באלמנטים של מעבר פנימי

ספקטרום השימוש במתכות שאנו לומדיםהוא רחב מספיק. עבור משפחת actinium - הוא, מעל לכל, נשק גרעיני ואנרגיה. חשיבות רבה הם actinides ברפואה, זיהוי פגם, ניתוח ההפעלה. איננו יכולים להתעלם משימוש בלנטנידים ואקטנידים 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 קרובותזירקוניום, תוריום, כדור 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, כמו גם בשתי מדינות אמריקאיות - צפון ודרום דקוטה.

</ p>>