Ciascuno degli elementi chimici presentati nei gusci della Terra: l'atmosfera, la litosfera e l'idrosfera - può servire da vivido esempio, confermando l'importanza fondamentale della teoria atomica e molecolare e della legge periodica. Sono stati formulati dai luminari delle scienze naturali: gli scienziati russi M. V. Lomonosov e D. I. Mendeleev. Lantanidi e attinidi sono due famiglie che contengono 14 elementi chimici ciascuna, così come i metalli stessi: lantanio e attinio. Le loro proprietà - sia fisiche che chimiche - saranno da noi considerate in questo articolo. Inoltre, stabiliremo come la posizione nel sistema periodico di idrogeno, lantanidi, attinidi dipenda dalla struttura degli orbitali elettronici dei loro atomi.
Cronologia delle scoperte
Alla fine del 18° secolo, Y. Gadolin ottenne il primo composto dal gruppo dei metalli delle terre rare: l'ossido di ittrio. Fino all'inizio del XX secolo, grazie alle ricerche di G. Moseley in chimica, si è saputo dell'esistenza di un gruppo di metalli. Si trovavano nel sistema periodico tra lantanio e afnio. Un altro elemento chimico - l'attinio, come il lantanio, forma una famiglia di 14 radioattivielementi chimici chiamati attinidi. La loro scoperta nella scienza avvenne dal 1879 alla metà del XX secolo. Lantanidi e attinidi hanno molte somiglianze nelle proprietà fisiche e chimiche. Ciò può essere spiegato dalla disposizione degli elettroni negli atomi di questi metalli, che sono a livelli di energia, vale a dire, per i lantanidi questo è il quarto livello f-sottolivello e per gli attinidi - il quinto livello f-sottolivello. Successivamente, considereremo i gusci di elettroni degli atomi dei suddetti metalli in modo più dettagliato.
La struttura degli elementi di transizione interni alla luce degli insegnamenti atomici e molecolari
L'ingegnosa scoperta della struttura delle sostanze chimiche da parte di MV Lomonosov è stata la base per ulteriori studi sui gusci di elettroni degli atomi. Il modello di Rutherford della struttura di una particella elementare di un elemento chimico, gli studi di M. Planck, F. Gund hanno permesso ai chimici di trovare la corretta spiegazione per i modelli esistenti di cambiamenti periodici nelle proprietà fisiche e chimiche che caratterizzano lantanidi e attinidi. È impossibile ignorare il ruolo più importante della legge periodica di D. I. Mendeleev nello studio della struttura degli atomi degli elementi di transizione. Soffermiamoci su questo problema in modo più dettagliato.
Posizione degli elementi di transizione interni nella tavola periodica di D. I. Mendeleev
Nel terzo gruppo del sesto - periodo più ampio - dietro al lantanio c'è una famiglia di metalli che vanno dal cerio al lutezio compreso. Il sottolivello 4f dell'atomo di lantanio è vuoto, mentre l'atomo di lutezio è completamente riempito con il 14°elettroni. Gli elementi situati tra di loro stanno gradualmente riempiendo gli orbitali f. Nella famiglia degli attinidi - dal torio al laurenzio - si osserva lo stesso principio di accumulo di particelle caricate negativamente con l'unica differenza: il riempimento di elettroni avviene al sottolivello 5f. La struttura del livello di energia esterna e il numero di particelle negative su di esso (pari a due) sono gli stessi per tutti i metalli di cui sopra. Questo fatto risponde alla domanda sul perché i lantanidi e gli attinidi, chiamati elementi di transizione interni, abbiano molte somiglianze.
In alcune fonti della letteratura chimica, i rappresentanti di entrambe le famiglie sono riuniti in sottogruppi di secondo lato. Contengono due metalli di ciascuna famiglia. Nella forma abbreviata del sistema periodico di elementi chimici di D. I. Mendeleev, i rappresentanti di queste famiglie sono separati dalla tabella stessa e disposti in file separate. Pertanto, la posizione di lantanidi e attinidi nel sistema periodico corrisponde al piano generale della struttura degli atomi e alla periodicità di riempire i livelli interni di elettroni, e la presenza degli stessi stati di ossidazione ha causato l'associazione dei metalli di transizione interni in gruppi comuni. In essi, gli elementi chimici hanno caratteristiche e proprietà equivalenti al lantanio o all'attinio. Ecco perché i lantanidi e gli attinidi vengono rimossi dalla tavola degli elementi chimici.
Come la configurazione elettronica del sottolivello f influenza le proprietà dei metalli
Come abbiamo detto prima, la posizione dei lantanidi e degli attinidi nel periodicosistema determina direttamente le loro caratteristiche fisiche e chimiche. Pertanto, gli ioni di cerio, gadolinio e altri elementi della famiglia dei lantanidi hanno momenti magnetici elevati, associati alle caratteristiche strutturali del sottolivello f. Ciò ha permesso di utilizzare i metalli come droganti per ottenere semiconduttori con proprietà magnetiche. I solfuri di elementi della famiglia dell'attinio (ad esempio, solfuro di protoattinio, torio) nella composizione delle loro molecole hanno un tipo misto di legame chimico: ionico-covalente o covalente-metallo. Questa caratteristica della struttura ha portato all'emergere di una nuova proprietà fisico-chimica ed è servita come risposta alla domanda sul perché i lantanidi e gli attinidi abbiano proprietà luminescenti. Ad esempio, un campione di anemone argentato al buio emette un bagliore bluastro. Ciò è spiegato dall'azione della corrente elettrica, fotoni di luce sugli ioni metallici, sotto l'influenza dei quali gli atomi vengono eccitati e gli elettroni in essi "s altano" a livelli di energia più elevati e quindi tornano alle loro orbite stazionarie. È per questo motivo che i lantanidi e gli attinidi sono classificati come fosfori.
Conseguenze della diminuzione dei raggi ionici degli atomi
Nel lantanio e nell'attinio, così come negli elementi delle loro famiglie, c'è una monotona diminuzione del valore degli indicatori dei raggi degli ioni metallici. In chimica, in questi casi è consuetudine parlare di compressione di lantanidi e attinidi. In chimica è stato stabilito il seguente schema: all'aumentare della carica del nucleo degli atomi, se gli elementi appartengono allo stesso periodo, i loro raggi diminuiscono. Questo può essere spiegato come seguemodo: per metalli come cerio, praseodimio, neodimio, il numero di livelli di energia nei loro atomi è invariato e pari a sei. Tuttavia, le cariche dei nuclei aumentano rispettivamente di uno e sono +58, +59, +60. Ciò significa che la forza di attrazione degli elettroni dei gusci interni verso il nucleo caricato positivamente aumenta. Di conseguenza, i raggi atomici diminuiscono. Nei composti ionici dei metalli, all'aumentare del numero atomico, diminuiscono anche i raggi ionici. Cambiamenti simili si osservano negli elementi della famiglia degli anemoni. Ecco perché i lantanidi e gli attinidi sono chiamati gemelli. Una diminuzione dei raggi degli ioni porta, innanzitutto, ad un indebolimento delle proprietà di base degli idrossidi Ce(OH)3, Pr(OH)3 proprietà.
Il riempimento del sottolivello 4f con elettroni spaiati fino a metà degli orbitali dell'atomo di europio porta a risultati inaspettati. Il suo raggio atomico non diminuisce, ma, al contrario, aumenta. Il gadolinio, che lo segue nella serie dei lantanidi, ha un elettrone nel sottolivello 4f al sottolivello 5d, in modo simile a Eu. Questa struttura provoca una brusca diminuzione del raggio dell'atomo di gadolinio. Un fenomeno simile si osserva in una coppia di itterbio - lutezio. Per il primo elemento, il raggio atomico è grande a causa del riempimento completo del sottolivello 4f, mentre per il lutezio diminuisce bruscamente, poiché la comparsa degli elettroni si osserva al sottolivello 5d. Nell'attinio e in altri elementi radioattivi di questa famiglia, i raggi dei loro atomi e ioni non cambiano in modo monotono, ma, come i lantanidi, in modo graduale. Così, i lantanidi egli attinidi sono elementi le cui proprietà dei loro composti dipendono correlativamente dal raggio ionico e dalla struttura dei gusci elettronici degli atomi.
Valence dichiara
Lantanidi e attinidi sono elementi le cui caratteristiche sono abbastanza simili. In particolare, ciò riguarda i loro stati di ossidazione negli ioni e la valenza degli atomi. Ad esempio, torio e protoattinio, che mostrano una valenza di tre, nei composti Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Tutte queste sostanze sono insolubili e hanno le stesse proprietà chimiche dei metalli della famiglia dei lantanio: cerio, praseodimio, neodimio, ecc. Anche i lantanidi in questi composti saranno trivalenti. Questi esempi ci dimostrano ancora una volta la correttezza dell'affermazione che i lantanidi e gli attinidi sono gemelli. Hanno proprietà fisiche e chimiche simili. Ciò può essere spiegato principalmente dalla struttura degli orbitali elettronici degli atomi di entrambe le famiglie di elementi di transizione interni.
Proprietà metalliche
Tutti i rappresentanti di entrambi i gruppi sono metalli, in cui i sottolivelli 4f-, 5f- e anche d sono completati. Il lantanio e gli elementi della sua famiglia sono chiamati terre rare. Le loro caratteristiche fisiche e chimiche sono così vicine che vengono separate separatamente in condizioni di laboratorio con grande difficoltà. Molto spesso esibendo uno stato di ossidazione di +3, gli elementi della serie del lantanio hanno molte somiglianze con i metalli alcalino terrosi (bario, calcio, stronzio). Gli attinidi sono anche metalli estremamente attivi e sono anche radioattivi.
Le caratteristiche strutturali dei lantanidi e degli attinidi si riferiscono anche a proprietà come, ad esempio, la piroforicità in uno stato finemente disperso. Si osserva anche una diminuzione delle dimensioni dei reticoli cristallini centrati sulla faccia dei metalli. Aggiungiamo che tutti gli elementi chimici di entrambe le famiglie sono metalli con lucentezza argentea, a causa della loro elevata reattività, si scuriscono rapidamente all'aria. Sono ricoperti da una pellicola dell'ossido corrispondente, che protegge da un'ulteriore ossidazione. Tutti gli elementi sono sufficientemente refrattari, ad eccezione del nettunio e del plutonio, il cui punto di fusione è ben al di sotto di 1000 °C.
Reazioni chimiche caratteristiche
Come notato in precedenza, i lantanidi e gli attinidi sono metalli reattivi. Quindi, lantanio, cerio e altri elementi della famiglia si combinano facilmente con sostanze semplici: alogeni, nonché con fosforo, carbonio. I lantanidi possono anche interagire sia con il monossido di carbonio che con l'anidride carbonica. Sono anche in grado di decomporre l'acqua. Oltre ai sali semplici, come ad esempio SeCl3 o PrF3, formano sali doppi. Nella chimica analitica, le reazioni dei metalli lantanidi con gli acidi aminoacetico e citrico occupano un posto importante. I composti complessi formatisi a seguito di tali processi vengono utilizzati per separare una miscela di lantanidi, ad esempio in minerali.
Quando si interagisce con acidi nitrati, cloruri e solfati, metalliformare i sali corrispondenti. Sono altamente solubili in acqua e facilmente in grado di formare idrati cristallini. Va notato che le soluzioni acquose di sali di lantanide sono colorate, il che è spiegato dalla presenza degli ioni corrispondenti in esse. Le soluzioni di sali di samario o praseodimio sono verdi, neodimio - rosso-viola, promezio ed europio - rosa. Poiché gli ioni con uno stato di ossidazione di +3 sono colorati, questo viene utilizzato in chimica analitica per riconoscere gli ioni metallici lantanidi (le cosiddette reazioni qualitative). Allo stesso scopo vengono utilizzati anche metodi di analisi chimica come la cristallizzazione frazionata e la cromatografia a scambio ionico.
Gli attinidi possono essere divisi in due gruppi di elementi. Questi sono berkelium, fermium, mendelevio, nobelium, lawrencium e uranio, nettunio, plutonio, omercium. Le proprietà chimiche del primo di questi sono simili al lantanio e ai metalli della sua famiglia. Gli elementi del secondo gruppo hanno caratteristiche chimiche molto simili (quasi identiche tra loro). Tutti gli attinidi interagiscono rapidamente con i non metalli: zolfo, azoto, carbonio. Formano composti complessi con leggende contenenti ossigeno. Come possiamo vedere, i metalli di entrambe le famiglie sono vicini l'uno all' altro nel comportamento chimico. Questo è il motivo per cui i lantanidi e gli attinidi sono spesso indicati come metalli gemelli.
Posizione nel sistema periodico di idrogeno, lantanidi, attinidi
Bisogna tener conto del fatto che l'idrogeno è una sostanza abbastanza reattiva. Si manifesta a seconda delle condizioni della reazione chimica: sia come agente riducente che come agente ossidante. Ecco perché nel sistema periodicol'idrogeno si trova simultaneamente nei principali sottogruppi di due gruppi contemporaneamente.
Nel primo, l'idrogeno svolge il ruolo di agente riducente, come i metalli alcalini che si trovano qui. Il posto dell'idrogeno nel 7° gruppo, insieme agli elementi alogeni, indica la sua capacità riducente. Nel sesto periodo, come già accennato, si colloca la famiglia dei lantanidi, posta in fila separata per comodità e compattezza della tavola. Il settimo periodo contiene un gruppo di elementi radioattivi simili per caratteristiche all'attinio. Gli attinidi si trovano al di fuori della tabella degli elementi chimici di D. I. Mendeleev sotto la fila della famiglia del lantanio. Questi elementi sono i meno studiati, poiché i nuclei dei loro atomi sono molto instabili a causa della radioattività. Ricordiamo che lantanidi e attinidi sono elementi di transizione interni e le loro caratteristiche fisico-chimiche sono molto vicine tra loro.
Metodi generali per la produzione di metalli nell'industria
Con l'eccezione di torio, protoattinio e uranio, che vengono estratti direttamente dai minerali, il resto degli attinidi può essere ottenuto irradiando campioni di uranio metallico con flussi di neutroni in rapido movimento. Su scala industriale, il nettunio e il plutonio vengono estratti dal combustibile esaurito dei reattori nucleari. Si noti che la produzione di attinidi è un processo piuttosto complicato e costoso, i cui metodi principali sono lo scambio ionico e l'estrazione multistadio. I lantanidi, detti elementi delle terre rare, sono ottenuti per elettrolisi dei loro cloruri o fluoruri. Il metodo metallotermico viene utilizzato per estrarre lantanidi ultrapuri.
Dove vengono utilizzati gli elementi di transizione interni
La gamma di utilizzo dei metalli che studiamo è piuttosto ampia. Per la famiglia degli anemoni, questo è, prima di tutto, armi nucleari ed energia. Gli attinidi sono importanti anche in medicina, nel rilevamento dei difetti e nell'analisi dell'attivazione. È impossibile ignorare l'uso di lantanidi e attinidi come fonti di cattura dei neutroni nei reattori nucleari. I lantanidi sono anche usati come aggiunte di lega alla ghisa e all'acciaio, nonché nella produzione di fosfori.
Diffusione nella natura
Gli ossidi di attinidi e lantanidi sono spesso chiamati zirconio, torio, terre di ittrio. Sono la fonte principale per ottenere i metalli corrispondenti. L'uranio, in quanto principale rappresentante degli attinidi, si trova nello strato esterno della litosfera sotto forma di quattro tipi di minerali o minerali. Prima di tutto, è pece di uranio, che è biossido di uranio. Ha il più alto contenuto di metalli. Spesso il biossido di uranio è accompagnato da depositi di radio (vene). Si trovano in Canada, Francia, Zaire. I complessi di torio e uranio contengono spesso minerali di altri metalli preziosi, come oro o argento.
Le riserve di tali materie prime sono ricche in Russia, Sud Africa, Canada e Australia. Alcune rocce sedimentarie contengono il minerale carnotite. Oltre all'uranio, contiene anche vanadio. Il quartoil tipo di materie prime di uranio sono i minerali di fosfato e gli scisti di ferro-uranio. Le loro riserve si trovano in Marocco, Svezia e Stati Uniti. Allo stato attuale, sono considerati promettenti anche i giacimenti di lignite e carbone contenenti impurità di uranio. Vengono estratti in Spagna, Repubblica Ceca e anche in due stati degli Stati Uniti: il Nord e il Sud Dakota.
