Cada un dels elements químics que es presenten a les closques de la Terra: l'atmosfera, la litosfera i la hidrosfera - pot servir d'exemple viu, confirmant la importància fonamental de la teoria atòmica i molecular i de la llei periòdica. Van ser formulats per lluminàries de les ciències naturals: els científics russos M. V. Lomonosov i D. I. Mendeleev. Els lantànids i els actínids són dues famílies que contenen 14 elements químics cadascuna, així com els propis metalls: el lantà i l'actini. Les seves propietats -tant físiques com químiques- seran considerades per nos altres en aquest article. A més, establirem com la posició en el sistema periòdic de l'hidrogen, lantànids, actínids depèn de l'estructura dels orbitals electrònics dels seus àtoms.
Historial de descobriments
A finals del segle XVIII, Y. Gadolin va obtenir el primer compost del grup de metalls de terres rares: l'òxid d'itri. Fins a principis del segle XX, gràcies a les investigacions de G. Moseley en química, es va conèixer l'existència d'un grup de metalls. Estaven situats en el sistema periòdic entre el lantà i l'hafni. Un altre element químic - l'actini, com el lantà, forma una família de 14 radioactiuselements químics anomenats actínids. El seu descobriment a la ciència es va produir des de 1879 fins a mitjans del segle XX. Els lantànids i els actínids tenen moltes similituds tant en propietats físiques com químiques. Això es pot explicar per la disposició dels electrons en els àtoms d'aquests metalls, que es troben a nivells d'energia, és a dir, per als lantànids, aquest és el quart nivell f-subnivell, i per als actínids, el cinquè nivell f-subnivell. A continuació, analitzarem amb més detall les capes d'electrons dels àtoms dels metalls anteriors.
L'estructura dels elements de transició interns a la llum dels ensenyaments atòmics i moleculars
L'enginyós descobriment de l'estructura de les substàncies químiques per part de MV Lomonosov va ser la base per a un estudi posterior de les capes d'electrons dels àtoms. El model de Rutherford de l'estructura d'una partícula elemental d'un element químic, els estudis de M. Planck, F. Gund van permetre als químics trobar l'explicació correcta per als patrons existents de canvis periòdics en les propietats físiques i químiques que caracteritzen els lantànids i els actínids. És impossible ignorar el paper més important de la llei periòdica de D. I. Mendeleiev en l'estudi de l'estructura dels àtoms dels elements de transició. Anem a parlar d'aquest tema amb més detall.
Lloc dels elements de transició interna a la taula periòdica de D. I. Mendeleiev
Al tercer grup del sisè, un període més gran, darrere del lantà, hi ha una família de metalls que van des del ceri fins al luteci. El subnivell 4f de l'àtom de lantà està buit, mentre que l'àtom de luteci està completament ple amb el 14è.electrons. Els elements situats entre ells van omplint gradualment els orbitals f. A la família dels actínids, del tori al lawrenci, s'observa el mateix principi d'acumulació de partícules carregades negativament amb l'única diferència: l'ompliment d'electrons es produeix al subnivell 5f. L'estructura del nivell d'energia externa i el nombre de partícules negatives sobre ell (igual a dues) són els mateixos per a tots els metalls anteriors. Aquest fet respon a la pregunta de per què els lantànids i els actínids, anomenats elements de transició interna, tenen moltes similituds.
En algunes fonts de literatura química, els representants d'ambdues famílies es combinen en subgrups secundaris. Contenen dos metalls de cada família. En la forma abreujada del sistema periòdic d'elements químics de D. I. Mendeleev, els representants d'aquestes famílies estan separats de la pròpia taula i disposats en files separades. Per tant, la posició dels lantànids i actínids en el sistema periòdic correspon al pla general de l'estructura dels àtoms i la periodicitat d'ompliment dels nivells interns amb electrons, i la presència dels mateixos estats d'oxidació va provocar l'associació de metalls de transició interns en grups comuns.. En ells, els elements químics tenen característiques i propietats equivalents al lantà o l'actini. És per això que els lantànids i els actínids s'eliminen de la taula d'elements químics.
Com afecta la configuració electrònica del subnivell f a les propietats dels metalls
Com hem dit abans, la posició dels lantànids i actínids en el periòdicsistema determina directament les seves característiques físiques i químiques. Així, els ions de ceri, gadolini i altres elements de la família dels lantànids tenen moments magnètics elevats, que s'associa amb característiques estructurals del subnivell f. Això va permetre utilitzar metalls com a dopants per obtenir semiconductors amb propietats magnètiques. Els sulfurs d'elements de la família de l'actini (per exemple, sulfur de protactini, tori) en la composició de les seves molècules tenen un tipus d'enllaç químic mixt: iònic-covalent o covalent-metall. Aquesta característica de l'estructura va provocar l'aparició d'una nova propietat fisicoquímica i va servir com a resposta a la pregunta de per què els lantànids i els actínids tenen propietats luminiscents. Per exemple, una mostra d'anemona que és platejada a la foscor brilla amb un resplendor blavós. Això s'explica per l'acció del corrent elèctric, els fotons de la llum sobre els ions metàl·lics, sota la influència dels quals els àtoms s'exciten, i els electrons en ells "s alten" a nivells d'energia més alts i després tornen a les seves òrbites estacionàries. És per aquest motiu que els lantànids i els actínids es classifiquen com a fòsfors.
Conseqüències de la disminució dels radis iònics dels àtoms
En el lantà i l'actini, així com en els elements de les seves famílies, hi ha una disminució monòtona del valor dels indicadors dels radis dels ions metàl·lics. En química, en aquests casos s'acostuma a parlar de compressió de lantànids i actínids. En química s'ha establert el següent patró: amb un augment de la càrrega del nucli dels àtoms, si els elements pertanyen al mateix període, els seus radis disminueixen. Això es pot explicar de la següent maneramanera: per a metalls com el ceri, el praseodimi, el neodimi, el nombre de nivells d'energia en els seus àtoms no canvia i és igual a sis. Tanmateix, les càrregues dels nuclis augmenten respectivament en un i són +58, +59, +60. Això vol dir que augmenta la força d'atracció dels electrons de les capes interiors cap al nucli carregat positivament. Com a resultat, els radis atòmics disminueixen. En els compostos iònics dels metalls, amb un augment del nombre atòmic, també disminueixen els radis iònics. S'observen canvis similars en els elements de la família de les anemones. És per això que els lantànids i actínids s'anomenen bessons. Una disminució dels radis d'ions condueix, en primer lloc, a un debilitament de les propietats bàsiques dels hidròxids Ce(OH)3, Pr(OH)3 propietats.
L'ompliment del subnivell 4f amb electrons no aparellats fins a la meitat dels orbitals de l'àtom d'europi condueix a resultats inesperats. El seu radi atòmic no disminueix, sinó que, al contrari, augmenta. El gadolini, que el segueix a la sèrie de lantànids, té un electró al subnivell 4f al subnivell 5d, de manera similar a Eu. Aquesta estructura provoca una disminució brusca del radi de l'àtom de gadolini. S'observa un fenomen similar en un parell d'iterbi - luteci. Per al primer element, el radi atòmic és gran a causa de l'ompliment complet del subnivell 4f, mentre que per al luteci disminueix bruscament, ja que s'observa l'aparició d'electrons al subnivell 5d. En l'actini i altres elements radioactius d'aquesta família, els radis dels seus àtoms i ions no canvien de manera monòtona, sinó que, com els lantànids, esdevenen gradualment. Així, els lantànids iEls actínids són elements les propietats dels seus compostos depenen correlativament del radi iònic i de l'estructura de les capes d'electrons dels àtoms.
Estats de València
Els lantànids i els actínids són elements les característiques dels quals són força semblants. En particular, es refereix als seus estats d'oxidació en ions i a la valència dels àtoms. Per exemple, el tori i el protactini, que presenten una valència de tres, en els compostos Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Totes aquestes substàncies són insolubles i tenen les mateixes propietats químiques que els metalls de la família dels lantàns: ceri, praseodimi, neodimi, etc. Els lantànids d'aquests compostos també seran trivalents. Aquests exemples ens demostren una vegada més la veracitat de l'afirmació que els lantànids i els actínids són bessons. Tenen propietats físiques i químiques semblants. Això es pot explicar principalment per l'estructura dels orbitals electrònics dels àtoms d'ambdues famílies d'elements de transició interna.
Propietats del metall
Tots els representants d'ambdós grups són metalls, en els quals es completen els subnivells 4f-, 5f- i també d. El lantà i els elements de la seva família s'anomenen terres rares. Les seves característiques físiques i químiques són tan properes que es separen per separat en condicions de laboratori amb molta dificultat. Amb la majoria de les vegades un estat d'oxidació de +3, els elements de la sèrie del lantà tenen moltes similituds amb els metalls alcalinotèrres (bari, calci, estronci). Els actínids també són metalls extremadament actius i també són radioactius.
Les característiques estructurals dels lantànids i actínids també es relacionen amb propietats com, per exemple, la piroforicitat en estat finament dispers. També s'observa una disminució de la mida de les xarxes cristal·lines de metalls centrades en la cara. Afegim que tots els elements químics d'ambdues famílies són metalls amb una brillantor platejada, per la seva alta reactivitat, s'enfosqueixen ràpidament a l'aire. Estan coberts amb una pel·lícula de l'òxid corresponent, que protegeix contra una oxidació posterior. Tots els elements són prou refractaris, a excepció del neptuni i el plutoni, el punt de fusió dels quals està molt per sota dels 1000 °C.
Reaccions químiques característiques
Com s'ha indicat anteriorment, els lantànids i els actínids són metalls reactius. Per tant, el lantà, el ceri i altres elements de la família es combinen fàcilment amb substàncies simples: halògens, així com amb fòsfor i carboni. Els lantànids també poden interactuar tant amb monòxid de carboni com amb diòxid de carboni. També són capaços de descompondre l'aigua. A més de sals simples, com ara SeCl3 o PrF3, per exemple, formen sals dobles. En química analítica, les reaccions dels metalls lantànids amb àcids aminoacètics i cítrics ocupen un lloc important. Els compostos complexos formats com a resultat d'aquests processos s'utilitzen per separar una barreja de lantànids, per exemple, en minerals.
Quan interacciona amb àcids de nitrat, clorur i sulfat, metallsformen les sals corresponents. Són altament solubles en aigua i fàcilment capaços de formar hidrats cristal·lins. Cal tenir en compte que les solucions aquoses de sals de lantànids estan acolorides, cosa que s'explica per la presència dels ions corresponents en elles. Les solucions de sals de samari o praseodimi són verdes, neodimi - vermell-violeta, prometi i europi - rosa. Com que els ions amb un estat d'oxidació de +3 tenen color, això s'utilitza en química analítica per reconèixer ions metàl·lics lantànids (les anomenades reaccions qualitatives). Amb el mateix propòsit, també s'utilitzen mètodes d'anàlisi química com la cristal·lització fraccionada i la cromatografia d'intercanvi iònic.
Els actínids es poden dividir en dos grups d'elements. Aquests són berkeli, fermi, mendelevi, nobeli, lawrenci i urani, neptuni, plutoni, omerci. Les propietats químiques del primer d'ells són similars al lantà i als metalls de la seva família. Els elements del segon grup tenen característiques químiques molt semblants (gairebé idèntiques entre si). Tots els actínids interactuen ràpidament amb els no metalls: sofre, nitrogen, carboni. Formen compostos complexos amb llegendes que contenen oxigen. Com podem veure, els metalls d'ambdues famílies estan a prop l'un de l' altre pel que fa al comportament químic. És per això que els lantànids i els actínids sovint s'anomenen metalls bessons.
Posició en el sistema periòdic d'hidrogen, lantànids, actínids
Cal tenir en compte el fet que l'hidrogen és una substància força reactiva. Es manifesta en funció de les condicions de la reacció química: tant com a agent reductor com com a agent oxidant. Per això en el sistema periòdicl'hidrogen es troba simultàniament als subgrups principals de dos grups alhora.
En el primer, l'hidrogen té el paper d'agent reductor, com els metalls alcalins que es troben aquí. El lloc de l'hidrogen en el 7è grup, juntament amb els elements halògens, indica la seva capacitat reductora. En el sisè període, com ja s'ha esmentat, es troba la família dels lantànids, col·locada en una fila separada per a la comoditat i la compacitat de la taula. El setè període conté un grup d'elements radioactius de característiques similars a l'actini. Els actínids es troben fora de la taula d'elements químics de D. I. Mendeleiev sota la fila de la família dels lantans. Aquests elements són els menys estudiats, ja que els nuclis dels seus àtoms són molt inestables a causa de la radioactivitat. Recordeu que els lantànids i els actínids són elements de transició interna i les seves característiques fisicoquímiques estan molt properes entre si.
Mètodes generals per a la producció de metalls a la indústria
Amb l'excepció del tori, el protactini i l'urani, que s'extreuen directament dels minerals, la resta dels actínids es poden obtenir irradiant mostres d'urani metàl·lic amb corrents de neutrons ràpids. A escala industrial, el neptuni i el plutoni s'extreuen del combustible gastat dels reactors nuclears. Tingueu en compte que la producció d'actínids és un procés força complicat i costós, els principals mètodes del qual són l'intercanvi iònic i l'extracció en diverses etapes. Els lantànids, que s'anomenen elements de terres rares, s'obtenen per electròlisi dels seus clorurs o fluorurs. El mètode metalotèrmic s'utilitza per extreure lantànids ultrapurs.
On s'utilitzen elements de transició interna
El ventall d'ús dels metalls que estudiem és força ampli. Per a la família de les anemones, això és, en primer lloc, les armes nuclears i l'energia. Els actínids també són importants en medicina, detecció de defectes i anàlisi d'activació. És impossible ignorar l'ús de lantànids i actínids com a fonts de captura de neutrons en reactors nuclears. Els lantànids també s'utilitzen com a addicions d'aliatge al ferro colat i l'acer, així com en la producció de fòsfors.
Estàs a la natura
Els òxids d'actínids i lantànids sovint s'anomenen terres de zirconi, tori i ittri. Són la font principal per a l'obtenció dels corresponents metalls. L'urani, com a principal representant dels actínids, es troba a la capa externa de la litosfera en forma de quatre tipus de minerals o minerals. En primer lloc, és la breu d'urani, que és diòxid d'urani. Té el contingut més alt de metall. Sovint el diòxid d'urani va acompanyat de dipòsits de radi (venes). Es troben al Canadà, França, Zaire. Els complexos de minerals de tori i urani sovint contenen minerals d' altres metalls valuosos, com ara or o plata.
Les reserves d'aquestes matèries primeres són riques a Rússia, Sud-àfrica, Canadà i Austràlia. Algunes roques sedimentàries contenen el mineral carnotita. A més de l'urani, també conté vanadi. Quartel tipus de matèries primeres d'urani són minerals de fosfat i esquists ferro-urani. Les seves reserves es troben al Marroc, Suècia i els EUA. Actualment, els dipòsits de lignit i carbó que contenen impureses d'urani també es consideren prometedors. S'extreuen a Espanya, la República Txeca i també a dos estats dels EUA: Dakota del Nord i Dakota del Sud.
