Setiap unsur kimia yang dibentangkan dalam cangkerang Bumi: atmosfera, litosfera dan hidrosfera - boleh menjadi contoh yang jelas, mengesahkan kepentingan asas teori atom dan molekul serta undang-undang berkala. Mereka dirumuskan oleh tokoh sains semula jadi - saintis Rusia M. V. Lomonosov dan D. I. Mendeleev. Lantanida dan aktinida ialah dua keluarga yang mengandungi 14 unsur kimia setiap satu, serta logam itu sendiri - lanthanum dan aktinium. Sifat mereka - kedua-dua fizikal dan kimia - akan dipertimbangkan oleh kami dalam kertas ini. Di samping itu, kami akan menentukan bagaimana kedudukan dalam sistem berkala hidrogen, lantanida, aktinida bergantung pada struktur orbital elektronik atomnya.
Sejarah penemuan
Pada penghujung abad ke-18, Y. Gadolin memperoleh sebatian pertama daripada kumpulan logam nadir bumi - yttrium oksida. Sehingga awal abad ke-20, terima kasih kepada penyelidikan G. Moseley dalam kimia, ia menjadi diketahui tentang kewujudan sekumpulan logam. Mereka terletak dalam sistem berkala antara lanthanum dan hafnium. Satu lagi unsur kimia - actinium, seperti lanthanum, membentuk keluarga 14 radioaktifunsur kimia yang dipanggil aktinida. Penemuan mereka dalam sains berlaku dari tahun 1879 hingga pertengahan abad ke-20. Lantanida dan aktinida mempunyai banyak persamaan dalam kedua-dua sifat fizikal dan kimia. Ini boleh dijelaskan oleh susunan elektron dalam atom logam ini, yang berada pada tahap tenaga, iaitu, untuk lantanida ini adalah tahap keempat f-sublevel, dan untuk aktinida - tahap kelima f-sublevel. Seterusnya, kita akan mempertimbangkan kulit elektron bagi atom-atom logam di atas dengan lebih terperinci.
Struktur unsur peralihan dalaman berdasarkan ajaran atom dan molekul
Penemuan cerdik tentang struktur bahan kimia oleh MV Lomonosov adalah asas untuk kajian lanjut mengenai kulit elektron atom. Model Rutherford tentang struktur zarah asas unsur kimia, kajian M. Planck, F. Gund membenarkan ahli kimia mencari penjelasan yang betul untuk pola sedia ada perubahan berkala dalam sifat fizikal dan kimia yang mencirikan lantanida dan aktinida. Adalah mustahil untuk mengabaikan peranan terpenting undang-undang berkala D. I. Mendeleev dalam kajian struktur atom unsur peralihan. Mari kita membincangkan isu ini dengan lebih terperinci.
Tempat unsur peralihan dalaman dalam Jadual Berkala D. I. Mendeleev
Dalam kumpulan ketiga tempoh keenam - yang lebih besar - di belakang lanthanum adalah keluarga logam yang terdiri daripada serium hingga lutetium termasuk. Subaras 4f atom lanthanum kosong, manakala atom lutetium diisi sepenuhnya dengan ke-14elektron. Unsur-unsur yang terletak di antara mereka secara beransur-ansur mengisi orbital-f. Dalam keluarga aktinida - dari torium ke lawrencium - prinsip pengumpulan zarah bercas negatif yang sama diperhatikan dengan satu-satunya perbezaan: pengisian dengan elektron berlaku pada sublevel 5f. Struktur aras tenaga luaran dan bilangan zarah negatif di atasnya (sama dengan dua) adalah sama untuk semua logam di atas. Fakta ini menjawab persoalan mengapa lantanida dan aktinida, yang dipanggil unsur peralihan dalaman, mempunyai banyak persamaan.
Dalam beberapa sumber kesusasteraan kimia, wakil kedua-dua keluarga digabungkan menjadi subkumpulan kedua. Mereka mengandungi dua logam dari setiap keluarga. Dalam bentuk pendek sistem berkala unsur kimia D. I. Mendeleev, wakil keluarga ini dipisahkan dari jadual itu sendiri dan disusun dalam baris yang berasingan. Oleh itu, kedudukan lantanida dan aktinida dalam sistem berkala sepadan dengan pelan umum struktur atom dan periodicity pengisian tahap dalaman dengan elektron, dan kehadiran keadaan pengoksidaan yang sama menyebabkan persatuan logam peralihan dalaman ke dalam kumpulan biasa.. Di dalamnya, unsur kimia mempunyai ciri dan sifat yang setara dengan lanthanum atau aktinium. Itulah sebabnya lantanida dan aktinida dikeluarkan daripada jadual unsur kimia.
Bagaimana konfigurasi elektronik subperingkat f mempengaruhi sifat logam
Seperti yang kami katakan sebelum ini, kedudukan lantanida dan aktinida dalam periodiksistem secara langsung menentukan ciri fizikal dan kimia mereka. Oleh itu, ion serium, gadolinium, dan unsur-unsur lain dari keluarga lantanida mempunyai momen magnet yang tinggi, yang dikaitkan dengan ciri-ciri struktur f-sublevel. Ini memungkinkan untuk menggunakan logam sebagai dopan untuk mendapatkan semikonduktor dengan sifat magnetik. Sulfida unsur-unsur keluarga aktinium (contohnya, sulfida protaktinium, torium) dalam komposisi molekulnya mempunyai jenis ikatan kimia bercampur: ionik-kovalen atau logam-kovalen. Ciri struktur ini membawa kepada kemunculan sifat fizikokimia baru dan berfungsi sebagai jawapan kepada persoalan mengapa lantanida dan aktinida mempunyai sifat bercahaya. Contohnya, sampel anemone yang berwarna perak dalam gelap bersinar dengan cahaya kebiruan. Ini dijelaskan oleh tindakan arus elektrik, foton cahaya pada ion logam, di bawah pengaruh atom yang teruja, dan elektron di dalamnya "melompat" ke tahap tenaga yang lebih tinggi dan kemudian kembali ke orbit pegun mereka. Atas sebab inilah lantanida dan aktinida dikelaskan sebagai fosforus.
Akibat pengurangan jejari ionik atom
Dalam lanthanum dan aktinium, serta unsur-unsur daripada keluarga mereka, terdapat penurunan membosankan dalam nilai penunjuk jejari ion logam. Dalam kimia, dalam kes sedemikian adalah kebiasaan untuk bercakap tentang pemampatan lantanida dan aktinida. Dalam kimia, corak berikut telah ditubuhkan: dengan peningkatan cas nukleus atom, jika unsur-unsur tergolong dalam tempoh yang sama, jejarinya berkurangan. Ini boleh dijelaskan seperti berikutcara: untuk logam seperti serium, praseodymium, neodymium, bilangan tahap tenaga dalam atomnya tidak berubah dan sama dengan enam. Walau bagaimanapun, caj nukleus masing-masing meningkat sebanyak satu dan ialah +58, +59, +60. Ini bermakna daya tarikan elektron petala dalam kepada nukleus bercas positif meningkat. Akibatnya, jejari atom berkurangan. Dalam sebatian ionik logam, dengan peningkatan nombor atom, jejari ionik juga berkurangan. Perubahan yang sama diperhatikan dalam unsur-unsur keluarga anemone. Itulah sebabnya lantanida dan aktinida dipanggil kembar. Pengurangan dalam jejari ion membawa, pertama sekali, kepada kelemahan sifat asas hidroksida Ce(OH)3, Pr(OH)3 hartanah.
Pengisian subperingkat 4f dengan elektron tidak berpasangan sehingga separuh daripada orbital atom europium membawa kepada keputusan yang tidak dijangka. Jejari atomnya tidak berkurang, tetapi, sebaliknya, meningkat. Gadolinium, yang mengikutinya dalam siri lantanida, mempunyai satu elektron dalam sublevel 4f pada sublevel 5d, sama seperti Eu. Struktur ini menyebabkan penurunan mendadak dalam jejari atom gadolinium. Fenomena yang sama diperhatikan dalam sepasang ytterbium - lutetium. Untuk unsur pertama, jejari atom adalah besar kerana pengisian lengkap subperingkat 4f, manakala untuk lutetium ia berkurangan secara mendadak, kerana penampilan elektron diperhatikan pada subperingkat 5d. Dalam aktinium dan unsur radioaktif lain dalam keluarga ini, jejari atom dan ionnya tidak berubah secara monoton, tetapi, seperti lantanida, secara berperingkat. Oleh itu, lantanida danaktinida ialah unsur yang sifat sebatiannya secara korelatif bergantung pada jejari ionik dan struktur kulit elektron atom.
Negeri Valence
Lantanida dan aktinida ialah unsur yang ciri-cirinya agak serupa. Khususnya, ini melibatkan keadaan pengoksidaan mereka dalam ion dan valensi atom. Contohnya, torium dan protaktinium, yang mempamerkan valens tiga, dalam sebatian Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Semua bahan ini tidak larut dan mempunyai sifat kimia yang sama seperti logam daripada keluarga lanthanum: cerium, praseodymium, neodymium, dll. Lantanida dalam sebatian ini juga akan menjadi trivalen. Contoh-contoh ini sekali lagi membuktikan kepada kita ketepatan pernyataan bahawa lantanida dan aktinida adalah kembar. Mereka mempunyai sifat fizikal dan kimia yang serupa. Ini boleh dijelaskan terutamanya oleh struktur orbital elektron atom kedua-dua keluarga unsur peralihan dalaman.
Sifat logam
Semua wakil kedua-dua kumpulan adalah logam, di mana 4f-, 5f-, dan juga d-subperingkat diselesaikan. Lanthanum dan unsur-unsur keluarganya dipanggil nadir bumi. Ciri-ciri fizikal dan kimia mereka sangat rapat sehingga mereka dipisahkan secara berasingan di bawah keadaan makmal dengan kesukaran yang besar. Selalunya menunjukkan keadaan pengoksidaan +3, unsur-unsur siri lanthanum mempunyai banyak persamaan dengan logam alkali tanah (barium, kalsium, strontium). Aktinida juga merupakan logam yang sangat aktif, dan juga radioaktif.
Ciri-ciri struktur lantanida dan aktinida juga berkaitan dengan sifat-sifat seperti, contohnya, piroforisitas dalam keadaan tersebar halus. Pengurangan dalam saiz kekisi kristal berpusat muka bagi logam juga diperhatikan. Kami menambah bahawa semua unsur kimia kedua-dua keluarga adalah logam dengan kilauan keperakan, kerana kereaktifan tinggi mereka, mereka cepat gelap di udara. Mereka ditutup dengan filem oksida yang sepadan, yang melindungi daripada pengoksidaan selanjutnya. Semua unsur cukup tahan api, kecuali neptunium dan plutonium, yang takat leburnya jauh di bawah 1000 °C.
Tindak balas kimia berciri
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, lantanida dan aktinida ialah logam reaktif. Oleh itu, lanthanum, serium dan unsur-unsur lain dalam keluarga dengan mudah digabungkan dengan bahan mudah - halogen, serta dengan fosforus, karbon. Lantanida juga boleh berinteraksi dengan karbon monoksida dan karbon dioksida. Mereka juga mampu mengurai air. Selain garam ringkas, seperti SeCl3 atau PrF3, contohnya, ia membentuk garam berganda. Dalam kimia analitik, tindak balas logam lantanida dengan asid aminoasettik dan sitrik menduduki tempat yang penting. Sebatian kompleks yang terbentuk hasil daripada proses tersebut digunakan untuk memisahkan campuran lantanida, contohnya, dalam bijih.
Apabila berinteraksi dengan asid nitrat, klorida dan sulfat, logammembentuk garam yang sepadan. Ia sangat larut dalam air dan mudah membentuk hidrat kristal. Perlu diingatkan bahawa larutan akueus garam lantanida berwarna, yang dijelaskan oleh kehadiran ion yang sepadan di dalamnya. Penyelesaian garam samarium atau praseodymium adalah hijau, neodymium - merah-ungu, promethium dan europium - merah jambu. Oleh kerana ion dengan keadaan pengoksidaan +3 diwarnakan, ini digunakan dalam kimia analitik untuk mengenali ion logam lantanida (yang dipanggil tindak balas kualitatif). Untuk tujuan yang sama, kaedah analisis kimia seperti penghabluran pecahan dan kromatografi pertukaran ion juga digunakan.
Actinides boleh dibahagikan kepada dua kumpulan unsur. Ini adalah berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium dan uranium, neptunium, plutonium, omercium. Sifat kimia yang pertama ini adalah serupa dengan lanthanum dan logam daripada keluarganya. Unsur-unsur kumpulan kedua mempunyai ciri-ciri kimia yang hampir sama (hampir sama antara satu sama lain). Semua aktinida cepat berinteraksi dengan bukan logam: sulfur, nitrogen, karbon. Mereka membentuk sebatian kompleks dengan legenda yang mengandungi oksigen. Seperti yang dapat kita lihat, logam kedua-dua keluarga adalah rapat antara satu sama lain dalam tingkah laku kimia. Itulah sebabnya lantanida dan aktinida sering dirujuk sebagai logam berkembar.
Kedudukan dalam sistem berkala hidrogen, lantanida, aktinida
Perlu mengambil kira hakikat bahawa hidrogen adalah bahan yang agak reaktif. Ia menunjukkan dirinya bergantung kepada keadaan tindak balas kimia: kedua-duanya sebagai agen pengurangan dan sebagai agen pengoksidaan. Itulah sebabnya dalam sistem berkalahidrogen terletak serentak dalam subkumpulan utama dua kumpulan sekaligus.
Pada yang pertama, hidrogen memainkan peranan sebagai agen penurunan, seperti logam alkali yang terdapat di sini. Tempat hidrogen dalam kumpulan ke-7, bersama-sama dengan unsur-unsur halogen, menunjukkan keupayaan mengurangkannya. Dalam tempoh keenam, seperti yang telah disebutkan, keluarga lantanida terletak, diletakkan dalam baris yang berasingan untuk kemudahan dan kekompakan meja. Tempoh ketujuh mengandungi sekumpulan unsur radioaktif yang serupa dengan ciri aktinium. Actinides terletak di luar jadual unsur kimia D. I. Mendeleev di bawah barisan keluarga lanthanum. Unsur-unsur ini adalah yang paling kurang dikaji, kerana nukleus atomnya sangat tidak stabil kerana radioaktiviti. Ingat bahawa lantanida dan aktinida ialah unsur peralihan dalaman, dan ciri fizikokimianya sangat rapat antara satu sama lain.
Kaedah am untuk menghasilkan logam dalam industri
Kecuali torium, protaktinium dan uranium, yang dilombong terus daripada bijih, aktinida selebihnya boleh diperolehi dengan menyinari sampel uranium logam dengan aliran neutron yang bergerak pantas. Pada skala perindustrian, neptunium dan plutonium dilombong daripada bahan api terpakai daripada reaktor nuklear. Ambil perhatian bahawa pengeluaran aktinida adalah proses yang agak rumit dan mahal, kaedah utamanya ialah pertukaran ion dan pengekstrakan berbilang peringkat. Lantanida, yang dipanggil unsur nadir bumi, diperoleh melalui elektrolisis klorida atau fluoridanya. Kaedah metalotermik digunakan untuk mengekstrak lantanida ultratulen.
Tempat unsur peralihan dalaman digunakan
Julat penggunaan logam yang kami kaji agak luas. Bagi keluarga anemone, ini, pertama sekali, senjata dan tenaga nuklear. Aktinida juga penting dalam perubatan, pengesanan kecacatan, dan analisis pengaktifan. Adalah mustahil untuk mengabaikan penggunaan lantanida dan aktinida sebagai sumber penangkapan neutron dalam reaktor nuklear. Lantanida juga digunakan sebagai tambahan mengaloi kepada besi tuang dan keluli, serta dalam penghasilan fosfor.
Tersebar di alam semula jadi
Oksida aktinida dan lantanida selalunya dipanggil zirkonium, torium, yttrium bumi. Mereka adalah sumber utama untuk mendapatkan logam yang sepadan. Uranium, sebagai wakil utama aktinida, terdapat di lapisan luar litosfera dalam bentuk empat jenis bijih atau mineral. Pertama sekali, ia adalah uranium pitch, iaitu uranium dioksida. Ia mempunyai kandungan logam tertinggi. Selalunya uranium dioksida disertai dengan deposit radium (urat). Mereka ditemui di Kanada, Perancis, Zaire. Kompleks bijih torium dan uranium selalunya mengandungi bijih logam berharga lain, seperti emas atau perak.
Rizab bahan mentah tersebut kaya di Rusia, Afrika Selatan, Kanada dan Australia. Sesetengah batuan enapan mengandungi kanotit mineral. Selain uranium, ia juga mengandungi vanadium. Keempatjenis bahan mentah uranium ialah bijih fosfat dan syal besi-uranium. Rizab mereka terletak di Maghribi, Sweden dan Amerika Syarikat. Pada masa ini, deposit lignit dan arang batu yang mengandungi kekotoran uranium juga dianggap menjanjikan. Ia dilombong di Sepanyol, Republik Czech dan juga di dua negeri AS - Dakota Utara dan Selatan.
