Jedes der chemischen Elemente, die in den Schalen der Erde vorkommen: Atmosphäre, Lithosphäre und Hydrosphäre - kann als anschauliches Beispiel dienen, das die grundlegende Bedeutung der Atom- und Molekültheorie und des Periodengesetzes bestätigt. Sie wurden von den Koryphäen der Naturwissenschaften formuliert - den russischen Wissenschaftlern M. V. Lomonosov und D. I. Mendeleev. Lanthanide und Actinide sind zwei Familien, die jeweils 14 chemische Elemente enth alten, sowie die Metalle selbst - Lanthan und Actinium. Ihre Eigenschaften - sowohl physikalische als auch chemische - werden von uns in dieser Arbeit betrachtet. Außerdem werden wir feststellen, wie die Position im Periodensystem von Wasserstoff, Lanthaniden, Aktiniden von der Struktur der elektronischen Orbitale ihrer Atome abhängt.
Discovery-Verlauf
Ende des 18. Jahrhunderts erhielt Y. Gadolin die erste Verbindung aus der Gruppe der Seltenen Erdmetalle - Yttriumoxid. Bis Anfang des 20. Jahrhunderts wurde dank der Forschungen von G. Moseley in der Chemie über die Existenz einer Gruppe von Metallen bekannt. Sie befanden sich im Periodensystem zwischen Lanthan und Hafnium. Ein weiteres chemisches Element - Actinium, bildet wie Lanthan eine Familie von 14 radioaktivenchemische Elemente, die Aktiniden genannt werden. Ihre Entdeckung in der Wissenschaft erfolgte von 1879 bis Mitte des 20. Jahrhunderts. Lanthanide und Actinide haben viele Ähnlichkeiten sowohl in physikalischen als auch in chemischen Eigenschaften. Dies kann durch die Anordnung von Elektronen in den Atomen dieser Metalle erklärt werden, die sich auf Energieniveaus befinden, nämlich für Lanthanoide ist dies die vierte Ebene der f-Unterebene und für Aktinide die fünfte Ebene der f-Unterebene. Als nächstes betrachten wir die Elektronenhüllen der Atome der obigen Metalle genauer.
Die Struktur innerer Übergangselemente im Lichte der Atom- und Molekularlehre
Die geniale Entdeckung der Struktur von Chemikalien durch MV Lomonosov war die Grundlage für weitere Untersuchungen der Elektronenhüllen von Atomen. Das Rutherford-Modell der Struktur eines Elementarteilchens eines chemischen Elements, die Studien von M. Planck, F. Gund ermöglichten es Chemikern, die richtige Erklärung für die bestehenden Muster periodischer Änderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften zu finden, die Lanthanide und Actinide charakterisieren. Es ist unmöglich, die wichtigste Rolle des Periodengesetzes von D. I. Mendeleev bei der Untersuchung der Atomstruktur von Übergangselementen zu ignorieren. Lassen Sie uns näher auf dieses Problem eingehen.
Platzierung der inneren Übergangselemente im Periodensystem von D. I. Mendeleev
In der dritten Gruppe der sechsten - größeren Periode - hinter Lanthan befindet sich eine Familie von Metallen, die von Cer bis einschließlich Lutetium reicht. Die 4f-Unterebene des Lanthanatoms ist leer, während das Lutetiumatom vollständig mit der 14. gefüllt istElektronen. Die dazwischen liegenden Elemente füllen nach und nach f-Orbitale. In der Familie der Aktiniden - von Thorium bis Lawrencium - wird das gleiche Prinzip der Akkumulation negativ geladener Teilchen beobachtet, mit dem einzigen Unterschied: Die Füllung mit Elektronen erfolgt auf der 5f-Unterebene. Die Struktur des externen Energieniveaus und die Anzahl der darauf befindlichen negativen Teilchen (gleich zwei) sind für alle oben genannten Metalle gleich. Diese Tatsache beantwortet die Frage, warum die Lanthaniden und Aktiniden, die sogenannten internen Übergangselemente, viele Ähnlichkeiten aufweisen.
In manchen Quellen chemischer Literatur werden Vertreter beider Familien zu Untergruppen der zweiten Seite zusammengefasst. Sie enth alten zwei Metalle aus jeder Familie. In der Kurzform des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendeleev werden Vertreter dieser Familien von der Tabelle selbst getrennt und in separaten Reihen angeordnet. Daher entspricht die Position von Lanthanoiden und Actiniden im Periodensystem dem allgemeinen Plan der Atomstruktur und der Periodizität des Füllens interner Ebenen mit Elektronen, und das Vorhandensein derselben Oxidationsstufen verursachte die Assoziation interner Übergangsmetalle zu gemeinsamen Gruppen. In ihnen haben chemische Elemente Merkmale und Eigenschaften, die denen von Lanthan oder Actinium entsprechen. Deshalb werden die Lanthaniden und Actiniden aus der Tabelle der chemischen Elemente gestrichen.
Wie die elektronische Konfiguration der f-Subebene die Eigenschaften von Metallen beeinflusst
Wie wir bereits gesagt haben, die Position von Lanthanoiden und Actiniden in der PeriodeSystem bestimmt direkt ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften. Daher haben Ionen von Cer, Gadolinium und anderen Elementen der Familie der Lanthanoide hohe magnetische Momente, was mit strukturellen Merkmalen der f-Unterebene verbunden ist. Dadurch wurde es möglich, Metalle als Dotierstoffe zu verwenden, um Halbleiter mit magnetischen Eigenschaften zu erh alten. Sulfide von Elementen der Actinium-Familie (z. B. Sulfid von Protactinium, Thorium) in der Zusammensetzung ihrer Moleküle haben eine gemischte Art von chemischer Bindung: ionisch-kovalent oder kovalent-metallisch. Dieses Merkmal der Struktur führte zur Entstehung einer neuen physikalisch-chemischen Eigenschaft und diente als Antwort auf die Frage, warum Lanthanide und Actinide lumineszierende Eigenschaften haben. Beispielsweise leuchtet eine im Dunkeln silbrige Probe einer Anemone bläulich. Dies erklärt sich durch die Einwirkung von elektrischem Strom, Lichtphotonen auf Metallionen, unter deren Einfluss Atome angeregt werden und die Elektronen in ihnen auf höhere Energieniveaus „springen“und dann in ihre stationären Umlaufbahnen zurückkehren. Aus diesem Grund werden Lanthanide und Actinide als Leuchtstoffe klassifiziert.
Folgen der Verkleinerung der Ionenradien von Atomen
In Lanthan und Actinium sowie in den Elementen ihrer Familien nimmt der Wert der Indikatoren für die Radien von Metallionen monoton ab. In der Chemie ist es in solchen Fällen üblich, von Lanthanoid- und Actinid-Kompression zu sprechen. In der Chemie wurde folgendes Muster festgestellt: Mit zunehmender Ladung des Atomkerns nehmen die Radien der Elemente ab, wenn sie zur gleichen Periode gehören. Dies kann wie folgt erklärt werdenWeise: Bei Metallen wie Cer, Praseodym, Neodym ist die Anzahl der Energieniveaus in ihren Atomen unverändert und gleich sechs. Die Ladungen der Kerne erhöhen sich jedoch jeweils um eins und betragen +58, +59, +60. Dadurch erhöht sich die Anziehungskraft der Elektronen der inneren Schalen zum positiv geladenen Kern. Dadurch verkleinern sich die Atomradien. Bei ionischen Verbindungen von Metallen nehmen mit zunehmender Ordnungszahl auch die Ionenradien ab. Ähnliche Veränderungen werden in den Elementen der Anemonenfamilie beobachtet. Deshalb werden die Lanthaniden und Aktiniden Zwillinge genannt. Eine Verkleinerung der Ionenradien führt zunächst zu einer Abschwächung der basischen Eigenschaften der Hydroxide Ce(OH)3, Pr(OH)3 Eigenschaften.
Die Auffüllung der 4f-Unterebene mit ungepaarten Elektronen bis zur Hälfte der Orbitale des Europiumatoms führt zu unerwarteten Ergebnissen. Sein Atomradius nimmt nicht ab, sondern nimmt im Gegenteil zu. Gadolinium, das ihm in der Reihe der Lanthaniden folgt, hat ein Elektron in der 4f-Unterebene auf der 5d-Unterebene, ähnlich wie Eu. Diese Struktur bewirkt eine abrupte Abnahme des Radius des Gadoliniumatoms. Ein ähnliches Phänomen wird bei einem Ytterbium-Lutetium-Paar beobachtet. Für das erste Element ist der Atomradius aufgrund der vollständigen Füllung der 4f-Unterebene groß, während er für Lutetium abrupt abnimmt, da das Auftreten von Elektronen auf der 5d-Unterebene beobachtet wird. Bei Actinium und anderen radioaktiven Elementen dieser Familie ändern sich die Radien ihrer Atome und Ionen nicht monoton, sondern wie bei den Lanthanoiden schrittweise. So werden die Lanthaniden uAktinide sind Elemente, deren Eigenschaften ihrer Verbindungen korrelativ vom Ionenradius und der Struktur der Elektronenhüllen von Atomen abhängen.
Valenzzustände
Lanthanide und Actinide sind Elemente, deren Eigenschaften ziemlich ähnlich sind. Dies betrifft insbesondere ihre Oxidationsstufen in Ionen und die Wertigkeit von Atomen. Zum Beispiel Thorium und Protactinium, die eine Wertigkeit von drei aufweisen, in den Verbindungen Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Alle diese Substanzen sind unlöslich und haben die gleichen chemischen Eigenschaften wie die Metalle aus der Familie der Lanthane: Cer, Praseodym, Neodym usw. Die Lanthanide in diesen Verbindungen sind ebenfalls dreiwertig. Diese Beispiele beweisen uns einmal mehr die Richtigkeit der Aussage, dass Lanthaniden und Aktiniden Zwillinge sind. Sie haben ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften. Dies lässt sich in erster Linie durch die Struktur der Elektronenorbitale der Atome beider Familien interner Übergangselemente erklären.
Metalleigenschaften
Alle Vertreter beider Gruppen sind Metalle, bei denen 4f-, 5f- und auch d-Unterebenen abgeschlossen sind. Lanthan und die Elemente seiner Familie werden seltene Erden genannt. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften liegen so nahe beieinander, dass sie unter Laborbedingungen nur sehr schwer voneinander getrennt werden können. Die Elemente der Lanthanreihe weisen meistens eine Oxidationsstufe von +3 auf und haben viele Ähnlichkeiten mit Erdalkalimetallen (Barium, Calcium, Strontium). Aktinide sind auch extrem aktive Metalle und außerdem radioaktiv.
Die Strukturmerkmale von Lanthanoiden und Actiniden beziehen sich auch auf solche Eigenschaften wie zB Pyrophorizität in feindispersem Zustand. Eine Abnahme der Größe der flächenzentrierten Kristallgitter von Metallen wird ebenfalls beobachtet. Wir fügen hinzu, dass alle chemischen Elemente beider Familien Metalle mit silbrigem Glanz sind, die sich aufgrund ihrer hohen Reaktivität an der Luft schnell verdunkeln. Sie sind mit einem Film aus dem entsprechenden Oxid überzogen, der vor weiterer Oxidation schützt. Alle Elemente sind ausreichend feuerfest, mit Ausnahme von Neptunium und Plutonium, deren Schmelzpunkt weit unter 1000 °C liegt.
Charakteristische chemische Reaktionen
Wie bereits erwähnt, sind Lanthanide und Actinide reaktive Metalle. So lassen sich Lanthan, Cer und andere Elemente der Familie leicht mit einfachen Substanzen kombinieren - Halogenen sowie mit Phosphor, Kohlenstoff. Die Lanthanide können auch mit Kohlenmonoxid und Kohlendioxid interagieren. Sie sind auch in der Lage, Wasser zu zersetzen. Neben einfachen Salzen wie beispielsweise SeCl3 oder PrF3 bilden sie Doppelsalze. In der analytischen Chemie nehmen Reaktionen von Lanthanidmetallen mit Aminoessig- und Zitronensäure einen wichtigen Platz ein. Die bei solchen Prozessen entstehenden Komplexverbindungen werden genutzt, um beispielsweise in Erzen ein Gemisch aus Lanthanoiden zu trennen.
Bei Wechselwirkung mit Nitrat-, Chlorid- und Sulfatsäuren, Metallenbilden die entsprechenden Salze. Sie sind gut wasserlöslich und können leicht kristalline Hydrate bilden. Es sollte beachtet werden, dass wässrige Lösungen von Lanthanidensalzen gefärbt sind, was durch das Vorhandensein der entsprechenden Ionen in ihnen erklärt wird. Lösungen von Samarium- oder Praseodymsalzen sind grün, Neodym - rotviolett, Promethium und Europium - rosa. Da Ionen mit einer Oxidationsstufe von +3 gefärbt sind, wird dies in der analytischen Chemie zur Erkennung von Lanthanoid-Metallionen verwendet (sog. qualitative Reaktionen). Zum gleichen Zweck werden auch chemische Analysemethoden wie fraktionierte Kristallisation und Ionenaustauschchromatographie eingesetzt.
Actinide können in zwei Gruppen von Elementen unterteilt werden. Dies sind Berkelium, Fermium, Mendelevium, Nobelium, Lawrencium und Uran, Neptunium, Plutonium, Omercium. Die chemischen Eigenschaften des ersten davon ähneln denen von Lanthan und Metallen aus seiner Familie. Die Elemente der zweiten Gruppe haben sehr ähnliche chemische Eigenschaften (fast identisch). Alle Aktinide interagieren schnell mit Nichtmetallen: Schwefel, Stickstoff, Kohlenstoff. Sie bilden komplexe Verbindungen mit sauerstoffh altigen Legenden. Wie wir sehen können, liegen die Metalle beider Familien im chemischen Verh alten nahe beieinander. Aus diesem Grund werden die Lanthaniden und Aktiniden oft als Zwillingsmetalle bezeichnet.
Position im Periodensystem von Wasserstoff, Lanthaniden, Aktiniden
Es muss berücksichtigt werden, dass Wasserstoff eine ziemlich reaktive Substanz ist. Es manifestiert sich je nach den Bedingungen der chemischen Reaktion: sowohl als Reduktionsmittel als auch als Oxidationsmittel. Deshalb im PeriodensystemWasserstoff befindet sich gleichzeitig in den Hauptuntergruppen von zwei Gruppen gleichzeitig.
Im ersten spielt Wasserstoff, wie die hier befindlichen Alkalimetalle, die Rolle eines Reduktionsmittels. Der Platz von Wasserstoff in der 7. Gruppe zeigt zusammen mit den Elementen Halogene seine Reduktionsfähigkeit an. In der sechsten Periode befindet sich, wie bereits erwähnt, die Familie der Lanthaniden, die zur Bequemlichkeit und Kompaktheit des Tisches in einer separaten Reihe platziert sind. Die siebte Periode enthält eine Gruppe radioaktiver Elemente mit ähnlichen Eigenschaften wie Actinium. Actinide befinden sich außerhalb der Tabelle der chemischen Elemente von D. I. Mendeleev unter der Reihe der Lanthanfamilie. Diese Elemente sind am wenigsten untersucht, da die Kerne ihrer Atome aufgrund von Radioaktivität sehr instabil sind. Denken Sie daran, dass Lanthanide und Actinide interne Übergangselemente sind und ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften sehr nahe beieinander liegen.
Allgemeine Verfahren zur Herstellung von Metallen in der Industrie
Mit Ausnahme von Thorium, Protactinium und Uran, die direkt aus Erzen abgebaut werden, können die restlichen Actiniden durch Bestrahlung von Proben aus metallischem Uran mit schnell bewegten Neutronenströmen gewonnen werden. Im industriellen Maßstab werden Neptunium und Plutonium aus abgebrannten Brennelementen von Kernreaktoren abgebaut. Beachten Sie, dass die Produktion von Aktiniden ein ziemlich komplizierter und teurer Prozess ist, dessen Hauptmethoden Ionenaustausch und mehrstufige Extraktion sind. Lanthanide, die Seltenerdelemente genannt werden, werden durch Elektrolyse ihrer Chloride oder Fluoride gewonnen. Zur Gewinnung hochreiner Lanthanide wird das metallothermische Verfahren eingesetzt.
Bei Verwendung interner Übergangselemente
Das Anwendungsspektrum der von uns untersuchten Metalle ist ziemlich breit. Für die Familie der Anemonen sind dies in erster Linie Atomwaffen und Energie. Actinide sind auch wichtig in der Medizin, Fehlererkennung und Aktivierungsanalyse. Es ist unmöglich, die Verwendung von Lanthanoiden und Aktiniden als Quellen für den Neutroneneinfang in Kernreaktoren zu ignorieren. Lanthanide werden auch als Legierungszusätze für Gusseisen und Stahl sowie bei der Herstellung von Leuchtstoffen verwendet.
Ausbreitung in der Natur
Oxide von Aktiniden und Lanthaniden werden oft Zirkonium-, Thorium-, Yttrium-Erden genannt. Sie sind die Hauptquelle für die Gewinnung der entsprechenden Metalle. Uran, als Hauptvertreter der Aktiniden, kommt in der äußeren Schicht der Lithosphäre in Form von vier Arten von Erzen oder Mineralien vor. Zunächst einmal ist es Uranpech, also Urandioxid. Es hat den höchsten Metallgeh alt. Oft wird Urandioxid von Radiumvorkommen (Adern) begleitet. Sie sind in Kanada, Frankreich, Zaire zu finden. Komplexe aus Thorium- und Uranerzen enth alten oft Erze anderer wertvoller Metalle wie Gold oder Silber.
Die Reserven solcher Rohstoffe sind reich in Russland, Südafrika, Kanada und Australien. Einige Sedimentgesteine enth alten das Mineral Carnotit. Es enthält neben Uran auch Vanadium. VierteDie Art der Uranrohstoffe sind Phosphaterze und Eisen-Uran-Schiefer. Ihre Reserven befinden sich in Marokko, Schweden und den USA. Als aussichtsreich gelten derzeit auch Braunkohle- und Kohlevorkommen mit Uranverunreinigungen. Sie werden in Spanien, der Tschechischen Republik und auch in zwei US-Bundesstaaten – North und South Dakota – abgebaut.
