Secili nga elementët kimikë të paraqitur në guaskat e Tokës: atmosfera, litosfera dhe hidrosfera - mund të shërbejnë si një shembull i gjallë, duke konfirmuar rëndësinë themelore të teorisë atomike dhe molekulare dhe ligjit periodik. Ato u formuluan nga ndriçuesit e shkencës natyrore - shkencëtarët rusë M. V. Lomonosov dhe D. I. Mendeleev. Lantanidet dhe aktinidet janë dy familje që përmbajnë nga 14 elementë kimikë secila, si dhe vetë metalet - lantanin dhe aktiniumin. Vetitë e tyre - fizike dhe kimike - do të shqyrtohen nga ne në këtë punim. Përveç kësaj, ne do të përcaktojmë se si pozicioni në sistemin periodik të hidrogjenit, lantanideve, aktinideve varet nga struktura e orbitaleve elektronike të atomeve të tyre.
Historia e zbulimit
Në fund të shekullit të 18-të, Y. Gadolin mori përbërjen e parë nga grupi i metaleve të rralla të tokës - oksidi i itrit. Deri në fillim të shekullit të 20-të, falë kërkimeve të G. Moseley në kimi, u bë e ditur për ekzistencën e një grupi metalesh. Ato ishin të vendosura në sistemin periodik midis lantanit dhe hafniumit. Një tjetër element kimik - aktinium, si lantanumi, formon një familje prej 14 radioaktiveelementet kimike të quajtura aktinide. Zbulimi i tyre në shkencë ndodhi nga viti 1879 deri në mesin e shekullit të 20-të. Lantanidet dhe aktinidet kanë shumë ngjashmëri si në vetitë fizike ashtu edhe në ato kimike. Kjo mund të shpjegohet me vendosjen e elektroneve në atomet e këtyre metaleve, të cilat janë në nivele energjetike, domethënë, për lantanidet ky është niveli i katërt f-nënniveli, dhe për aktinidet - niveli i pestë f-nënniveli. Më tej, ne do të shqyrtojmë më në detaje shtresat elektronike të atomeve të metaleve të mësipërm.
Struktura e elementeve të brendshme kalimtare në dritën e mësimeve atomike dhe molekulare
Zbulimi gjenial i strukturës së kimikateve nga MV Lomonosov ishte baza për studimin e mëtejshëm të predhave elektronike të atomeve. Modeli Rutherford i strukturës së një grimce elementare të një elementi kimik, studimet e M. Planck, F. Gund lejuan kimistët të gjenin shpjegimin e saktë për modelet ekzistuese të ndryshimeve periodike në vetitë fizike dhe kimike që karakterizojnë lantanidet dhe aktinidet. Është e pamundur të injorohet roli më i rëndësishëm i ligjit periodik të D. I. Mendeleev në studimin e strukturës së atomeve të elementeve të tranzicionit. Le të ndalemi në këtë çështje më hollësisht.
Vendi i elementeve të tranzicionit të brendshëm në tabelën periodike të D. I. Mendeleev
Në grupin e tretë të periudhës së gjashtë - më e madhe - pas lantanit është një familje metalesh që variojnë nga cerium në lutetium përfshirëse. Nënniveli 4f i atomit të lantanumit është bosh, ndërsa atomi i lutetiumit është i mbushur plotësisht me të 14-tinelektronet. Elementet e vendosura midis tyre po mbushin gradualisht f-orbitalet. Në familjen e aktinideve - nga toriumi në lawrencium - i njëjti parim i akumulimit të grimcave të ngarkuara negativisht vërehet me ndryshimin e vetëm: mbushja me elektrone ndodh në nënnivelin 5f. Struktura e nivelit të jashtëm të energjisë dhe numri i grimcave negative në të (e barabartë me dy) janë të njëjta për të gjitha metalet e mësipërme. Ky fakt i përgjigjet pyetjes se përse lantanidet dhe aktinidet, të quajtur elementë të tranzicionit të brendshëm, kanë shumë ngjashmëri.
Në disa burime të literaturës kimike, përfaqësuesit e të dy familjeve kombinohen në nëngrupet e anës së dytë. Ato përmbajnë dy metale nga secila familje. Në formën e shkurtër të sistemit periodik të elementeve kimike të D. I. Mendeleev, përfaqësuesit e këtyre familjeve ndahen nga vetë tabela dhe renditen në rreshta të veçantë. Prandaj, pozicioni i lantanideve dhe aktinideve në sistemin periodik korrespondon me planin e përgjithshëm të strukturës së atomeve dhe periodicitetin e mbushjes së niveleve të brendshme me elektrone, dhe prania e të njëjtave gjendje oksidimi shkaktoi lidhjen e metaleve të tranzicionit të brendshëm në grupe të përbashkëta.. Në to, elementët kimikë kanë veçori dhe veti të barazvlefshme me lantanin ose aktiniumin. Kjo është arsyeja pse lantanidet dhe aktinidet hiqen nga tabela e elementeve kimike.
Si ndikon konfigurimi elektronik i nënnivelit f në vetitë e metaleve
Siç thamë më herët, pozicioni i lantanideve dhe aktinideve në periodiksistemi përcakton drejtpërdrejt karakteristikat e tyre fizike dhe kimike. Kështu, jonet e ceriumit, gadoliniumit dhe elementëve të tjerë të familjes së lantanideve kanë momente të larta magnetike, gjë që lidhet me veçoritë strukturore të nënnivelit f. Kjo bëri të mundur përdorimin e metaleve si drogë për të marrë gjysmëpërçues me veti magnetike. Sulfidet e elementeve të familjes aktinium (për shembull, sulfidi i protaktiniumit, toriumi) në përbërjen e molekulave të tyre kanë një lloj të përzier të lidhjes kimike: jonike-kovalente ose kovalente-metal. Kjo veçori e strukturës çoi në shfaqjen e një vetie të re fiziko-kimike dhe shërbeu si përgjigje për pyetjen pse lantanidet dhe aktinidet kanë veti ndriçuese. Për shembull, një mostër e anemonës që është e argjendtë në errësirë shkëlqen me një shkëlqim k altërosh. Kjo shpjegohet me veprimin e rrymës elektrike, fotoneve të dritës në jonet metalike, nën ndikimin e të cilave atomet ngacmohen, dhe elektronet në to "kërcejnë" në nivele më të larta të energjisë dhe më pas kthehen në orbitat e tyre të palëvizshme. Është për këtë arsye që lantanidet dhe aktinidet klasifikohen si fosfore.
Pasojat e zvogëlimit të rrezeve jonike të atomeve
Në lantanin dhe aktiniumin, si dhe në elementët nga familjet e tyre, vërehet një rënie monotone e vlerës së treguesve të rrezeve të joneve metalike. Në kimi, në raste të tilla është zakon të flitet për ngjeshjen e lantanidit dhe aktinidit. Në kimi, është krijuar modeli i mëposhtëm: me një rritje të ngarkesës së bërthamës së atomeve, nëse elementët i përkasin të njëjtës periudhë, rrezet e tyre zvogëlohen. Kjo mund të shpjegohet si më poshtëmënyra: për metale të tilla si cerium, praseodymium, neodymium, numri i niveleve të energjisë në atomet e tyre është i pandryshuar dhe i barabartë me gjashtë. Megjithatë, ngarkesat e bërthamave rriten përkatësisht me një dhe janë +58, +59, +60. Kjo do të thotë se forca e tërheqjes së elektroneve të predhave të brendshme në bërthamën e ngarkuar pozitivisht rritet. Si rezultat, rrezet atomike zvogëlohen. Në përbërjet jonike të metaleve, me rritjen e numrit atomik zvogëlohen edhe rrezet jonike. Ndryshime të ngjashme vërehen në elementet e familjes së anemonëve. Kjo është arsyeja pse lantanidet dhe aktinidet quhen binjakë. Një rënie në rrezet e joneve çon, para së gjithash, në një dobësim të vetive themelore të hidroksideve Ce(OH)3, Pr(OH)3 prona.
Mbushja e nënnivelit 4f me elektrone të paçiftëzuara deri në gjysmën e orbitaleve të atomit të europiumit çon në rezultate të papritura. Rrezja e tij atomike nuk zvogëlohet, por, përkundrazi, rritet. Gadolinium, i cili e ndjek atë në serinë e lantanideve, ka një elektron në nënnivelin 4f në nënnivelin 5d, ngjashëm me Eu. Kjo strukturë shkakton një ulje të menjëhershme të rrezes së atomit të gadoliniumit. Një fenomen i ngjashëm vërehet në një palë yterbium - lutetium. Për elementin e parë, rrezja atomike është e madhe për shkak të mbushjes së plotë të nënnivelit 4f, ndërsa për lutetiumin zvogëlohet në mënyrë të papritur, pasi shfaqja e elektroneve vërehet në nënnivelin 5d. Në aktinium dhe elementë të tjerë radioaktivë të kësaj familjeje, rrezet e atomeve dhe joneve të tyre nuk ndryshojnë në mënyrë monotone, por, si lantanidet, në mënyrë hap pas hapi. Kështu, lantanidet dheaktinidet janë elementë, vetitë e përbërjeve të të cilëve varen në mënyrë korrelative nga rrezja jonike dhe struktura e predhave elektronike të atomeve.
Gjendjet e valencës
Lantanidet dhe aktinidet janë elementë, karakteristikat e të cilëve janë mjaft të ngjashme. Në veçanti, kjo ka të bëjë me gjendjet e tyre të oksidimit në jone dhe valencën e atomeve. Për shembull, toriumi dhe protaktiniumi, të cilët shfaqin një valencë prej tre, në përbërjet Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Të gjitha këto substanca janë të patretshme dhe kanë të njëjtat veti kimike si metalet nga familja e lantanumit: cerium, praseodymium, neodymium, etj. Lantanidet në këto përbërje do të jenë gjithashtu trevalente. Këta shembuj na vërtetojnë edhe një herë korrektësinë e pohimit se lantanidet dhe aktinidet janë binjakë. Ata kanë veti të ngjashme fizike dhe kimike. Kjo mund të shpjegohet kryesisht nga struktura e orbitaleve elektronike të atomeve të të dy familjeve të elementeve të tranzicionit të brendshëm.
Vetitë metalike
Të gjithë përfaqësuesit e të dy grupeve janë metale, në të cilat plotësohen nënnivelet 4f-, 5f- dhe gjithashtu d. Lantani dhe elementet e familjes së tij quhen toka të rralla. Karakteristikat e tyre fizike dhe kimike janë aq të afërta, saqë ato ndahen veçmas në kushte laboratorike me shumë vështirësi. Më shpesh, duke shfaqur një gjendje oksidimi +3, elementët e serisë së lantanumit kanë shumë ngjashmëri me metalet alkaline të tokës (barium, kalcium, stroncium). Aktinidet janë gjithashtu metale jashtëzakonisht aktive dhe janë gjithashtu radioaktive.
Veçoritë strukturore të lantanideve dhe aktinideve lidhen gjithashtu me veti të tilla si, për shembull, piroforiciteti në një gjendje të shpërndarë imët. Vërehet gjithashtu një rënie në madhësinë e grilave kristalore të metaleve me qendër në fytyrë. Shtojmë se të gjithë elementët kimikë të të dy familjeve janë metale me shkëlqim argjendi, për shkak të reaktivitetit të lartë, errësohen shpejt në ajër. Ato janë të mbuluara me një film të oksidit përkatës, i cili mbron nga oksidimi i mëtejshëm. Të gjithë elementët janë mjaftueshëm zjarrdurues, me përjashtim të neptunit dhe plutoniumit, pika e shkrirjes së të cilëve është shumë nën 1000 °C.
Reaksionet kimike karakteristike
Siç u përmend më herët, lantanidet dhe aktinidet janë metale reaktive. Pra, lantanumi, ceriumi dhe elementët e tjerë të familjes kombinohen lehtësisht me substanca të thjeshta - halogjene, si dhe me fosfor, karbon. Lantanidet gjithashtu mund të ndërveprojnë si me monoksidin e karbonit ashtu edhe me dioksidin e karbonit. Ata janë gjithashtu në gjendje të dekompozojnë ujin. Përveç kripërave të thjeshta, të tilla si SeCl3 ose PrF3, për shembull, ato formojnë kripëra të dyfishta. Në kiminë analitike, reaksionet e metaleve lantanide me acidet aminoacetike dhe citrik zënë një vend të rëndësishëm. Komponimet komplekse të formuara si rezultat i proceseve të tilla përdoren për të ndarë një përzierje lantanidesh, për shembull, në xehe.
Kur bashkëveproni me acidet nitrat, klorur dhe sulfate, metaleformojnë kripërat përkatëse. Ato janë shumë të tretshme në ujë dhe lehtësisht të afta të formojnë hidrate kristalore. Duhet të theksohet se tretësirat ujore të kripërave të lantanidit janë të ngjyrosura, gjë që shpjegohet me praninë e joneve përkatëse në to. Zgjidhjet e kripërave të samariumit ose praseodymiumit janë jeshile, neodymium - kuqe-vjollcë, prometium dhe europium - rozë. Meqenëse jonet me gjendje oksidimi +3 janë të ngjyrosura, kjo përdoret në kiminë analitike për të njohur jonet metalike të lantanidit (të ashtuquajturat reaksione cilësore). Për të njëjtin qëllim, përdoren gjithashtu metoda të analizës kimike si kristalizimi i pjesshëm dhe kromatografia me shkëmbim jonesh.
Aktinidet mund të ndahen në dy grupe elementësh. Këto janë berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium dhe uranium, neptunium, plutonium, omercium. Vetitë kimike të të parit prej tyre janë të ngjashme me lantanin dhe metalet nga familja e tij. Elementet e grupit të dytë kanë karakteristika kimike shumë të ngjashme (pothuajse identike me njëri-tjetrin). Të gjitha aktinidet ndërveprojnë shpejt me jometalet: squfuri, azoti, karboni. Ata formojnë komponime komplekse me legjenda që përmbajnë oksigjen. Siç mund ta shohim, metalet e të dy familjeve janë afër njëri-tjetrit në sjelljen kimike. Kjo është arsyeja pse lantanidet dhe aktinidet shpesh referohen si metale binjake.
Pozicioni në sistemin periodik të hidrogjenit, lantanideve, aktinideve
Është e nevojshme të merret parasysh fakti që hidrogjeni është një substancë mjaft reaktive. Ai manifestohet në varësi të kushteve të reaksionit kimik: si agjent reduktues dhe si agjent oksidues. Kjo është arsyeja pse në sistemin periodikhidrogjeni ndodhet njëkohësisht në nëngrupet kryesore të dy grupeve njëherësh.
Në të parën, hidrogjeni luan rolin e një agjenti reduktues, si metalet alkali që ndodhen këtu. Vendi i hidrogjenit në grupin e 7-të, së bashku me elementët halogjenë, tregon aftësinë e tij reduktuese. Në periudhën e gjashtë, siç është përmendur tashmë, ndodhet familja e lantanideve, e vendosur në një rresht të veçantë për komoditetin dhe kompaktësinë e tryezës. Periudha e shtatë përmban një grup elementësh radioaktivë të ngjashëm në karakteristika me aktiniumin. Aktinidet ndodhen jashtë tabelës së elementeve kimike të D. I. Mendeleev nën rreshtin e familjes së lantanumit. Këta elementë janë më pak të studiuar, pasi bërthamat e atomeve të tyre janë shumë të paqëndrueshme për shkak të radioaktivitetit. Kujtojmë se lantanidet dhe aktinidet janë elementë të brendshëm të tranzicionit dhe karakteristikat e tyre fiziko-kimike janë shumë afër njëra-tjetrës.
Metodat e përgjithshme për prodhimin e metaleve në industri
Me përjashtim të toriumit, protaktiniumit dhe uraniumit, të cilat nxirren direkt nga xehet, pjesa tjetër e aktinideve mund të merret duke rrezatuar mostrat e uraniumit metalik me rryma neutronike që lëvizin shpejt. Në një shkallë industriale, neptuniumi dhe plutoniumi nxirren nga karburanti i shpenzuar nga reaktorët bërthamorë. Vini re se prodhimi i aktinideve është një proces mjaft i ndërlikuar dhe i shtrenjtë, metodat kryesore të të cilit janë shkëmbimi i joneve dhe nxjerrja shumëfazore. Lantanidet, të cilat quhen elementë të tokës së rrallë, përftohen nga elektroliza e klorureve ose fluorideve të tyre. Metoda metalotermike përdoret për nxjerrjen e lantanideve ultra të pastër.
Ku përdoren elementet e tranzicionit të brendshëm
Diapazoni i përdorimit të metaleve që studiojmë është mjaft i gjerë. Për familjen anemone, kjo është, para së gjithash, armë dhe energji bërthamore. Aktinidet janë gjithashtu të rëndësishme në mjekësi, zbulimin e të metave dhe analizën e aktivizimit. Është e pamundur të injorohet përdorimi i lantanideve dhe aktinideve si burime të kapjes së neutroneve në reaktorët bërthamorë. Lantanidet përdoren gjithashtu si shtesa aliazhe për gizën dhe çelikun, si dhe në prodhimin e fosforeve.
Përhapur në natyrë
Oksidet e aktinideve dhe lantanideve shpesh quhen toka zirkonium, torium, itrium. Ato janë burimi kryesor për marrjen e metaleve përkatëse. Uraniumi, si përfaqësuesi kryesor i aktinideve, gjendet në shtresën e jashtme të litosferës në formën e katër llojeve të xeheve ose mineraleve. Para së gjithash, është katran uraniumi, i cili është dioksidi i uraniumit. Ka përmbajtjen më të lartë të metaleve. Shpesh dioksidi i uraniumit shoqërohet me depozita (vena) të radiumit. Ato gjenden në Kanada, Francë, Zaire. Komplekset e xeheve të toriumit dhe uraniumit shpesh përmbajnë xehe të metaleve të tjera të vlefshme, si ari ose argjendi.
Rezervat e lëndëve të para të tilla janë të pasura në Rusi, Afrikën e Jugut, Kanada dhe Australi. Disa shkëmbinj sedimentarë përmbajnë mineralin karnotit. Përveç uraniumit, ai përmban edhe vanadium. Së katërtiLloji i lëndëve të para të uraniumit janë mineralet e fosfatit dhe argjilat hekur-uraniumi. Rezervat e tyre ndodhen në Marok, Suedi dhe SHBA. Aktualisht, depozitat e linjitit dhe qymyrit që përmbajnë papastërti të uraniumit konsiderohen gjithashtu premtuese. Ato janë minuar në Spanjë, Republikën Çeke, si dhe në dy shtete të SHBA - Dakotën Veriore dhe Jugore.
