Жер қабықтарында берілген химиялық элементтердің әрқайсысы: атмосфера, литосфера және гидросфера - атомдық және молекулалық теорияның және периодтық заңның іргелі маңыздылығын растайтын жарқын мысал бола алады. Оларды жаратылыстанудың көрнекті ғалымдары – орыс ғалымдары М. В. Ломоносов пен Д. И. Менделеев тұжырымдаған. Лантанидтер мен актинидтер - әрқайсысында 14 химиялық элементтен тұратын екі отбасы, сондай-ақ металдардың өздері - лантан және актиний. Олардың қасиеттері - физикалық және химиялық - біз осы мақалада қарастырамыз. Сонымен қатар, біз сутегі, лантанидтер, актинидтердің периодтық жүйесіндегі орны олардың атомдарының электрондық орбитальдарының құрылымына қалай тәуелді екенін анықтаймыз.
Табу тарихы
18 ғасырдың аяғында Ю. Гадолин сирек жер металдар тобынан бірінші қосылыс – иттрий оксидін алды. 20 ғасырдың басына дейін Г. Мозелидің химиядағы зерттеулерінің арқасында металдар тобының бар екендігі белгілі болды. Олар лантан мен гафний арасындағы периодтық жүйеде орналасты. Тағы бір химиялық элемент – актиниум лантан сияқты 14 радиоактивті топты құрайдыактинидтер деп аталатын химиялық элементтер. Олардың ғылымдағы ашылуы 1879 жылдан 20 ғасырдың ортасына дейін болды. Лантанидтер мен актинидтердің физикалық және химиялық қасиеттері бойынша көптеген ұқсастықтары бар. Мұны осы металдардың атомдарындағы электрондардың энергетикалық деңгейде орналасуымен түсіндіруге болады, атап айтқанда, лантанидтер үшін бұл төртінші деңгей f-төменгі деңгей, ал актинидтер үшін - бесінші деңгей f-төменгі деңгей. Әрі қарай, жоғарыда аталған металдар атомдарының электронды қабаттарын толығырақ қарастырамыз.
Атомдық және молекулалық ілімдер аясындағы ішкі өтпелі элементтердің құрылымы
Химиялық заттардың құрылымын М. В. Ломоносов ашқан тапқыр ашу атомдардың электронды қабаттарын одан әрі зерттеуге негіз болды. Химиялық элементтің элементар бөлшектерінің құрылымының Резерфорд моделі, М. Планктың, Ф. Гундтың зерттеулері химиктерге лантанидтер мен актинидтерді сипаттайтын физикалық және химиялық қасиеттердің периодтық өзгерістерінің бар заңдылықтарының дұрыс түсіндірмелерін табуға мүмкіндік берді. Д. И. Менделеевтің периодтық заңының өтпелі элементтер атомдарының құрылысын зерттеудегі ең маңызды рөлін ескермеу мүмкін емес. Бұл мәселеге толығырақ тоқталайық.
Д. И. Менделеевтің периодтық жүйесіндегі ішкі ауысу элементтерінің орны
Алтыншы - үлкен периодтың үшінші тобында - лантанның артында церийден лютецийге дейінгі металдар тобы орналасқан. Лантан атомының 4f ішкі деңгейі бос, ал лютеций атомы 14-ші деңгейге толығымен толтырылған.электрондар. Олардың арасында орналасқан элементтер бірте-бірте f-орбитальдарды толтырады. Актинидтер тұқымдасында - торийден лауренцийге дейін - теріс зарядталған бөлшектердің жинақталуының бірдей принципі жалғыз айырмашылықпен байқалады: электрондармен толтыру 5f ішкі деңгейінде жүреді. Сыртқы энергетикалық деңгейдің құрылымы және ондағы теріс бөлшектердің саны (екіге тең) жоғарыда аталған металдардың барлығы үшін бірдей. Бұл факт ішкі өтпелі элементтер деп аталатын лантанидтер мен актинидтердің неліктен ұқсастықтары көп деген сұраққа жауап береді.
Кейбір химиялық әдебиеттер көздерінде екі отбасының өкілдері екінші қосалқы топшаларға біріктірілген. Олардың құрамында әр отбасынан екі метал бар. Д. И. Менделеевтің химиялық элементтерінің периодтық жүйесінің қысқаша түрінде осы тұқымдастардың өкілдері кестенің өзінен бөлініп, жеке қатарларға орналастырылған. Сондықтан лантанидтер мен актинидтердің периодтық жүйедегі орны атомдар құрылымының жалпы жоспарына және ішкі деңгейлердің электрондармен толтырылу кезеңділігіне сәйкес келеді және бірдей тотығу дәрежелерінің болуы ішкі өтпелі металдардың ортақ топтарға қосылуын туғызды.. Оларда химиялық элементтердің лантанға немесе актинийге эквивалентті қасиеттері мен қасиеттері бар. Сондықтан лантанидтер мен актинидтер химиялық элементтер кестесінен алынып тасталды.
f-қосалқы деңгейдің электрондық конфигурациясы металдардың қасиеттеріне қалай әсер етеді
Бұрын айтқандай, лантанидтер мен актинидтердің периодтықжүйесі олардың физикалық және химиялық сипаттамаларын тікелей анықтайды. Осылайша, церий, гадолиний және басқа лантанидтер семьясының элементтерінің иондары жоғары магниттік моменттерге ие, бұл f-кіші деңгейдің құрылымдық ерекшеліктерімен байланысты. Бұл магниттік қасиеттері бар жартылай өткізгіштерді алу үшін металдарды қоспалар ретінде пайдалануға мүмкіндік берді. Актиний тұқымдасының элементтерінің сульфидтері (мысалы, протактиний сульфиді, торий) олардың молекулаларының құрамында химиялық байланыстың аралас түрі болады: иондық-коваленттік немесе коваленттік-металл. Құрылымның бұл ерекшелігі жаңа физика-химиялық қасиеттің пайда болуына әкеліп соқты және лантанидтер мен актинидтердің люминесценттік қасиеттері неге ие деген сұраққа жауап болды. Мысалы, қараңғыда күміс түске боялған анемон үлгісі көкшіл жарқылмен жанады. Бұл электр тогының, жарық фотондарының металл иондарына әсер етуімен түсіндіріледі, олардың әсерінен атомдар қозғалады және олардағы электрондар жоғары энергетикалық деңгейлерге «секіреді», содан кейін өздерінің стационарлық орбиталарына оралады. Дәл осы себепті лантанидтер мен актинидтер люминофорлар ретінде жіктеледі.
Атомдардың иондық радиустарының кему салдары
Лантан мен актинийде, сондай-ақ олардың тұқымдастарының элементтерінде металл иондарының радиустарының көрсеткіштері мәнінің бір сарынды төмендеуі байқалады. Химияда мұндай жағдайларда лантанид пен актинидті компрессия туралы айту әдеттегідей. Химияда мынадай заңдылық белгіленген: атомдар ядросының зарядының жоғарылауымен, егер элементтер бір периодқа жататын болса, олардың радиустары азаяды. Мұны келесідей түсіндіруге боладытәсілі: церий, празеодим, неодим сияқты металдар үшін олардың атомдарындағы энергия деңгейлерінің саны өзгермейді және алтыға тең. Бірақ ядролардың зарядтары сәйкесінше бір артады және +58, +59, +60 болады. Бұл ішкі қабықтардың электрондарының оң зарядталған ядроға тартылу күші артады дегенді білдіреді. Нәтижесінде атом радиустары азаяды. Металдардың иондық қосылыстарында атомдық саны артқан сайын иондық радиустар да азаяды. Осындай өзгерістер анемондар тұқымдасының элементтерінде байқалады. Сондықтан лантанидтер мен актинидтер егіздер деп аталады. Иондардың радиустарының азаюы, ең алдымен, Ce(OH)3, Pr(OH)3 гидроксидтерінің негізгі қасиеттерінің әлсіреуіне әкеледі. сипат.
4f-қосалқы деңгейдің еуропий атомының орбитальдарының жартысына дейін жұпталмаған электрондармен толтырылуы күтпеген нәтижелерге әкеледі. Оның атомдық радиусы азаймайды, керісінше өседі. Лантанидтер қатарында одан кейін келетін гадолиний Еу сияқты 5d ішкі деңгейінде 4f ішкі деңгейінде бір электронға ие. Бұл құрылым гадолиний атомының радиусының күрт төмендеуін тудырады. Осыған ұқсас құбылыс иттербий – лютеций жұбында да байқалады. Бірінші элемент үшін атом радиусы 4f ішкі деңгейінің толық толтырылуына байланысты үлкен, ал лютеций үшін ол күрт төмендейді, өйткені электрондардың пайда болуы 5d ішкі деңгейінде байқалады. Актинийде және осы отбасының басқа радиоактивті элементтерінде олардың атомдары мен иондарының радиустары біркелкі өзгермейді, бірақ лантанидтер сияқты сатылы түрде өзгереді. Осылайша, лантанидтер жәнеактинидтер – қосылыстарының қасиеттері иондық радиусқа және атомдардың электрондық қабаттарының құрылымына сәйкес келетін элементтер.
Валенттілік күйлері
Лантанидтер мен актинидтер сипаттамалары өте ұқсас элементтер болып табылады. Атап айтқанда, бұл олардың иондардағы тотығу дәрежелеріне және атомдардың валенттілігіне қатысты. Мысалы, Th(OH)3, PaCl3, ThF қосылыстарындағы үш валенттілігі бар торий мен протактий 3 , Па2(CO3)3. Бұл заттардың барлығы ерімейді және лантан тұқымдас металдармен бірдей химиялық қасиеттерге ие: церий, празеодим, неодим және т.б. Бұл қосылыстардағы лантанидтер де үш валентті болады. Бұл мысалдар бізге лантанидтер мен актинидтер егіз деген тұжырымның дұрыстығын тағы да дәлелдейді. Олардың физикалық және химиялық қасиеттері ұқсас. Мұны, ең алдымен, ішкі өтпелі элементтердің екі отбасының атомдарының электронды орбитальдарының құрылымымен түсіндіруге болады.
Металл қасиеттері
Екі топтың барлық өкілдері металдар болып табылады, оларда 4f-, 5f-, сондай-ақ d-қосалқы деңгейлері аяқталады. Лантан және оның тұқымдас элементтері сирек жер деп аталады. Олардың физикалық және химиялық сипаттамаларының жақындығы сонша, оларды зертханалық жағдайда үлкен қиындықпен бөлек ажыратады. Көбінесе +3 тотығу дәрежесін көрсететін лантан қатарының элементтері сілтілі жер металдарымен (барий, кальций, стронций) көптеген ұқсастықтарға ие. Актинидтер де өте белсенді металдар, сонымен қатар радиоактивті.
Лантанидтер мен актинидтердің құрылымдық ерекшеліктері, мысалы, майда дисперсті күйдегі пирофорлылық сияқты қасиеттерге де қатысты. Металдардың бет-центрленген кристалдық торларының өлшемдерінің азаюы да байқалады. Екі отбасының барлық химиялық элементтері күмістей жылтыр металдар екенін қосамыз, олардың жоғары реактивтілігіне байланысты ауада тез қараңғыланады. Олар одан әрі тотығудан қорғайтын сәйкес оксидтің пленкасымен жабылған. Балқу температурасы 1000 °C төмен болатын нептуний мен плутонийді қоспағанда, барлық элементтер жеткілікті түрде отқа төзімді.
Сипаттамалы химиялық реакциялар
Бұрын атап өтілгендей, лантанидтер мен актинидтер реактивті металдар болып табылады. Сонымен, лантан, церий және отбасының басқа элементтері қарапайым заттармен - галогендермен, сондай-ақ фосформен, көміртегімен оңай біріктіріледі. Лантанидтер көміртегі тотығымен де, көмірқышқыл газымен де әрекеттесе алады. Олар сондай-ақ суды ыдыратуға қабілетті. Қарапайым тұздардан басқа, мысалы, SeCl3 немесе PrF3, олар қос тұздар түзеді. Аналитикалық химияда лантанидті металдардың аминсірке және лимон қышқылдарымен реакциялары маңызды орын алады. Осындай процестердің нәтижесінде түзілген күрделі қосылыстар лантанидтер қоспасын бөлу үшін пайдаланылады, мысалы, кендерде.
Нитраттармен, хлоридтермен және сульфаттармен, металдармен әрекеттескендесәйкес тұздар түзеді. Олар суда жақсы ериді және оңай кристалды гидраттарды түзе алады. Айта кету керек, лантанид тұздарының сулы ерітінділері түсті болады, бұл оларда сәйкес иондардың болуымен түсіндіріледі. Самарий немесе празеодим тұздарының ерітінділері жасыл, неодим - қызыл-күлгін, прометий және европий - қызғылт. Тотығу дәрежесі +3 болатын иондар боялғандықтан, бұл аналитикалық химияда лантанидті металл иондарын (сапалық реакциялар деп аталатын) тану үшін қолданылады. Осы мақсатта фракциялық кристалдану және ион алмасу хроматографиясы сияқты химиялық талдау әдістері де қолданылады.
Актинидтерді элементтердің екі тобына бөлуге болады. Бұл беркелий, фермий, менделевий, нобелий, лауренций және уран, нептуний, плутоний, омерций. Олардың біріншісінің химиялық қасиеттері лантанға және оның отбасының металдарына ұқсас. Екінші топтың элементтерінің химиялық сипаттамалары өте ұқсас (бір-біріне дерлік ұқсас). Барлық актинидтер бейметалдармен тез әрекеттеседі: күкірт, азот, көміртек. Олар құрамында оттегі бар аңызбен күрделі қосылыстар түзеді. Көріп отырғанымыздай, екі отбасының металдары химиялық мінез-құлық бойынша бір-біріне жақын. Сондықтан лантанидтер мен актинидтер көбінесе қос металдар деп аталады.
Сутегі, лантанидтер, актинидтердің периодтық жүйесіндегі орны
Сутегінің жеткілікті реакцияға қабілетті зат екенін ескеру қажет. Ол химиялық реакцияның жүру жағдайларына байланысты: тотықсыздандырғыш ретінде де, тотықтырғыш ретінде де көрінеді. Сондықтан периодтық жүйедесутегі бірден екі топтың негізгі топшаларында бір мезгілде орналасқан.
Біріншісінде сутегі осы жерде орналасқан сілтілік металдар сияқты тотықсыздандырғыш рөлін атқарады. 7-топтағы сутектің орны галогендер элементтерімен бірге оның қалпына келтіру қабілетін көрсетеді. Алтыншы кезеңде, жоғарыда айтылғандай, лантанидтер отбасы орналасқан, кестенің ыңғайлылығы мен ықшамдылығы үшін бөлек қатарға орналастырылған. Жетінші период сипаттамалары бойынша актинийге ұқсас радиоактивті элементтер тобын қамтиды. Актинидтер Д. И. Менделеевтің химиялық элементтер кестесінің сыртында лантан тұқымдасының қатарында орналасқан. Бұл элементтер ең аз зерттелген, өйткені олардың атомдарының ядролары радиоактивтілікке байланысты өте тұрақсыз. Еске салайық, лантанидтер мен актинидтер ішкі өтпелі элементтер болып табылады және олардың физика-химиялық сипаттамалары бір-біріне өте жақын.
Өнеркәсіпте металдарды алудың жалпы әдістері
Тікелей рудалардан алынатын торий, протактий және уранды қоспағанда, қалған актинидтерді тез қозғалатын нейтрон ағындарымен металл уранның үлгілерін сәулелендіру арқылы алуға болады. Өнеркәсіптік ауқымда нептуний мен плутоний ядролық реакторлардан пайдаланылған отыннан өндіріледі. Актинидтерді алу өте күрделі және қымбат процесс екенін ескеріңіз, оның негізгі әдістері ион алмасу және көп сатылы экстракция болып табылады. Сирек жер элементтері деп аталатын лантанидтер олардың хлоридтерін немесе фторидтерін электролиздеу арқылы алынады. Металлотермиялық әдіс аса таза лантанидтерді алу үшін қолданылады.
Ішкі ауысу элементтері пайдаланылатын жерде
Біз зерттейтін металдарды қолдану аясы өте кең. Анемондар отбасы үшін бұл, ең алдымен, ядролық қару мен энергия. Актинидтер медицинада, ақауларды анықтауда және белсендіруді талдауда да маңызды. Ядролық реакторларда нейтрондарды ұстау көздері ретінде лантанидтер мен актинидтерді қолдануды елемеу мүмкін емес. Лантанидтер шойын мен болатқа легирленген қоспалар ретінде, сондай-ақ фосфор өндірісінде қолданылады.
Табиғатта таралған
Актинидтер мен лантанидтердің оксидтері көбінесе цирконий, торий, иттрий жері деп аталады. Олар сәйкес металдарды алудың негізгі көзі болып табылады. Уран актинидтердің негізгі өкілі ретінде литосфераның сыртқы қабатында төрт түрлі руда немесе минерал түрінде кездеседі. Ең алдымен, бұл уран шайыры, ол уран диоксиді. Оның құрамында ең жоғары металл бар. Көбінесе уран диоксиді радий шөгінділерімен (веналар) жүреді. Олар Канадада, Францияда, Заирде кездеседі. Торий және уран рудаларының кешендері көбінесе алтын немесе күміс сияқты басқа бағалы металдардың кендерін қамтиды.
Мұндай шикізат қоры Ресейде, Оңтүстік Африкада, Канадада және Австралияда бай. Кейбір шөгінді тау жыныстарында карнотит минералы бар. Оның құрамында ураннан басқа ванадий де бар. Төртіншіуран шикізатының түрі – фосфатты кендер мен темір-уран тақтатастары. Олардың қорлары Марокко, Швеция және АҚШ-та орналасқан. Қазіргі уақытта құрамында уран қоспалары бар қоңыр көмір және көмір кен орындары да перспективалы болып саналады. Олар Испанияда, Чехияда, сондай-ақ АҚШ-тың екі штатында - Солтүстік және Оңтүстік Дакотада өндіріледі.
