Dünya'nın kabuklarında sunulan kimyasal elementlerin her biri: atmosfer, litosfer ve hidrosfer - atom ve moleküler teorinin ve periyodik yasanın temel önemini doğrulayan canlı bir örnek olabilir. Doğa biliminin armatürleri tarafından formüle edildiler - Rus bilim adamları M. V. Lomonosov ve D. I. Mendeleev. Lantanitler ve aktinitler, her biri 14 kimyasal elementin yanı sıra metallerin kendileri - lantan ve aktinyum içeren iki ailedir. Özellikleri - hem fiziksel hem de kimyasal - bu yazıda tarafımızca ele alınacaktır. Ayrıca hidrojen, lantanitler, aktinitlerin periyodik sistemdeki konumlarının atomlarının elektronik yörüngelerinin yapısına nasıl bağlı olduğunu belirleyeceğiz.
Keşif geçmişi
18. yüzyılın sonunda, Y. Gadolin, nadir toprak metalleri grubundan ilk bileşiği elde etti - itriyum oksit. 20. yüzyılın başlarına kadar G. Moseley'in kimyadaki araştırmaları sayesinde bir grup metalin varlığı bilinir hale geldi. Lantan ve hafniyum arasındaki periyodik sistemde bulunuyorlardı. Başka bir kimyasal element - aktinyum, lantan gibi, 14 radyoaktif bir aile oluşturur.aktinit adı verilen kimyasal elementler. Bilimdeki keşifleri 1879'dan 20. yüzyılın ortalarına kadar gerçekleşti. Lantanitler ve aktinitlerin hem fiziksel hem de kimyasal özelliklerde birçok benzerliği vardır. Bu, enerji seviyelerinde olan bu metallerin atomlarındaki elektronların düzenlenmesi ile açıklanabilir, yani lantanitler için bu dördüncü seviye f- alt seviyedir ve aktinitler için - beşinci seviye f- alt seviyedir. Daha sonra, yukarıdaki metallerin atomlarının elektron kabuklarını daha ayrıntılı olarak ele alacağız.
Atomik ve moleküler öğretiler ışığında iç geçiş elementlerinin yapısı
Kimyasalların yapısının MV Lomonosov tarafından ustaca keşfedilmesi, atomların elektron kabuklarının daha fazla araştırılmasının temelini oluşturdu. Bir kimyasal elementin temel parçacığının yapısının Rutherford modeli, M. Planck, F. Gund'ın çalışmaları, kimyagerlerin lantanitleri ve aktinitleri karakterize eden fiziksel ve kimyasal özelliklerdeki mevcut periyodik değişim kalıpları için doğru açıklamayı bulmalarına izin verdi. Geçiş elementlerinin atomlarının yapısının incelenmesinde D. I. Mendeleev'in periyodik yasasının en önemli rolünü göz ardı etmek imkansızdır. Bu konu üzerinde daha detaylı duralım.
D. I. Mendeleev'in Periyodik Tablosundaki iç geçiş elementlerinin yeri
Altıncı dönemin üçüncü grubunda - daha büyük dönem - lantanın arkasında seryumdan lutesyuma kadar değişen bir metal ailesi bulunur. Lantan atomunun 4f alt seviyesi boştur, lutesyum atomu ise 14. ile tamamen doludur.elektronlar. Aralarında bulunan elementler yavaş yavaş f-orbitallerini dolduruyor. Aktinitler ailesinde - toryumdan lavrensiyuma kadar - tek farkla aynı negatif yüklü parçacık birikimi ilkesi gözlemlenir: elektronlarla doldurma 5f alt seviyesinde gerçekleşir. Yukarıdaki tüm metaller için dış enerji seviyesinin yapısı ve üzerindeki negatif parçacıkların sayısı (ikiye eşittir) aynıdır. Bu gerçek, iç geçiş elementleri olarak adlandırılan lantanidler ve aktinitlerin neden birçok benzerliğe sahip olduğu sorusunu yanıtlıyor.
Bazı kimyasal literatür kaynaklarında, her iki ailenin temsilcileri ikinci yan alt gruplarda birleştirilir. Her aileden iki metal içerirler. D. I. Mendeleev'in kimyasal elementlerin periyodik sisteminin kısa biçiminde, bu ailelerin temsilcileri tablodan ayrılır ve ayrı sıralar halinde düzenlenir. Bu nedenle, periyodik sistemdeki lantanitlerin ve aktinitlerin konumu, atomların yapısının genel planına ve iç seviyelerin elektronlarla doldurulmasının periyodikliğine karşılık gelir ve aynı oksidasyon durumlarının varlığı, iç geçiş metallerinin ortak gruplar halinde birleşmesine neden olur.. İçlerinde kimyasal elementler, lantan veya aktinyuma eşdeğer özelliklere ve özelliklere sahiptir. Bu nedenle lantanitler ve aktinitler kimyasal elementler tablosundan çıkarılır.
F- alt seviyesinin elektronik konfigürasyonu metallerin özelliklerini nasıl etkiler
Daha önce de söylediğimiz gibi, periyodik olarak lantanitlerin ve aktinitlerin konumusistem fiziksel ve kimyasal özelliklerini doğrudan belirler. Bu nedenle, seryum, gadolinyum ve lantanit ailesinin diğer elementlerinin iyonları, f- alt seviyesinin yapısal özellikleri ile ilişkili olan yüksek manyetik momentlere sahiptir. Bu, manyetik özelliklere sahip yarı iletkenler elde etmek için metallerin dopant olarak kullanılmasını mümkün kıldı. Aktinyum ailesinin elementlerinin sülfürleri (örneğin, protaktinyum sülfit, toryum) moleküllerinin bileşiminde karışık tipte bir kimyasal bağa sahiptir: iyonik-kovalent veya kovalent-metal. Yapının bu özelliği yeni bir fizikokimyasal özelliğin ortaya çıkmasına neden oldu ve lantanitlerin ve aktinitlerin neden ışıldayan özelliklere sahip olduğu sorusuna cevap olarak hizmet etti. Örneğin, karanlıkta gümüşi bir anemon örneği mavimsi bir parıltıyla parlıyor. Bu, elektrik akımının, ışık fotonlarının metal iyonları üzerindeki etkisi altında, hangi atomların uyarıldığı ve içlerindeki elektronların daha yüksek enerji seviyelerine “atlaması” ve ardından sabit yörüngelerine geri dönmesi ile açıklanır. Bu nedenle lantanitler ve aktinitler fosfor olarak sınıflandırılır.
Atomların iyon yarıçaplarını az altmanın sonuçları
Lantan ve aktinyumun yanı sıra ailelerinden gelen elementlerde, metal iyonlarının yarıçaplarının göstergelerinin değerinde monoton bir azalma vardır. Kimyada, bu gibi durumlarda lantanit ve aktinit sıkıştırmasından söz etmek gelenekseldir. Kimyada, aşağıdaki model oluşturulmuştur: atom çekirdeğinin yükündeki artışla, elementler aynı döneme aitse, yarıçapları azalır. Bu şu şekilde açıklanabiliryol: seryum, praseodimyum, neodimyum gibi metaller için atomlarındaki enerji seviyelerinin sayısı değişmez ve altıya eşittir. Ancak çekirdeklerin yükleri sırasıyla bir artar ve +58, +59, +60 olur. Bu, iç kabukların elektronlarının pozitif yüklü çekirdeğe olan çekim kuvvetinin arttığı anlamına gelir. Sonuç olarak, atom yarıçapları azalır. Metallerin iyonik bileşiklerinde atom numarası arttıkça iyon yarıçapları da azalır. Anemon ailesinin unsurlarında da benzer değişiklikler gözlenir. Bu nedenle lantanitler ve aktinitler ikiz olarak adlandırılır. İyonların yarıçaplarında bir azalma, her şeyden önce, Ce(OH)3, Pr(OH)3 hidroksitlerinin temel özelliklerinin zayıflamasına yol açar. özellikler.
4f- alt seviyesinin, öropyum atomunun yörüngelerinin yarısına kadar eşleşmemiş elektronlarla doldurulması beklenmedik sonuçlara yol açar. Atom yarıçapı azalmaz, aksine artar. Lantanitler serisinde onu takip eden gadolinyum, Eu'ya benzer şekilde, 5d alt seviyesinde 4f alt seviyesinde bir elektrona sahiptir. Bu yapı, gadolinyum atomunun yarıçapında ani bir azalmaya neden olur. Benzer bir fenomen, bir çift iterbiyum - lutesyumda gözlenir. İlk element için, 4f alt seviyesinin tamamen doldurulması nedeniyle atom yarıçapı büyüktür, lutesyum için ise elektronların görünümü 5d alt seviyesinde gözlendiğinden aniden azalır. Bu ailenin aktinyum ve diğer radyoaktif elementlerinde, atomlarının ve iyonlarının yarıçapları monoton olarak değişmez, lantanitler gibi adım adım değişir. Böylece lantanitler veaktinitler, bileşiklerinin özellikleri, göreceli olarak iyonik yarıçapa ve atomların elektron kabuklarının yapısına bağlı olan elementlerdir.
Değer durumları
Lantanitler ve aktinitler, özellikleri oldukça benzer olan elementlerdir. Özellikle bu, iyonlardaki oksidasyon durumları ve atomların değerliliği ile ilgilidir. Örneğin, Th(OH)3, PaCl3, ThF bileşiklerinde üç değerlik sergileyen toryum ve protaktinyum 3 , Pa2(CO3)3. Bütün bu maddeler çözünmez ve lantan ailesinden metallerle aynı kimyasal özelliklere sahiptir: seryum, praseodimyum, neodimyum, vb. Bu bileşiklerdeki lantanitler de üç değerlikli olacaktır. Bu örnekler, lantanidler ve aktinidlerin ikiz olduğu ifadesinin doğruluğunu bize bir kez daha kanıtlıyor. Benzer fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptirler. Bu, öncelikle, her iki iç geçiş elementi ailesinin atomlarının elektron orbitallerinin yapısı ile açıklanabilir.
Metal özellikler
Her iki grubun tüm temsilcileri, 4f-, 5f- ve ayrıca d- alt seviyelerinin tamamlandığı metallerdir. Lantan ve ailesinin elementlerine nadir toprak elementleri denir. Fiziksel ve kimyasal özellikleri o kadar yakındır ki, laboratuvar koşullarında ayrı ayrı güçlükle ayrılırlar. Çoğu zaman +3 oksidasyon durumu sergileyen lantan serisinin elementleri, toprak alkali metallerle (baryum, kalsiyum, stronsiyum) birçok benzerliğe sahiptir. Aktinitler ayrıca son derece aktif metallerdir ve ayrıca radyoaktiftir.
Lantanidlerin ve aktinitlerin yapısal özellikleri aynı zamanda örneğin ince bir şekilde dağılmış halde piroforiklik gibi özelliklerle de ilgilidir. Metallerin yüz merkezli kristal kafeslerinin boyutunda da bir azalma gözlenir. Her iki ailenin tüm kimyasal elementlerinin, yüksek reaktiviteleri nedeniyle havada hızla kararan gümüşi parlaklığa sahip metaller olduğunu ekliyoruz. Daha fazla oksidasyona karşı koruma sağlayan ilgili oksitten oluşan bir film ile kaplanırlar. Erime noktası 1000 °C'nin oldukça altında olan neptünyum ve plütonyum hariç tüm elementler yeterince refrakterdir.
Karakteristik kimyasal reaksiyonlar
Daha önce belirtildiği gibi, lantanitler ve aktinitler reaktif metallerdir. Böylece, lantan, seryum ve ailenin diğer elementleri, basit maddelerle - halojenlerin yanı sıra fosfor, karbon ile kolayca birleşir. Lantanitler ayrıca hem karbon monoksit hem de karbon dioksit ile etkileşime girebilir. Ayrıca suyu ayrıştırma yeteneğine de sahiptirler. Örneğin SeCl3 veya PrF3 gibi basit tuzlara ek olarak, çift tuzlar oluştururlar. Analitik kimyada lantanit metallerinin aminoasetik ve sitrik asitlerle reaksiyonları önemli bir yer tutar. Bu tür işlemlerin bir sonucu olarak oluşan karmaşık bileşikler, örneğin cevherlerdeki bir lantanit karışımını ayırmak için kullanılır.
Nitrat, klorür ve sülfat asitleri, metaller ile etkileşime girdiğindekarşılık gelen tuzları oluşturur. Suda yüksek oranda çözünürler ve kolayca kristalli hidratlar oluşturabilirler. Lantanit tuzlarının sulu çözeltilerinin, içlerinde karşılık gelen iyonların mevcudiyeti ile açıklanan renklendirildiğine dikkat edilmelidir. Samaryum veya praseodimyum tuzlarının çözeltileri yeşil, neodim - kırmızı-mor, prometyum ve öropyum - pembedir. +3 oksidasyon durumuna sahip iyonlar renkli olduğundan, bu analitik kimyada lantanit metal iyonlarını tanımak için kullanılır (kalitesel reaksiyonlar olarak adlandırılır). Aynı amaçla fraksiyonel kristalizasyon ve iyon değişim kromatografisi gibi kimyasal analiz yöntemleri de kullanılmaktadır.
Aktinitler iki element grubuna ayrılabilir. Bunlar berkelyum, fermiyum, mendelevium, nobelium, lavrensiyum ve uranyum, neptunyum, plütonyum, omerciumdur. Bunlardan ilkinin kimyasal özellikleri, lantan ve ailesindeki metallere benzer. İkinci grubun elementleri çok benzer kimyasal özelliklere sahiptir (birbirleriyle hemen hemen aynıdır). Tüm aktinitler metal olmayanlarla hızla etkileşime girer: kükürt, azot, karbon. Oksijen içeren efsanelerle karmaşık bileşikler oluştururlar. Gördüğümüz gibi, her iki ailenin metalleri kimyasal davranışta birbirine yakındır. Bu nedenle lantanitler ve aktinitlere genellikle ikiz metaller denir.
Hidrojen, lantanitler, aktinitlerin periyodik sistemindeki konumu
Hidrojenin oldukça reaktif bir madde olduğu gerçeğini hesaba katmak gerekir. Kimyasal reaksiyonun koşullarına bağlı olarak kendini gösterir: hem indirgeyici madde hem de oksitleyici madde olarak. Bu nedenle periyodik sistemdehidrojen aynı anda iki grubun ana alt gruplarında bulunur.
İlkinde hidrojen, burada bulunan alkali metaller gibi bir indirgeyici madde rolünü oynar. Hidrojenin halojen elementleri ile birlikte 7. gruptaki yeri, indirgenme kabiliyetini gösterir. Altıncı periyotta, daha önce de belirtildiği gibi, masanın rahatlığı ve kompaktlığı için ayrı bir sıraya yerleştirilmiş lantanit ailesi yer almaktadır. Yedinci periyot, aktinyuma benzer özelliklere sahip bir grup radyoaktif element içerir. Aktinitler, lantan ailesinin sırasının altında D. I.'nin kimyasal element tablosunun dışında bulunur. Bu elementler en az çalışılanlardır, çünkü atomlarının çekirdeği radyoaktivite nedeniyle çok kararsızdır. Lantanitler ve aktinitlerin iç geçiş elementleri olduğunu ve fizikokimyasal özelliklerinin birbirine çok yakın olduğunu hatırlayın.
Endüstride metal üretimi için genel yöntemler
Doğrudan cevherlerden çıkarılan toryum, protaktinyum ve uranyum hariç, aktinitlerin geri kalanı metalik uranyum örneklerinin hızlı hareket eden nötron akışlarıyla ışınlanmasıyla elde edilebilir. Endüstriyel ölçekte, neptünyum ve plütonyum, nükleer reaktörlerden kullanılmış yakıttan çıkarılır. Aktinitlerin üretiminin, ana yöntemleri iyon değişimi ve çok aşamalı ekstraksiyon olan oldukça karmaşık ve pahalı bir süreç olduğunu unutmayın. Nadir toprak elementleri olarak adlandırılan lantanitler, klorürlerinin veya florürlerinin elektrolizi ile elde edilir. Ultra saf lantanitleri çıkarmak için metalotermik yöntem kullanılır.
Dahili geçiş öğelerinin kullanıldığı yerler
Çalıştığımız metallerin kullanım alanları oldukça geniştir. Anemon ailesi için bu, her şeyden önce nükleer silahlar ve enerjidir. Aktinitler tıpta, kusur tespiti ve aktivasyon analizinde de önemlidir. Nükleer reaktörlerde nötron yakalama kaynakları olarak lantanitlerin ve aktinitlerin kullanımını göz ardı etmek imkansızdır. Lantanitler ayrıca fosfor üretiminde olduğu kadar dökme demir ve çeliğe alaşım katkıları olarak da kullanılır.
Doğada yayılma
Aktinitlerin ve lantanitlerin oksitlerine genellikle zirkonyum, toryum, itriyum toprakları denir. Karşılık gelen metalleri elde etmek için ana kaynaktırlar. Aktinitlerin ana temsilcisi olan uranyum, litosferin dış tabakasında dört tip cevher veya mineral şeklinde bulunur. Her şeyden önce, uranyum dioksit olan uranyum ziftidir. En yüksek metal içeriğine sahiptir. Genellikle uranyum dioksite radyum birikintileri (damarlar) eşlik eder. Kanada, Fransa, Zaire'de bulunurlar. Toryum ve uranyum cevherlerinin kompleksleri genellikle altın veya gümüş gibi diğer değerli metallerin cevherlerini içerir.
Bu tür hammaddelerin rezervleri Rusya, Güney Afrika, Kanada ve Avustralya'da zengindir. Bazı tortul kayaçlar mineral karnotit içerir. Uranyumun yanı sıra vanadyum da içerir. Dördüncüuranyum hammaddesinin türü fosfat cevherleri ve demir-uranyum şeylleridir. Rezervleri Fas, İsveç ve ABD'de bulunmaktadır. Şu anda, uranyum safsızlıkları içeren linyit ve kömür yatakları da umut verici olarak kabul edilmektedir. İspanya, Çek Cumhuriyeti ve ayrıca ABD'nin iki eyaletinde - Kuzey ve Güney Dakota'da çıkarılıyorlar.
