Kila kipengele cha kemikali kilichowasilishwa katika makombora ya Dunia: angahewa, lithosphere na haidrosphere - kinaweza kuwa kielelezo wazi, kinachothibitisha umuhimu wa kimsingi wa nadharia ya atomiki na molekuli na sheria ya muda. Ziliundwa na mwanga wa sayansi ya asili - wanasayansi wa Kirusi M. V. Lomonosov na D. I. Mendeleev. Lanthanides na actinides ni familia mbili ambazo zina vipengele vya kemikali 14 kila moja, pamoja na metali zenyewe - lanthanum na actinium. Mali zao - kimwili na kemikali - zitazingatiwa na sisi katika karatasi hii. Kwa kuongeza, tutaanzisha jinsi nafasi katika mfumo wa mara kwa mara wa hidrojeni, lanthanides, actinides inategemea muundo wa obiti za elektroniki za atomi zao.
Historia ya uvumbuzi
Mwishoni mwa karne ya 18, Y. Gadolin alipata kiwanja cha kwanza kutoka kwa kundi la madini adimu duniani - oksidi yttrium. Hadi mwanzoni mwa karne ya 20, kutokana na utafiti wa G. Moseley katika kemia, ilijulikana kuhusu kuwepo kwa kundi la metali. Zilikuwa ziko katika mfumo wa upimaji kati ya lanthanum na hafnium. Kipengele kingine cha kemikali - actinium, kama lanthanum, huunda familia ya 14 ya mionzivipengele vya kemikali vinavyoitwa actinides. Ugunduzi wao katika sayansi ulitokea 1879 hadi katikati ya karne ya 20. Lanthanides na actinides zina mfanano mwingi katika sifa za kimwili na kemikali. Hii inaweza kuelezewa na mpangilio wa elektroni katika atomi za metali hizi, ambazo ziko katika viwango vya nishati, yaani, kwa lanthanides hii ni ngazi ya nne ya f-sublevel, na kwa actinides - ngazi ya tano ya f-sublevel. Ifuatayo, tutazingatia magamba ya elektroni ya atomi za metali zilizo hapo juu kwa undani zaidi.
Muundo wa vipengele vya mpito vya ndani kwa kuzingatia mafundisho ya atomiki na molekuli
Ugunduzi wa busara wa muundo wa kemikali na MV Lomonosov ulikuwa msingi wa uchunguzi zaidi wa makombora ya elektroni ya atomi. Muundo wa Rutherford wa muundo wa chembe ya msingi ya kipengele cha kemikali, tafiti za M. Planck, F. Gund ziliruhusu wanakemia kupata maelezo sahihi ya mifumo iliyopo ya mabadiliko ya mara kwa mara katika mali za kimwili na kemikali ambazo zina sifa ya lanthanides na actinides. Haiwezekani kupuuza jukumu muhimu zaidi la sheria ya mara kwa mara ya D. I. Mendeleev katika utafiti wa muundo wa atomi za vipengele vya mpito. Hebu tuzingatie suala hili kwa undani zaidi.
Mahali pa vipengele vya mpito wa ndani katika Jedwali la Vipindi la D. I. Mendeleev
Katika kundi la tatu la kipindi cha sita - kubwa zaidi - nyuma ya lanthanum kuna familia ya metali kuanzia cerium hadi lutetium zikijumuishwa. Kiwango cha chini cha 4f cha atomi ya lanthanamu ni tupu, wakati atomi ya lutetium imejaa kabisa ya 14.elektroni. Vipengele vilivyo kati yao ni kujaza hatua kwa hatua f-orbital. Katika familia ya actinides - kutoka kwa thorium hadi lawrencium - kanuni sawa ya mkusanyiko wa chembe za kushtakiwa vibaya huzingatiwa na tofauti pekee: kujaza na elektroni hutokea kwenye 5f sublevel. Muundo wa kiwango cha nishati ya nje na idadi ya chembe hasi juu yake (sawa na mbili) ni sawa kwa metali zote hapo juu. Ukweli huu unajibu swali la kwa nini lanthanides na actinides, zinazoitwa vipengele vya mpito wa ndani, vina mfanano mwingi.
Katika baadhi ya vyanzo vya fasihi za kemikali, wawakilishi wa familia zote mbili wamejumuishwa katika vikundi vidogo vya upande wa pili. Zina metali mbili kutoka kwa kila familia. Kwa njia fupi ya mfumo wa mara kwa mara wa vipengele vya kemikali vya D. I. Mendeleev, wawakilishi wa familia hizi wametenganishwa na meza yenyewe na kupangwa kwa safu tofauti. Kwa hivyo, nafasi ya lanthanides na actinides katika mfumo wa upimaji inalingana na mpango wa jumla wa muundo wa atomi na upimaji wa kujaza viwango vya ndani na elektroni, na uwepo wa majimbo sawa ya oxidation ulisababisha kuunganishwa kwa metali za mpito za ndani katika vikundi vya kawaida.. Ndani yao, vipengele vya kemikali vina vipengele na mali sawa na lanthanum au actinium. Ndiyo maana lanthanides na actinidi huondolewa kutoka kwa jedwali la elementi za kemikali.
Jinsi usanidi wa kielektroniki wa f-subblevel unavyoathiri sifa za metali
Kama tulivyosema awali, nafasi ya lanthanides na actinides katika kipindimfumo huamua moja kwa moja sifa zao za kimwili na kemikali. Kwa hiyo, ioni za cerium, gadolinium, na vipengele vingine vya familia ya lanthanide vina wakati wa juu wa magnetic, ambao unahusishwa na vipengele vya kimuundo vya f-sublevel. Hii ilifanya iwezekane kutumia metali kama dopants kupata semiconductors na sifa za sumaku. Sulfidi za vipengele vya familia ya actinium (kwa mfano, sulfidi ya protactinium, thorium) katika muundo wa molekuli zao zina aina ya mchanganyiko wa dhamana ya kemikali: ionic-covalent au covalent-chuma. Kipengele hiki cha muundo kilisababisha kuibuka kwa mali mpya ya physicochemical na kutumika kama jibu kwa swali la kwa nini lanthanides na actinides wana mali ya luminescent. Kwa mfano, sampuli ya anemone ambayo ni ya fedha katika giza inang'aa na mwanga wa samawati. Hii inafafanuliwa na hatua ya sasa ya umeme, picha za mwanga kwenye ioni za chuma, chini ya ushawishi wa atomi ambazo zinasisimua, na elektroni ndani yao "kuruka" kwa viwango vya juu vya nishati na kisha kurudi kwenye njia zao za stationary. Ni kwa sababu hii kwamba lanthanides na actinides huainishwa kama fosforasi.
Madhara ya kupungua kwa radii ionic ya atomi
Katika lanthanum na actinium, na pia katika vipengele kutoka kwa familia zao, kuna kupungua kwa kiasi kikubwa kwa thamani ya viashirio vya radii ya ioni za chuma. Katika kemia, katika hali hiyo ni desturi kuzungumza juu ya compression lanthanide na actinide. Katika kemia, muundo wafuatayo umeanzishwa: na ongezeko la malipo ya kiini cha atomi, ikiwa vipengele ni vya kipindi hicho, radii yao hupungua. Hii inaweza kuelezwa kama ifuatavyoNjia: kwa metali kama vile cerium, praseodymium, neodymium, idadi ya viwango vya nishati katika atomi zao haijabadilika na ni sawa na sita. Hata hivyo, mashtaka ya nuclei kwa mtiririko huo yanaongezeka kwa moja na ni +58, +59, +60. Hii ina maana kwamba nguvu ya mvuto wa elektroni za shells za ndani kwa kiini cha chaji chanya huongezeka. Matokeo yake, radii ya atomiki hupungua. Katika misombo ya ionic ya metali, pamoja na ongezeko la idadi ya atomiki, radii ya ionic pia hupungua. Mabadiliko sawa yanazingatiwa katika vipengele vya familia ya anemone. Ndiyo maana lanthanides na actinides huitwa mapacha. Kupungua kwa mionzi ya ioni husababisha, kwanza kabisa, kwa kudhoofika kwa sifa za msingi za hidroksidi Ce(OH)3, Pr(OH)3 mali.
Kujazwa kwa 4f-sublevel na elektroni ambazo hazijaoanishwa hadi nusu ya obiti za atomi ya europiamu husababisha matokeo yasiyotarajiwa. Radi yake ya atomiki haipunguzi, lakini, kinyume chake, huongezeka. Gadolinium, ambayo inaifuata katika mfululizo wa lanthanides, ina elektroni moja katika ngazi ndogo ya 4f katika ngazi ndogo ya 5d, sawa na Eu. Muundo huu husababisha kupungua kwa ghafla kwa radius ya atomi ya gadolinium. Jambo kama hilo linazingatiwa katika jozi ya ytterbium - lutetium. Kwa kipengele cha kwanza, radius ya atomiki ni kubwa kutokana na kujaza kamili ya sublevel 4f, wakati kwa lutetium inapungua kwa ghafla, kwa kuwa kuonekana kwa elektroni huzingatiwa kwenye kiwango cha 5d. Katika actinium na vitu vingine vya mionzi vya familia hii, radii ya atomi na ioni zao hazibadilika kwa usawa, lakini, kama lanthanides, hatua kwa hatua. Hivyo, lanthanides naactinidi ni vipengee ambavyo sifa za michanganyiko yao kwa uwiano hutegemea radii ya ioni na muundo wa makombora ya elektroni ya atomi.
Majimbo ya Valence
Lanthanides na actinides ni vipengele ambavyo sifa zake zinafanana kabisa. Hasa, hii inahusu hali zao za oxidation katika ioni na valency ya atomi. Kwa mfano, thoriamu na protactinium, ambazo zinaonyesha valence ya tatu, katika misombo Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Dutu hizi zote haziyeyuki na zina sifa za kemikali sawa na metali kutoka kwa familia ya lanthanum: cerium, praseodymium, neodymium, n.k. Lanthanides katika misombo hii pia itakuwa ndogo. Mifano hii kwa mara nyingine inatuthibitishia usahihi wa taarifa kwamba lanthanides na actinides ni mapacha. Wana mali sawa ya kimwili na kemikali. Hii inaweza kuelezewa kimsingi na muundo wa obiti za elektroni za atomi za familia zote mbili za elementi za mpito wa ndani.
Sifa za chuma
Wawakilishi wote wa vikundi vyote viwili ni metali, ambapo 4f-, 5f-, na pia d-sublevels hukamilishwa. Lanthanum na vipengele vya familia yake huitwa dunia adimu. Tabia zao za kimwili na kemikali ni karibu sana kwamba hutenganishwa tofauti chini ya hali ya maabara kwa shida kubwa. Mara nyingi huonyesha hali ya oxidation ya +3, vipengele vya mfululizo wa lanthanum vina kufanana nyingi na metali za dunia za alkali (bariamu, kalsiamu, strontium). Actinides pia ni metali amilifu sana, na pia ni mionzi.
Sifa za kimuundo za lanthanidi na actinidi pia zinahusiana na sifa kama vile, kwa mfano, pyrophoricity katika hali iliyotawanywa vizuri. Kupungua kwa saizi ya lati za metali zilizowekwa katikati ya uso pia huzingatiwa. Tunaongeza kuwa vipengele vyote vya kemikali vya familia zote mbili ni metali na kung'aa kwa fedha, kwa sababu ya utendakazi wao wa juu, huwa giza hewani. Wao hufunikwa na filamu ya oksidi inayofanana, ambayo inalinda dhidi ya oxidation zaidi. Vipengele vyote vina kinzani vya kutosha, isipokuwa neptunium na plutonium, ambazo kiwango chake myeyuko kiko chini ya 1000 °C.
Tabia ya athari za kemikali
Kama ilivyobainishwa awali, lanthanides na actinidi ni metali tendaji. Kwa hivyo, lanthanum, cerium na vipengele vingine vya familia huchanganya kwa urahisi na vitu rahisi - halojeni, pamoja na fosforasi, kaboni. Lanthanides pia inaweza kuingiliana na monoksidi kaboni na dioksidi kaboni. Pia wana uwezo wa kuoza maji. Mbali na chumvi rahisi, kama vile SeCl3 au PrF3, kwa mfano, huunda chumvi mbili. Katika kemia ya uchambuzi, athari za metali za lanthanide na asidi ya aminoacetic na citric huchukua nafasi muhimu. Michanganyiko changamano inayoundwa kutokana na michakato kama hii hutumiwa kutenganisha mchanganyiko wa lanthanides, kwa mfano, katika ores.
Inapoingiliana na nitrate, kloridi na asidi ya sulfate, metalitengeneza chumvi zinazolingana. Zinayeyuka sana katika maji na zinaweza kutengeneza hidrati za fuwele kwa urahisi. Ikumbukwe kwamba ufumbuzi wa maji ya chumvi lanthanide ni rangi, ambayo inaelezwa na kuwepo kwa ions sambamba ndani yao. Ufumbuzi wa chumvi za samarium au praseodymium ni kijani, neodymium - nyekundu-violet, promethium na europium - pink. Kwa kuwa ioni zilizo na hali ya oxidation ya +3 zina rangi, hii hutumiwa katika kemia ya uchambuzi kutambua ioni za chuma za lanthanide (kinachojulikana athari za ubora). Kwa madhumuni sawa, mbinu za uchanganuzi wa kemikali kama vile fuwele za sehemu na kromatografia ya kubadilishana ioni pia hutumiwa.
Actinides inaweza kugawanywa katika vikundi viwili vya vipengele. Hizi ni berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium na uranium, neptunium, plutonium, omercium. Mali ya kemikali ya kwanza ya haya ni sawa na lanthanum na metali kutoka kwa familia yake. Vipengele vya kundi la pili vina sifa za kemikali zinazofanana (karibu sawa na kila mmoja). Actinides zote huingiliana haraka na zisizo za metali: sulfuri, nitrojeni, kaboni. Wanaunda misombo ngumu na hadithi zenye oksijeni. Kama tunavyoona, metali za familia zote mbili ziko karibu kwa kila mmoja katika tabia ya kemikali. Hii ndiyo sababu lanthanides na actinides mara nyingi hujulikana kama metali pacha.
Nafasi katika mfumo wa muda wa hidrojeni, lanthanides, actinides
Ni muhimu kuzingatia ukweli kwamba hidrojeni ni dutu tendaji kwa kiasi. Inajidhihirisha kulingana na hali ya mmenyuko wa kemikali: wote kama wakala wa kupunguza na kama wakala wa oksidi. Ndiyo maana katika mfumo wa mara kwa marahaidrojeni iko kwa wakati mmoja katika vikundi vidogo vya vikundi viwili kwa wakati mmoja.
Katika ya kwanza, hidrojeni hucheza nafasi ya kinakisishaji, kama vile metali za alkali zilizo hapa. Mahali ya hidrojeni katika kundi la 7, pamoja na halojeni ya vipengele, inaonyesha uwezo wake wa kupunguza. Katika kipindi cha sita, kama ilivyotajwa tayari, familia ya lanthanide iko, iliyowekwa kwenye safu tofauti kwa urahisi na ugumu wa meza. Kipindi cha saba kina kundi la vipengele vya mionzi sawa na sifa za actinium. Actinides ziko nje ya jedwali la vipengele vya kemikali vya D. I. Mendeleev chini ya safu ya familia ya lanthanum. Vipengele hivi ndivyo vilivyosomwa kidogo zaidi, kwani nuclei za atomi zao hazina msimamo kwa sababu ya mionzi. Kumbuka kwamba lanthanides na actinidi ni vipengele vya mpito vya ndani, na sifa zao za kifizikia ziko karibu sana.
Njia za jumla za uzalishaji wa metali katika viwanda
Isipokuwa thorium, protactinium na uranium, ambazo huchimbwa moja kwa moja kutoka ore, actinidi iliyosalia inaweza kupatikana kwa kuangazia sampuli za urani ya metali na vijito vya nyutroni vinavyosonga kwa kasi. Kwa kiwango cha viwanda, neptunium na plutonium huchimbwa kutoka kwa mafuta yaliyotumiwa kutoka kwa vinu vya nyuklia. Kumbuka kuwa utengenezaji wa actinides ni mchakato mgumu na wa gharama kubwa, njia kuu ambazo ni kubadilishana ioni na uchimbaji wa hatua nyingi. Lanthanides, ambazo huitwa vipengele vya dunia vya nadra, hupatikana kwa electrolysis ya kloridi zao au fluorides. Mbinu ya metallothermic hutumika kutoa lanthanides za ultrapure.
Ambapo vipengele vya mpito wa ndani vinatumika
Anuwai ya matumizi ya metali tunazosoma ni pana sana. Kwa familia ya anemone, hii ni, kwanza kabisa, silaha za nyuklia na nishati. Actinides pia ni muhimu katika dawa, kugundua dosari, na uchanganuzi wa kuwezesha. Haiwezekani kupuuza matumizi ya lanthanides na actinides kama vyanzo vya kukamata nyutroni katika vinu vya nyuklia. Lanthanides pia hutumika kama viungio vya aloi kwa chuma na chuma cha kutupwa, na pia katika utengenezaji wa fosforasi.
Enea kwa asili
Oksidi za actinides na lanthanides mara nyingi huitwa zirconium, thorium, yttrium earths. Wao ni chanzo kikuu cha kupata metali zinazofanana. Uranium, kama mwakilishi mkuu wa actinides, hupatikana kwenye safu ya nje ya lithosphere katika mfumo wa aina nne za madini au madini. Kwanza kabisa, ni lami ya uranium, ambayo ni dioksidi ya uranium. Inayo kiwango cha juu cha chuma. Mara nyingi dioksidi ya urani inaambatana na amana za radium (mishipa). Wanapatikana Kanada, Ufaransa, Zaire. Mchanganyiko wa madini ya thoriamu na urani mara nyingi huwa na madini ya madini mengine ya thamani, kama vile dhahabu au fedha.
Hifadhi za malighafi kama hizo ni nyingi nchini Urusi, Afrika Kusini, Kanada na Australia. Baadhi ya miamba ya sedimentary ina madini ya carnotite. Mbali na uranium, pia ina vanadium. Nneaina ya malighafi ya urani ni ore ya phosphate na shali za chuma-uranium. Hifadhi zao ziko Morocco, Uswidi na USA. Kwa sasa, amana za lignite na makaa ya mawe yenye uchafu wa uranium pia huchukuliwa kuwa ya kuahidi. Zinachimbwa nchini Uhispania, Jamhuri ya Czech, na pia katika majimbo mawili ya Amerika - Kaskazini na Kusini mwa Dakota.
