Yer qobig'ida keltirilgan kimyoviy elementlarning har biri: atmosfera, litosfera va gidrosfera - atom va molekulyar nazariya va davriy qonunning fundamental ahamiyatini tasdiqlovchi yorqin misol bo'la oladi. Ularni tabiatshunoslik nuroniylari - rus olimlari M. V. Lomonosov va D. I. Mendeleev ishlab chiqqan. Lantanidlar va aktinidlar ikkita oila bo'lib, ularning har biri 14 ta kimyoviy elementni, shuningdek, metallarning o'zlarini - lantan va aktiniyni o'z ichiga oladi. Ularning xususiyatlari - ham fizik, ham kimyoviy - biz ushbu maqolada ko'rib chiqamiz. Bundan tashqari, biz vodorod, lantanidlar, aktinidlarning davriy tizimidagi pozitsiyasi ularning atomlarining elektron orbitallari tuzilishiga qanday bog'liqligini aniqlaymiz.
Kashfiyot tarixi
18-asr oxirida Y. Gadolin noyob tuproq metallari guruhidan birinchi birikma - itriy oksidini oldi. 20-asr boshlarigacha kimyoda G. Mozelining izlanishlari tufayli metallar guruhi mavjudligi haqida maʼlum boʻldi. Ular lantan va gafniy orasidagi davriy tizimda joylashgan. Yana bir kimyoviy element - aktiniy, lantan kabi, 14 ta radioaktiv oilani tashkil qiladikimyoviy elementlar aktinidlar deb ataladi. Ularning ilm-fandagi kashfiyoti 1879 yildan 20-asrning o'rtalariga to'g'ri keldi. Lantanidlar va aktinidlar fizik va kimyoviy xossalarida juda ko'p o'xshashliklarga ega. Buni energiya darajasida bo'lgan ushbu metallarning atomlarida elektronlarning joylashishi bilan izohlash mumkin, ya'ni lantanidlar uchun bu to'rtinchi darajali f-kichik daraja, aktinidlar uchun esa - beshinchi darajali f-kichik daraja. Keyinchalik, yuqoridagi metallar atomlarining elektron qobiqlarini batafsil ko'rib chiqamiz.
Atom va molekulyar ta'limotlar nuqtai nazaridan ichki o'tish elementlarining tuzilishi
M. V. Lomonosov tomonidan kimyoviy moddalar tuzilishining mohir kashfiyoti atomlarning elektron qobiqlarini keyingi tadqiq qilish uchun asos boʻldi. Kimyoviy element elementar zarrachasi tuzilishining Rezerford modeli, M. Plank, F. Gundning tadqiqotlari kimyogarlarga lantanidlar va aktinidlarni xarakterlovchi fizikaviy va kimyoviy xossalarning davriy oʻzgarishining mavjud qonuniyatlarini toʻgʻri tushuntirishga imkon berdi. O'tish elementlari atomlarining tuzilishini o'rganishda D. I. Mendeleyev davriy qonunining eng muhim rolini e'tibordan chetda qoldirib bo'lmaydi. Keling, bu masalaga batafsil toʻxtalib oʻtamiz.
D. I. Mendeleyev davriy sistemasidagi ichki oʻtish elementlarining oʻrni
Oltinchi - katta davrning uchinchi guruhida - lantan orqasida seriydan tortib lutetiygacha bo'lgan metallar oilasi joylashgan. Lantan atomining 4f pastki darajasi bo'sh, lutetiy atomi esa 14-chi daraja bilan to'liq to'ldirilgan.elektronlar. Ularning orasida joylashgan elementlar asta-sekin f-orbitallarni to'ldiradi. Aktinidlar oilasida - toriydan lavrensiygacha - manfiy zaryadlangan zarrachalarni to'plashning bir xil printsipi yagona farq bilan kuzatiladi: elektronlar bilan to'ldirish 5f pastki sathida sodir bo'ladi. Tashqi energiya darajasining tuzilishi va undagi manfiy zarrachalar soni (ikkiga teng) yuqoridagi barcha metallar uchun bir xil. Bu fakt ichki o'tish elementlari deb ataladigan lantanidlar va aktinidlar nima uchun juda ko'p o'xshashliklarga ega degan savolga javob beradi.
Kimyoviy adabiyotning ba'zi manbalarida ikkala oila vakillari ikkinchi yon kichik guruhlarga birlashtirilgan. Ularda har bir oiladan ikkita metall mavjud. D. I. Mendeleyevning kimyoviy elementlar davriy sistemasining qisqacha ko‘rinishida bu oilalarning vakillari jadvalning o‘zidan ajratilib, alohida qatorlarga joylashtirilgan. Shuning uchun lantanidlar va aktinidlarning davriy tizimdagi holati atomlar tuzilishining umumiy rejasiga va ichki sathlarni elektronlar bilan to'ldirish davriyligiga mos keladi va bir xil oksidlanish darajalarining mavjudligi ichki o'tish metallarining umumiy guruhlarga birlashishiga sabab bo'ldi.. Ularda kimyoviy elementlar lantan yoki aktiniyga teng xususiyat va xususiyatlarga ega. Shuning uchun lantanidlar va aktinidlar kimyoviy elementlar jadvalidan chiqariladi.
F-kichik darajadagi elektron konfiguratsiya metallarning xususiyatlariga qanday ta'sir qiladi
Yana aytganimizdek, lantanidlar va aktinidlarning davriytizim ularning fizik va kimyoviy xususiyatlarini bevosita belgilaydi. Shunday qilib, seriy, gadoliniy va lantanidlar oilasining boshqa elementlarining ionlari yuqori magnit momentlarga ega bo'lib, bu f-kichik darajaning strukturaviy xususiyatlari bilan bog'liq. Bu magnit xossaga ega yarim o'tkazgichlarni olish uchun metallardan dopant sifatida foydalanish imkonini berdi. Aktiniy oilasi elementlarining sulfidlari (masalan, protaktiniy sulfidlari, toriy) molekulalari tarkibida aralash turdagi kimyoviy bog'lanishga ega: ion-kovalent yoki kovalent-metall. Strukturaning bu xususiyati yangi fizik-kimyoviy xususiyatning paydo bo'lishiga olib keldi va nima uchun lantanidlar va aktinidlar lyuminestsent xususiyatlarga ega degan savolga javob bo'lib xizmat qildi. Misol uchun, qorong'uda kumush rangga ega bo'lgan anemon namunasi ko'k rangda porlaydi. Bu elektr tokining, yorug'lik fotonlarining metall ionlariga ta'siri bilan izohlanadi, ularning ta'siri ostida atomlar qo'zg'aladi va ulardagi elektronlar yuqori energiya darajalariga "sakrab chiqadi" va keyin statsionar orbitalariga qaytadi. Aynan shuning uchun lantanidlar va aktinidlar fosforlar sifatida tasniflanadi.
Atomlarning ion radiuslarining kamayishi oqibatlari
Lantan va aktiniyda, shuningdek, ularning oilalariga mansub elementlarda metall ionlari radiuslari ko'rsatkichlari qiymatining bir xildagi pasayishi kuzatiladi. Kimyoda bunday hollarda lantanid va aktinidning siqilishi haqida gapirish odatiy holdir. Kimyoda quyidagi qonuniyat o'rnatildi: atomlar yadrosi zaryadining oshishi bilan, agar elementlar bir xil davrga tegishli bo'lsa, ularning radiuslari kamayadi. Buni quyidagicha tushuntirish mumkinyo'l: seriy, praseodimiy, neodimiy kabi metallar uchun ularning atomlaridagi energiya darajalari soni o'zgarmagan va oltitaga teng. Biroq yadrolarning zaryadlari mos ravishda bittaga ortadi va +58, +59, +60 ni tashkil qiladi. Demak, ichki qobiqlarning elektronlarini musbat zaryadlangan yadroga tortish kuchi kuchayadi. Natijada atom radiuslari kamayadi. Metalllarning ionli birikmalarida atom soni ortishi bilan ion radiuslari ham kamayadi. Xuddi shunday o'zgarishlar anemonlar oilasi elementlarida ham kuzatiladi. Shuning uchun lantanidlar va aktinidlar egizaklar deb ataladi. Ionlar radiuslarining kamayishi, birinchi navbatda, Ce(OH)3, Pr(OH)3 gidroksidlarining asosiy xossalarining zaiflashishiga olib keladi. ta xususiyat.
4f-pastki sathining evropiy atomi orbitallarining yarmigacha boʻlgan juftlanmagan elektronlar bilan toʻldirilishi kutilmagan natijalarga olib keladi. Uning atom radiusi kamaymaydi, aksincha, ortadi. Lantanidlar qatorida unga ergashuvchi gadoliniy Eu kabi 5d pastki sathida 4f pastki sathida bitta elektronga ega. Bu struktura gadoliniy atomi radiusining keskin pasayishiga olib keladi. Xuddi shunday hodisa bir juft iterbiy - lutetiumda ham kuzatiladi. Birinchi element uchun atom radiusi 4f pastki sathini to'liq to'ldirish tufayli katta, lutetiy uchun esa u keskin kamayadi, chunki elektronlarning ko'rinishi 5d pastki sathida kuzatiladi. Bu oilaning aktiniy va boshqa radioaktiv elementlarida ularning atomlari va ionlarining radiuslari bir xilda emas, balki lantanidlar singari bosqichma-bosqich o'zgaradi. Shunday qilib, lantanidlar vaaktinidlar - birikmalarining xossalari ion radiusi va atomlarning elektron qavatlarining tuzilishiga mutanosib ravishda bog'liq bo'lgan elementlardir.
Valentlik holatlari
Lantanidlar va aktinidlar xarakteristikalari juda o'xshash elementlardir. Xususan, bu ularning ionlardagi oksidlanish darajalariga va atomlarning valentligiga tegishli. Masalan, Th(OH)3, PaCl3, ThF birikmalarida uch valentlikka ega bo'lgan toriy va protaktiniy 3 , Pa2(CO3)3. Bu moddalarning barchasi erimaydi va lantan oilasiga mansub metallar bilan bir xil kimyoviy xossalarga ega: seriy, prazeodim, neodim va boshqalar. Bu birikmalardagi lantanidlar ham uch valentli bo'ladi. Ushbu misollar lantanidlar va aktinidlar egizaklar degan fikrning to'g'riligini yana bir bor isbotlaydi. Ular bir xil fizik va kimyoviy xususiyatlarga ega. Buni birinchi navbatda ichki o'tish elementlarining ikkala oilasi atomlarining elektron orbitallarining tuzilishi bilan izohlash mumkin.
Metallarning xossalari
Ikkala guruhning barcha vakillari metallar boʻlib, ularda 4f-, 5f-, shuningdek, d-kichik darajalari tugallangan. Lantan va uning oilasining elementlari noyob erlar deb ataladi. Ularning fizik-kimyoviy xususiyatlari shu qadar yaqinki, ular laboratoriya sharoitida juda qiyinchilik bilan alohida ajratiladi. Ko'pincha +3 oksidlanish holatini ko'rsatadigan lantan seriyasining elementlari ishqoriy tuproq metallari (bariy, k altsiy, stronsiy) bilan juda ko'p o'xshashliklarga ega. Aktinidlar ham o'ta faol metallar bo'lib, ular radioaktivdir.
Lantanidlar va aktinidlarning strukturaviy xususiyatlari, masalan, nozik dispers holatda piroforiklik kabi xususiyatlarga ham tegishli. Metalllarning yuz markazli kristall panjaralari hajmining pasayishi ham kuzatiladi. Biz ikkala oilaning barcha kimyoviy elementlari kumush rangga ega bo'lgan metallar bo'lib, ularning yuqori reaktivligi tufayli havoda tezda qorayadi. Ular tegishli oksidning plyonkasi bilan qoplangan, bu esa keyingi oksidlanishdan himoya qiladi. Erish nuqtasi 1000 °C dan ancha past bo'lgan neptuniy va plutoniy bundan mustasno, barcha elementlar etarlicha o'tga chidamli.
Xarakterli kimyoviy reaksiyalar
Avval qayd etilganidek, lantanidlar va aktinidlar reaktiv metallardir. Shunday qilib, lantan, seriy va oilaning boshqa elementlari oddiy moddalar - galogenlar, shuningdek fosfor, uglerod bilan osongina birlashadi. Lantanidlar ham uglerod oksidi, ham karbonat angidrid bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin. Ular suvni parchalashga ham qodir. Masalan, SeCl3 yoki PrF3 kabi oddiy tuzlardan tashqari ular qo’sh tuzlar hosil qiladi. Analitik kimyoda lantanidli metallarning aminoasetik va limon kislotalari bilan reaksiyalari muhim oʻrin tutadi. Bunday jarayonlar natijasida hosil bo'lgan kompleks birikmalar lantanidlar aralashmasini ajratish uchun ishlatiladi, masalan, rudalarda.
Nitrat, xlorid va sulfat kislotalar, metallar bilan oʻzaro taʼsirlashgandamos keladigan tuzlarni hosil qiladi. Ular suvda yaxshi eriydi va kristalli gidratlar hosil qilish qobiliyatiga ega. Shuni ta'kidlash kerakki, lantanid tuzlarining suvli eritmalari rangli bo'lib, ulardagi tegishli ionlarning mavjudligi bilan izohlanadi. Samarium yoki praseodimiyum tuzlarining eritmalari yashil, neodimiy - qizil-binafsha, prometiy va evropium - pushti. Oksidlanish darajasi +3 bo'lgan ionlar rangli bo'lganligi sababli, bu analitik kimyoda lantanid metall ionlarini (sifat reaksiyalari deb ataladigan) tanib olish uchun ishlatiladi. Xuddi shu maqsadda fraksiyonel kristallanish va ion almashinadigan xromatografiya kabi kimyoviy tahlil usullari ham qo'llaniladi.
Aktinidlarni elementlarning ikkita guruhiga bo'lish mumkin. Bular berkeliy, fermiy, mendeleviy, nobeliy, lavrensiy va uran, neptuniy, plutoniy, omersiydir. Ulardan birinchisining kimyoviy xossalari lantan va uning oilasiga mansub metallarga o'xshaydi. Ikkinchi guruhning elementlari juda o'xshash kimyoviy xususiyatlarga ega (bir-biriga deyarli bir xil). Barcha aktinidlar tezda metall bo'lmaganlar bilan o'zaro ta'sir qiladi: oltingugurt, azot, uglerod. Ular kislorod o'z ichiga olgan afsonalar bilan murakkab birikmalar hosil qiladi. Ko'rib turganimizdek, ikkala oilaning metallari kimyoviy harakatda bir-biriga yaqin. Shuning uchun lantanidlar va aktinidlar odatda egizak metallar deb ataladi.
Vodorod, lantanidlar, aktinidlarning davriy tizimidagi oʻrni
Vodorod yetarlicha reaktiv modda ekanligini hisobga olish kerak. U kimyoviy reaksiya sharoitlariga qarab o'zini namoyon qiladi: ham qaytaruvchi, ham oksidlovchi sifatida. Shuning uchun davriy tizimdavodorod bir vaqtning o'zida ikkita guruhning asosiy kichik guruhlarida joylashgan.
Birinchisida vodorod bu yerda joylashgan ishqoriy metallar kabi qaytaruvchi vosita rolini oʻynaydi. Vodorodning 7-guruhdagi o'rni galogenlar elementlari bilan birga uning qaytarilish qobiliyatini ko'rsatadi. Oltinchi davrda, yuqorida aytib o'tilganidek, lantanidlar oilasi joylashgan bo'lib, stolning qulayligi va ixchamligi uchun alohida qatorga joylashtirilgan. Ettinchi davr xarakteristikalari bo'yicha aktiniyga o'xshash radioaktiv elementlar guruhini o'z ichiga oladi. Aktinidlar D. I. Mendeleyevning kimyoviy elementlar jadvalidan tashqarida, lantan oilasi qatori ostida joylashgan. Bu elementlar eng kam o'rganilgan, chunki ularning atomlarining yadrolari radioaktivlik tufayli juda beqaror. Eslatib o'tamiz, lantanidlar va aktinidlar ichki o'tish elementlari bo'lib, ularning fizik-kimyoviy xarakteristikalari bir-biriga juda yaqin.
Sanoatda metallar ishlab chiqarishning umumiy usullari
To'g'ridan-to'g'ri rudalardan qazib olinadigan toriy, protaktiniy va urandan tashqari, qolgan aktinidlarni tez harakatlanuvchi neytron oqimlari bilan metall uran namunalarini nurlantirish orqali olish mumkin. Sanoat miqyosida neptuniy va plutoniy yadroviy reaktorlardan foydalanilgan yoqilg'idan qazib olinadi. E'tibor bering, aktinidlarni ishlab chiqarish juda murakkab va qimmat jarayon bo'lib, uning asosiy usullari ion almashinuvi va ko'p bosqichli ekstraktsiyadir. Noyob tuproq elementlari deb ataladigan lantanidlar ularning xloridlari yoki ftoridlarini elektroliz qilish orqali olinadi. Metalotermik usul o'ta toza lantanidlarni olish uchun ishlatiladi.
Bu yerda ichki oʻtish elementlari ishlatiladi
Biz oʻrganayotgan metallardan foydalanish doirasi ancha keng. Anemon oilasi uchun bu, birinchi navbatda, yadroviy qurol va energiya. Aktinidlar tibbiyotda, nuqsonlarni aniqlashda va faollashtirish tahlilida ham muhimdir. Yadro reaktorlarida neytronlarni ushlash manbalari sifatida lantanidlar va aktinidlardan foydalanishni e'tiborsiz qoldirib bo'lmaydi. Lantanidlar, shuningdek, quyma temir va po'latga qotishma qo'shimchalari sifatida, shuningdek, fosfor ishlab chiqarishda ishlatiladi.
Tabiatda tarqalgan
Aktinidlar va lantanidlar oksidlari ko'pincha sirkoniy, toriy, itriy tuproqlari deb ataladi. Ular tegishli metallarni olishning asosiy manbai hisoblanadi. Uran aktinidlarning asosiy vakili sifatida litosferaning tashqi qatlamida to'rt turdagi rudalar yoki minerallar shaklida mavjud. Avvalo, bu uran dioksidi bo'lgan uran qatroni. U eng yuqori metall tarkibiga ega. Ko'pincha uran dioksidi radiy konlari (tomirlar) bilan birga keladi. Ular Kanada, Frantsiya, Zairda joylashgan. Toriy va uran rudalari majmualarida koʻpincha oltin yoki kumush kabi boshqa qimmatbaho metallar rudalari boʻladi.
Bunday xom ashyo zahiralari Rossiya, Janubiy Afrika, Kanada va Avstraliyada boy. Ba'zi cho'kindi jinslar tarkibida karnotit minerali mavjud. Urandan tashqari uning tarkibida vanadiy ham mavjud. To'rtinchiuran xomashyosining turi - fosfat rudalari va temir-uran slanetslari. Ularning zaxiralari Marokash, Shvetsiya va AQShda joylashgan. Hozirgi vaqtda qo'ng'ir va uran aralashmalari bo'lgan ko'mir konlari ham istiqbolli hisoblanadi. Ular Ispaniya, Chexiya, shuningdek, AQShning ikkita shtatida - Shimoliy va Janubiy Dakotada qazib olinadi.
