Mỗi nguyên tố hóa học có trong vỏ Trái đất: khí quyển, thạch quyển và thủy quyển - có thể là một ví dụ sinh động, khẳng định tầm quan trọng cơ bản của lý thuyết nguyên tử và phân tử và định luật tuần hoàn. Chúng được tạo ra bởi các nhà khoa học tự nhiên - các nhà khoa học Nga M. V. Lomonosov và D. I. Mendeleev. Lanthanides và actinides là hai họ chứa 14 nguyên tố hóa học, mỗi họ cũng như các kim loại - lantan và actini. Các tính chất của chúng - cả vật lý và hóa học - sẽ được chúng tôi xem xét trong bài báo này. Ngoài ra, chúng tôi sẽ thiết lập vị trí trong hệ thống tuần hoàn của hydro, lanthanides, actinides phụ thuộc vào cấu trúc của obitan điện tử của nguyên tử chúng như thế nào.
Lịch sử khám phá
Vào cuối thế kỷ 18, Y. Gadolin thu được hợp chất đầu tiên từ nhóm kim loại đất hiếm - oxit yttri. Cho đến đầu thế kỷ 20, nhờ nghiên cứu của G. Moseley về hóa học, người ta biết đến sự tồn tại của một nhóm kim loại. Chúng nằm trong hệ thống tuần hoàn giữa lantan và hafnium. Một nguyên tố hóa học khác - actini, giống như lantan, tạo thành một họ có 14 chất phóng xạcác nguyên tố hóa học được gọi là actinides. Khám phá của họ trong khoa học xảy ra từ năm 1879 đến giữa thế kỷ 20. Lanthanides và actinides có rất nhiều điểm giống nhau về cả tính chất vật lý và hóa học. Điều này có thể được giải thích bởi sự sắp xếp của các electron trong nguyên tử của những kim loại này, ở các mức năng lượng, cụ thể là đối với các lantan, đây là mức f cấp lại thứ tư và đối với actinides - cấp độ bán lại f cấp thứ năm. Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các lớp vỏ electron của nguyên tử các kim loại trên một cách chi tiết hơn.
Cấu trúc của các nguyên tố chuyển tiếp bên trong dưới ánh sáng của giáo lý nguyên tử và phân tử
Phát hiện tài tình về cấu trúc của các chất hóa học của MV Lomonosov là cơ sở để nghiên cứu sâu hơn về lớp vỏ electron của nguyên tử. Mô hình Rutherford về cấu trúc của một hạt cơ bản của một nguyên tố hóa học, các nghiên cứu của M. Planck, F. Gund cho phép các nhà hóa học tìm ra lời giải thích chính xác cho các dạng hiện có của sự thay đổi tuần hoàn trong các tính chất vật lý và hóa học đặc trưng cho các đèn lồng và actinides. Không thể bỏ qua vai trò quan trọng nhất của định luật tuần hoàn D. I. Mendeleev trong việc nghiên cứu cấu tạo nguyên tử của các nguyên tố chuyển tiếp. Hãy xem xét vấn đề này một cách chi tiết hơn.
Vị trí của các nguyên tố chuyển tiếp bên trong D. I. Bảng tuần hoàn của Mendeleev
Trong nhóm thứ ba của thời kỳ thứ sáu - lớn hơn - đứng sau lantan là một họ kim loại khác nhau, từ xeri đến luteti. Cấp độ 4f của nguyên tử lantan bị trống, trong khi nguyên tử luteti được lấp đầy hoàn toàn bằng cấp thứ 14các electron. Các phần tử nằm giữa chúng đang dần lấp đầy các obitan f. Trong họ actinides - từ thorium đến lawrencium - cùng một nguyên tắc tích tụ các hạt mang điện tích âm với sự khác biệt duy nhất: sự lấp đầy các electron xảy ra ở mức 5f. Cấu trúc của mức năng lượng bên ngoài và số hạt âm trên nó (bằng hai hạt) là như nhau đối với tất cả các kim loại trên. Thực tế này trả lời cho câu hỏi tại sao các đèn lồng và chất hoạt hóa, được gọi là các phần tử chuyển tiếp bên trong, lại có nhiều điểm giống nhau.
Trong một số nguồn tài liệu hóa học, đại diện của cả hai họ được kết hợp thành các phân nhóm phụ. Chúng chứa hai kim loại từ mỗi họ. Trong dạng ngắn gọn của hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học của D. I. Mendeleev, các đại diện của các họ này được tách ra khỏi bảng và sắp xếp thành các hàng riêng biệt. Do đó, vị trí của các lantan và actinide trong hệ thống tuần hoàn tương ứng với sơ đồ chung về cấu trúc của nguyên tử và tính tuần hoàn của các mức bên trong với các electron, và sự hiện diện của các trạng thái oxy hóa giống nhau gây ra sự liên kết của các kim loại chuyển tiếp bên trong thành các nhóm chung.. Trong đó, các nguyên tố hóa học có tính năng và đặc tính tương đương với lantan hoặc actini. Đó là lý do tại sao các lanthanides và actinides bị loại khỏi bảng các nguyên tố hóa học.
Cấu hình điện tử của f-sublevel ảnh hưởng đến tính chất của kim loại như thế nào
Như chúng ta đã nói trước đó, vị trí của các đèn lồng và chất hoạt hóa trong chu kỳhệ thống xác định trực tiếp các đặc tính vật lý và hóa học của chúng. Do đó, các ion xeri, gadolinium và các nguyên tố khác thuộc họ Lantan có mômen từ cao, điều này có liên quan đến các đặc điểm cấu trúc của phân tầng f. Điều này làm cho nó có thể sử dụng kim loại làm chất pha tạp để thu được chất bán dẫn có đặc tính từ tính. Sulfua của các nguyên tố thuộc họ actini (ví dụ, sunfua của protactini, thori) trong thành phần phân tử của chúng có kiểu liên kết hóa học hỗn hợp: ion-cộng hóa trị hoặc cộng hóa trị-kim loại. Đặc điểm cấu trúc này đã dẫn đến sự xuất hiện của một đặc tính hóa lý mới và được dùng như một câu trả lời cho câu hỏi tại sao các lanthanide và actinides lại có đặc tính phát quang. Ví dụ, một mẫu hải quỳ có màu bạc trong bóng tối phát ra ánh sáng hơi xanh. Điều này được giải thích là do tác động của dòng điện, các photon ánh sáng lên các ion kim loại, dưới ảnh hưởng của các nguyên tử đó bị kích thích, và các electron trong chúng “nhảy” lên các mức năng lượng cao hơn và sau đó quay trở lại quỹ đạo đứng yên của chúng. Chính vì lý do này mà các lanthanides và actinides được phân loại là phốt pho.
Hậu quả của việc giảm bán kính ion của nguyên tử
Trong lantan và actini, cũng như trong các nguyên tố thuộc họ của chúng, có sự giảm đơn điệu về giá trị của các chỉ số bán kính của các ion kim loại. Trong hóa học, trong những trường hợp như vậy, người ta thường nói đến sự nén của lantan và actinide. Trong hóa học, mô hình sau đây đã được thiết lập: với sự tăng lên của điện tích hạt nhân nguyên tử, nếu các nguyên tố thuộc cùng một chu kỳ, bán kính của chúng giảm. Điều này có thể được giải thích như sautheo cách: đối với các kim loại như xeri, praseodymi, neodymi, số mức năng lượng trong nguyên tử của chúng là không đổi và bằng sáu. Tuy nhiên, điện tích của các hạt nhân lần lượt tăng một và là +58, +59, +60. Điều này có nghĩa là lực hút các electron của các lớp vỏ bên trong lên hạt nhân mang điện tích dương tăng lên. Kết quả là, bán kính nguyên tử giảm. Trong hợp chất ion của kim loại, khi số nguyên tử tăng lên thì bán kính ion cũng giảm theo. Những thay đổi tương tự cũng được quan sát thấy trong các phần tử của họ hải quỳ. Đó là lý do tại sao các lanthanides và actinides được gọi là cặp song sinh. Trước hết, sự giảm bán kính của các ion dẫn đến sự suy yếu tính chất cơ bản của các hydroxit Ce (OH)3, Pr (OH)3thuộc tính.
Việc lấp đầy phân tầng 4f với các điện tử chưa ghép đôi lên đến một nửa số obitan của nguyên tử europium dẫn đến kết quả bất ngờ. Bán kính nguyên tử của nó không giảm mà ngược lại, tăng lên. Gadolinium, theo sau nó trong chuỗi các lanthanide, có một điện tử trong cấp độ 4f ở cấp độ phân chia lại 5d, tương tự như Eu. Cấu trúc này gây ra sự giảm đột ngột bán kính của nguyên tử gadolinium. Hiện tượng tương tự cũng được quan sát thấy ở một cặp ytterbium - lutetium. Đối với nguyên tố đầu tiên, bán kính nguyên tử lớn do sự lấp đầy hoàn toàn của cấp độ 4f, trong khi đối với luteti, nó giảm đột ngột, vì sự xuất hiện của các electron được quan sát thấy ở cấp độ 5d. Trong actini và các nguyên tố phóng xạ khác thuộc họ này, bán kính của các nguyên tử và ion của chúng không thay đổi một cách đơn điệu, nhưng giống như các lantan, bán kính theo từng bước. Do đó, đèn lồng vàchất hoạt hóa là những nguyên tố mà các đặc tính của hợp chất của chúng tương quan phụ thuộc vào bán kính ion và cấu trúc của lớp vỏ electron của nguyên tử.
Trạng thái giá trị
Lanthanides và actinides là những nguyên tố có đặc điểm khá giống nhau. Đặc biệt, điều này liên quan đến trạng thái oxy hóa của chúng trong các ion và hóa trị của nguyên tử. Ví dụ, thori và protactinium, thể hiện hóa trị ba, trong các hợp chất Th (OH)3, PaCl3, ThF 3, Pa2(CO3 )3.Tất cả những chất này đều không hòa tan và có cùng tính chất hóa học với các kim loại thuộc họ Lantan: xeri, praseodymium, neodymium, v.v. Lantan trong các hợp chất này cũng sẽ có hóa trị ba. Những ví dụ này một lần nữa chứng minh cho chúng ta thấy tính đúng đắn của tuyên bố rằng lanthanides và actinides là anh em sinh đôi. Chúng có các tính chất vật lý và hóa học tương tự nhau. Điều này có thể được giải thích chủ yếu bởi cấu trúc của các obitan electron của nguyên tử của cả hai họ nguyên tố chuyển tiếp bên trong.
Tính chất kim loại
Tất cả các đại diện của cả hai nhóm đều là kim loại, trong đó các cấp 4f-, 5f- và d-sublevel đã được hoàn thành. Lantan và các nguyên tố thuộc họ của nó được gọi là đất hiếm. Các đặc điểm vật lý và hóa học của chúng rất gần nhau nên chúng được tách biệt riêng biệt trong điều kiện phòng thí nghiệm rất khó khăn. Hầu hết thường thể hiện trạng thái oxi hóa +3, các nguyên tố của dãy Lantan có nhiều điểm tương đồng với các kim loại kiềm thổ (bari, canxi, stronti). Actinid cũng là kim loại cực kỳ hoạt động và cũng có tính phóng xạ.
Các đặc điểm cấu trúc của lantan và actinide cũng liên quan đến các đặc tính như, ví dụ, pyrophoricity ở trạng thái phân tán mịn. Sự giảm kích thước của các mạng tinh thể hướng tâm của kim loại cũng được quan sát thấy. Chúng tôi nói thêm rằng tất cả các nguyên tố hóa học của cả hai họ đều là kim loại có ánh bạc, do khả năng phản ứng cao nên chúng nhanh chóng bị sẫm màu trong không khí. Chúng được bao phủ bởi một lớp màng oxit tương ứng, có tác dụng bảo vệ khỏi quá trình oxi hóa tiếp tục. Tất cả các nguyên tố đều đủ chịu lửa, ngoại trừ neptunium và plutonium, có nhiệt độ nóng chảy dưới 1000 ° C.
Phản ứng hóa học đặc trưng
Như đã lưu ý trước đó, lanthanides và actinides là những kim loại phản ứng. Vì vậy, lantan, xeri và các nguyên tố khác của họ dễ dàng kết hợp với các chất đơn giản - halogen, cũng như với phốt pho, cacbon. Các đèn lồng cũng có thể tương tác với cả carbon monoxide và carbon dioxide. Chúng cũng có khả năng phân hủy nước. Ngoài các muối đơn giản, chẳng hạn như SeCl3hoặc PrF3, chúng tạo thành muối kép. Trong hóa học phân tích, phản ứng của các kim loại lantan với axit aminoaxetic và xitric chiếm một vị trí quan trọng. Các hợp chất phức tạp được hình thành do kết quả của các quá trình như vậy được sử dụng để tách hỗn hợp các lantan, ví dụ, trong quặng.
Khi tương tác với axit nitrat, clorua và sunfat, kim loạitạo thành các muối tương ứng. Chúng có khả năng hòa tan cao trong nước và dễ dàng tạo thành các hyđrat kết tinh. Cần lưu ý rằng dung dịch nước của muối lantan có màu, điều này được giải thích là do sự hiện diện của các ion tương ứng trong chúng. Dung dịch của muối samari hoặc praseodymi có màu xanh lục, neodymi - tím đỏ, promethium và europium - hồng. Vì các ion có trạng thái ôxi hóa +3 có màu, điều này được sử dụng trong hóa học phân tích để nhận ra các ion kim loại Lantan (được gọi là phản ứng định tính). Với mục đích tương tự, các phương pháp phân tích hóa học như kết tinh phân đoạn và sắc ký trao đổi ion cũng được sử dụng.
Actinides có thể được chia thành hai nhóm nguyên tố. Đó là berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium và uranium, neptunium, plutonium, omercium. Các tính chất hóa học của chất đầu tiên trong số này tương tự như lantan và các kim loại từ họ của nó. Các nguyên tố của nhóm thứ hai có đặc điểm hóa học rất giống nhau (gần như giống hệt nhau). Tất cả các actinides đều nhanh chóng tương tác với các phi kim loại: lưu huỳnh, nitơ, cacbon. Chúng tạo thành những hợp chất phức tạp với những huyền thoại chứa oxy. Như chúng ta có thể thấy, các kim loại của cả hai họ gần nhau về hành vi hóa học. Đây là lý do tại sao các lantan và actinide thường được gọi là hai kim loại.
Vị trí trong hệ thống tuần hoàn của hydro, lanthanides, actinides
Cần phải tính đến thực tế rằng hydro là một chất phản ứng khá mạnh. Nó biểu hiện ra sao tùy thuộc vào điều kiện của phản ứng hóa học: vừa là chất khử, vừa là chất oxi hóa. Đó là lý do tại sao trong hệ thống tuần hoànhydro nằm đồng thời trong các phân nhóm chính của hai nhóm cùng một lúc.
Đầu tiên, hydro đóng vai trò là chất khử, giống như các kim loại kiềm nằm ở đây. Vị trí của hydro trong nhóm thứ 7, cùng với các nguyên tố halogen, cho thấy khả năng khử của nó. Trong thời kỳ thứ sáu, như đã nói, họ đèn lồng được đặt, được đặt thành một hàng riêng biệt để tạo sự thuận tiện và gọn gàng cho chiếc bàn. Chu kỳ thứ bảy chứa một nhóm các nguyên tố phóng xạ có đặc điểm tương tự như actini. Actinid nằm ngoài bảng các nguyên tố hóa học của D. I. Mendeleev dưới hàng thuộc họ Lantan. Những nguyên tố này ít được nghiên cứu nhất, vì hạt nhân của các nguyên tử của chúng rất không ổn định do phóng xạ. Hãy nhớ lại rằng lanthanides và actinides là những nguyên tố chuyển tiếp bên trong và các đặc điểm hóa lý của chúng rất gần nhau.
Các phương pháp chung để sản xuất kim loại trong công nghiệp
Ngoại trừ thori, protactinium và uranium, được khai thác trực tiếp từ quặng, phần còn lại của actinides có thể thu được bằng cách chiếu xạ các mẫu uranium kim loại với các dòng neutron chuyển động nhanh. Ở quy mô công nghiệp, neptunium và plutonium được khai thác từ nhiên liệu đã qua sử dụng từ các lò phản ứng hạt nhân. Lưu ý rằng việc sản xuất actinides là một quá trình khá phức tạp và tốn kém, các phương pháp chính là trao đổi ion và chiết xuất nhiều tầng. Lanthanides, được gọi là nguyên tố đất hiếm, thu được bằng cách điện phân clorua hoặc florua của chúng. Phương pháp nhiệt luyện kim loại được sử dụng để chiết xuất đèn lồng siêu tinh khiết.
Nơi các yếu tố chuyển tiếp nội bộ được sử dụng
Phạm vi sử dụng của các kim loại mà chúng tôi nghiên cứu là khá rộng. Đối với họ hải quỳ, đây trước hết là vũ khí hạt nhân và năng lượng. Actinid cũng rất quan trọng trong y học, phát hiện lỗ hổng và phân tích hoạt hóa. Không thể bỏ qua việc sử dụng các lantan và actini làm nguồn thu neutron trong các lò phản ứng hạt nhân. Lanthanides cũng được sử dụng làm chất bổ sung hợp kim cho gang và thép, cũng như trong sản xuất phốt pho.
Lan tỏa trong tự nhiên
Oxit của actinides và lanthanides thường được gọi là đất zirconium, thorium, yttrium. Chúng là nguồn chính để thu được các kim loại tương ứng. Uranium, đại diện chính của actinides, được tìm thấy ở lớp ngoài của thạch quyển dưới dạng bốn loại quặng hoặc khoáng chất. Trước hết, đó là uranium pitch, là uranium dioxide. Nó có hàm lượng kim loại cao nhất. Thường thì uranium dioxide đi kèm với cặn radium (tĩnh mạch). Chúng được tìm thấy ở Canada, Pháp, Zaire. Phức hợp của quặng thori và uranium thường chứa quặng kim loại có giá trị khác, chẳng hạn như vàng hoặc bạc.
Trữ lượng các nguyên liệu thô như vậy rất phong phú ở Nga, Nam Phi, Canada và Úc. Một số đá trầm tích có chứa khoáng vật carnotit. Ngoài uranium, nó còn chứa vanadi. Thứ tưloại nguyên liệu thô uranium là quặng photphat và đá phiến sắt-uranium. Các khu bảo tồn của chúng nằm ở Maroc, Thụy Điển và Hoa Kỳ. Hiện tại, các mỏ than non và than có chứa tạp chất uranium cũng được coi là có triển vọng. Chúng được khai thác ở Tây Ban Nha, Cộng hòa Séc và cả ở hai bang của Hoa Kỳ - Bắc và Nam Dakota.
