כל אחד מהיסודות הכימיים המוצגים בקונכיות כדור הארץ: האטמוספירה, הליתוספירה וההידרוספרה - יכולים לשמש דוגמה חיה, המאששת את החשיבות הבסיסית של התיאוריה האטומית והמולקולרית והחוק המחזורי. הם נוסחו על ידי המאורות של מדעי הטבע - המדענים הרוסים M. V. Lomonosov ו-D. I. Mendeleev. לנתנידים ואקטינידים הם שתי משפחות המכילות 14 יסודות כימיים כל אחת, וכן את המתכות עצמן – לנתנום ואקטיניום. תכונותיהם - הן הפיזיקליות והן הכימיות - ייבחנו על ידינו במאמר זה. בנוסף, נקבע כיצד המיקום במערכת המחזורית של מימן, לנתנידים, אקטינידים תלוי במבנה האורביטלים האלקטרוניים של האטומים שלהם.
היסטוריית גילוי
בסוף המאה ה-18 השיג י' גדולין את התרכובת הראשונה מקבוצת מתכות האדמה הנדירות - תחמוצת איטריום. עד תחילת המאה ה-20, הודות למחקריו של ג'י מוסלי בכימיה, נודע על קיומה של קבוצת מתכות. הם היו ממוקמים במערכת המחזורית בין לנתנום להפניום. יסוד כימי נוסף - אקטניום, כמו לנתנום, יוצר משפחה של 14 רדיואקטיבייםיסודות כימיים הנקראים אקטינידים. גילוים במדע התרחש משנת 1879 ועד אמצע המאה ה-20. ללנתנידים ואקטינידים יש הרבה קווי דמיון הן בתכונות הפיזיקליות והן בתכונות הכימיות. ניתן להסביר זאת על ידי סידור האלקטרונים באטומים של מתכות אלו, הנמצאים ברמות אנרגיה, כלומר, עבור lanthanides זוהי תת-הרמה הרביעית, ועבור האקטינידים - תת-הרמה החמישית. לאחר מכן, נשקול ביתר פירוט את קליפות האלקטרונים של האטומים של המתכות הנ ל.
המבנה של יסודות מעבר פנימיים לאור התורות האטומיות והמולקולריות
הגילוי הגאוני של מבנה הכימיקלים על ידי MV Lomonosov היה הבסיס למחקר נוסף של קונכיות האלקטרונים של אטומים. מודל רתרפורד למבנה של חלקיק אלמנטרי של יסוד כימי, מחקריהם של M. Planck, F. Gund אפשרו לכימאים למצוא את ההסבר הנכון לדפוסים הקיימים של שינויים תקופתיים בתכונות הפיזיקליות והכימיות המאפיינות לנטאנידים ואקטינידים. אי אפשר להתעלם מהתפקיד החשוב ביותר של החוק המחזורי של D. I. מנדלייב בחקר המבנה של אטומים של יסודות מעבר. הבה נתעכב על סוגיה זו ביתר פירוט.
מקום של רכיבי מעבר פנימיים בטבלה המחזורית של D. I. Mendeleev
בקבוצה השלישית של התקופה השישית - גדולה יותר - מאחורי הלנתנום נמצאת משפחה של מתכות הנעה בין צריום ללוטטיום כולל. תת-רמת 4f של אטום הלנתנום ריקה, בעוד שאטום הלוטטיום מלא לחלוטין ב-14אלקטרונים. היסודות הממוקמים ביניהם ממלאים בהדרגה f-orbitals. במשפחת האקטינידים - מתוריום ועד לורנציום - נצפה אותו עיקרון של הצטברות של חלקיקים בעלי מטען שלילי עם ההבדל היחיד: מילוי באלקטרונים מתרחש בתת-רמת 5f. מבנה רמת האנרגיה החיצונית ומספר החלקיקים השליליים עליה (שווה לשניים) זהים עבור כל המתכות הנ ל. עובדה זו עונה על השאלה מדוע יש קווי דמיון רבים ללנתנידים ולאקטינידים, הנקראים יסודות מעבר פנימיים.
בחלק מהמקורות של ספרות כימית, נציגי שתי המשפחות משולבים לתת-קבוצות צד שני. הם מכילים שתי מתכות מכל משפחה. בצורה הקצרה של המערכת המחזורית של יסודות כימיים של D. I. מנדלייב, נציגי המשפחות הללו מופרדים מהטבלה עצמה ומסודרים בשורות נפרדות. לכן, מיקומם של lanthanides ו-actinides במערכת המחזורית מתאים לתכנית הכללית של מבנה האטומים ולמחזוריות של מילוי רמות פנימיות באלקטרונים, ונוכחותם של אותם מצבי חמצון גרמה לשיוך של מתכות מעבר פנימיות לקבוצות משותפות.. בהם, ליסודות כימיים יש תכונות ותכונות שוות ערך ללנתנום או לאקטיניום. זו הסיבה שהלנטאנידים והאקטינידים מוסרים מטבלת היסודות הכימיים.
איך התצורה האלקטרונית של תת-ה-f משפיעה על המאפיינים של מתכות
כפי שאמרנו קודם, המיקום של lanthanides ו actinides במחזורהמערכת קובעת ישירות את המאפיינים הפיזיים והכימיים שלהם. לפיכך, ליונים של צריום, גדוליניום ואלמנטים אחרים ממשפחת הלנתנידים יש מומנטים מגנטיים גבוהים, הקשורים למאפיינים מבניים של תת-ה-f. זה איפשר להשתמש במתכות כחומרי דופן כדי להשיג מוליכים למחצה בעלי תכונות מגנטיות. לסולפידים של יסודות ממשפחת האקטיניום (לדוגמה, גופרית של פרוטקטניום, תוריום) בהרכב המולקולות שלהם יש סוג מעורב של קשר כימי: יוני-קוולנטי או מתכת-קוולנטית. תכונה זו של המבנה הובילה להופעתה של תכונה פיזיקוכימית חדשה ושימשה תשובה לשאלה מדוע ללנתנידים ואקטינידים יש תכונות זוהרות. לדוגמה, דגימה של כלנית כסופה בחושך זוהרת בזוהר כחלחל. זה מוסבר על ידי פעולת הזרם החשמלי, פוטונים של אור על יוני מתכת, שבהשפעת אטומים מתרגשים, והאלקטרונים שבהם "קופצים" לרמות אנרגיה גבוהות יותר ואז חוזרים למסלוליהם הנייחים. מסיבה זו, לנטאנידים ואקטינידים מסווגים כזרחנים.
השלכות של הקטנת הרדיוסים היוניים של אטומים
בלנתנום ואקטיניום, כמו גם ביסודות ממשפחותיהם, חלה ירידה מונוטונית בערך האינדיקטורים של רדיוסים של יוני מתכת. בכימיה, במקרים כאלה נהוג לדבר על דחיסה של לנתניד ואקטיניד. בכימיה, התבנית הבאה נקבעה: עם עלייה במטען של גרעין האטומים, אם היסודות שייכים לאותה תקופה, הרדיוסים שלהם יורדים. ניתן להסביר זאת באופן הבאדרך: עבור מתכות כמו צריום, פרסאודימיום, ניאודימיום, מספר רמות האנרגיה באטומים שלהם אינו משתנה ושווה לשש. עם זאת, המטענים של הגרעינים גדלים באחד בהתאמה והם +58, +59, +60. המשמעות היא שכוח המשיכה של האלקטרונים של הקליפות הפנימיות לגרעין הטעון חיובי גדל. כתוצאה מכך, הרדיוסים האטומיים יורדים. בתרכובות יוניות של מתכות, עם עלייה במספר האטומי, יורדים גם הרדיוסים היוניים. שינויים דומים נצפים באלמנטים של משפחת הכלניות. זו הסיבה שהלנתנידים והאקטינידים נקראים תאומים. ירידה ברדיוסים של יונים מובילה קודם כל להיחלשות התכונות הבסיסיות של ההידרוקסידים Ce(OH)3, Pr(OH)3 נכסים.
מילוי תת-רמת ה-4f באלקטרונים לא מזווגים עד מחצית מהאורביטלים של אטום הארופיום מוביל לתוצאות בלתי צפויות. הרדיוס האטומי שלו אינו פוחת, אלא להיפך, עולה. ל-Gdolinium, העוקב אחריו בסדרת lanthanides, יש אלקטרון אחד בתת-רמת 4f בתת-רמה 5d, בדומה ל-EU. מבנה זה גורם לירידה פתאומית ברדיוס של אטום גדוליניום. תופעה דומה נצפית בזוג איטרביום - לוטציום. עבור היסוד הראשון, הרדיוס האטומי גדול בשל המילוי המלא של תת-הרמה 4f, בעוד שללוטטיום הוא יורד בפתאומיות, שכן הופעת האלקטרונים נצפית בתת-רמת ה-5d. באקטיניום וביסודות רדיואקטיביים אחרים ממשפחה זו, הרדיוסים של האטומים והיונים שלהם אינם משתנים באופן מונוטוני, אלא, כמו הלנתנידים, בשלבים. לפיכך, ה-lanthanides ואקטינידים הם יסודות שתכונות התרכובות שלהם תלויות באופן קורלטיבי ברדיוס היוני ובמבנה של קליפות האלקטרונים של האטומים.
מדינת ולנס
לנתאנידים ואקטינידים הם יסודות שמאפיינים די דומים. בפרט, זה נוגע למצבי החמצון שלהם ביונים ולערכיות של אטומים. לדוגמה, תוריום ופרוטקטיניום, המציגים ערכיות של שלוש, בתרכובות Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. כל החומרים הללו אינם מסיסים ובעלי אותן תכונות כימיות כמו המתכות ממשפחת הלנתנום: צריום, פרסאודימיום, ניאודימיום וכו'. גם הלנתאנידים בתרכובות אלו יהיו טריוולנטיים. דוגמאות אלו מוכיחות לנו שוב את נכונות האמירה שלנטאנידים ואקטינידים הם תאומים. יש להם תכונות פיזיקליות וכימיות דומות. ניתן להסביר זאת בעיקר על ידי המבנה של אורביטלי האלקטרונים של האטומים של שתי המשפחות של יסודות המעבר הפנימיים.
נכסי מתכת
כל הנציגים של שתי הקבוצות הם מתכות, שבהן הושלמו תת-רמות 4f-, 5f- וגם d-. לנתנום ומרכיבי משפחתו נקראים אדמה נדירה. המאפיינים הפיזיים והכימיים שלהם כה קרובים עד שהם מופרדים בנפרד בתנאי מעבדה בקושי רב. לרוב מציגים מצב חמצון של +3, ליסודות סדרת הלנתנום יש קווי דמיון רבים עם מתכות אדמה אלקליות (בריום, סידן, סטרונציום).אקטינידים הם גם מתכות פעילות במיוחד, והם גם רדיואקטיביים.
המאפיינים המבניים של לנתנידים ואקטינידים מתייחסים גם לתכונות כגון, למשל, פירופוריות במצב מפוזר דק. נצפתה גם ירידה בגודלם של סריגי הגביש של מתכות במרכז הפנים. נוסיף כי כל היסודות הכימיים של שתי המשפחות הם מתכות בעלות ברק כסוף, בשל תגובתיותן הגבוהה, הן מתכהות במהירות באוויר. הם מכוסים בסרט של התחמוצת המתאימה, אשר מגן מפני חמצון נוסף. כל היסודות חסינים מספיק, למעט נפטניום ופלוטוניום, שנקודת ההיתוך שלהם היא הרבה מתחת ל-1000 מעלות צלזיוס.
תגובות כימיות אופייניות
כפי שצוין קודם לכן, לנטאנידים ואקטינידים הם מתכות תגובתיות. אז, לנתנום, צריום ואלמנטים אחרים של המשפחה לשלב בקלות עם חומרים פשוטים - הלוגנים, כמו גם עם זרחן, פחמן. הלנתנידים יכולים גם לקיים אינטראקציה עם פחמן חד חמצני ופחמן דו חמצני. הם גם מסוגלים לפרק מים. בנוסף למלחים פשוטים, כמו למשל SeCl3 או PrF3, הם יוצרים מלחים כפולים. בכימיה אנליטית, תגובות של מתכות lanthanide עם חומצות aminoacetic ולימון תופסות מקום חשוב. התרכובות המורכבות שנוצרות כתוצאה מתהליכים כאלה משמשות להפרדת תערובת של לנטאנידים, למשל, בעפרות.
בעת אינטראקציה עם חומצות חנקה, כלוריד וסולפט, מתכותיוצרים את המלחים המתאימים. הם מסיסים מאוד במים ומסוגלים בקלות ליצור הידרטים גבישיים. יש לציין כי תמיסות מימיות של מלחי לנתניד צבעוניות, מה שמוסבר על ידי נוכחות היונים המתאימים בהם. תמיסות של מלחי סמריום או פרסאודימיום הם ירוקים, ניאודימיום - אדום-סגול, פרומתיום ואירופיום - ורוד. מכיוון שיונים עם מצב חמצון של +3 הם צבעוניים, זה משמש בכימיה אנליטית כדי לזהות יוני מתכת lanthanide (מה שנקרא תגובות איכותיות). לאותה מטרה, נעשה שימוש גם בשיטות ניתוח כימי כגון התגבשות חלקית וכרומטוגרפיה של חילופי יונים.
ניתן לחלק את האקטינידים לשתי קבוצות של יסודות. אלו הם ברקליום, פרמיום, מנדלביום, נובליום, לורניום ואורניום, נפטון, פלוטוניום, אומרציום. התכונות הכימיות של הראשון שבהם דומות ללנתנום ולמתכות ממשפחתו. ליסודות הקבוצה השנייה מאפיינים כימיים דומים מאוד (כמעט זהים זה לזה). כל האקטינידים מתקשרים במהירות עם לא-מתכות: גופרית, חנקן, פחמן. הם יוצרים תרכובות מורכבות עם אגדות המכילות חמצן. כפי שאנו יכולים לראות, המתכות של שתי המשפחות קרובות זו לזו בהתנהגות כימית. זו הסיבה שהלנתאנידים והאקטינידים מכונים לעתים קרובות מתכות תאומות.
מיקום במערכת המחזורית של מימן, לנתנידים, אקטינידים
יש צורך לקחת בחשבון את העובדה שמימן הוא חומר די תגובתי. הוא מתבטא בהתאם לתנאי התגובה הכימית: הן כחומר מפחית והן כחומר מחמצן. לכן במערכת המחזוריתמימן ממוקם בו-זמנית בתת-הקבוצות הראשיות של שתי קבוצות בו-זמנית.
בראשון, מימן ממלא את התפקיד של חומר מפחית, כמו המתכות האלקליות שנמצאות כאן. מקומו של המימן בקבוצה ה-7, יחד עם היסודות הלוגנים, מעידים על יכולת ההפחתה שלו. בתקופה השישית, כפי שכבר הוזכר, ממוקמת משפחת lanthanide, ממוקמת בשורה נפרדת לנוחות וקומפקטי השולחן. התקופה השביעית מכילה קבוצה של יסודות רדיואקטיביים הדומים במאפיינים לאקטיניום. האקטינידים ממוקמים מחוץ לטבלת היסודות הכימיים של D. I. מנדלייב מתחת לשורה של משפחת הלנתנום. יסודות אלה הם הפחות נחקרים, שכן גרעיני האטומים שלהם מאוד לא יציבים בגלל רדיואקטיביות. נזכיר שלנטאנידים ואקטינידים הם יסודות מעבר פנימיים, והמאפיינים הפיזיקו-כימיים שלהם קרובים מאוד זה לזה.
שיטות כלליות לייצור מתכות בתעשייה
למעט תוריום, פרוטקטיניום ואורניום, הנכרים ישירות מעפרות, ניתן להשיג את שאר האקטינידים על ידי הקרנת דגימות של אורניום מתכתי עם זרמי נויטרונים הנעים במהירות. בקנה מידה תעשייתי, נפטניום ופלוטוניום נכרים מדלק מושקע מכורים גרעיניים. שימו לב שייצור האקטינידים הוא תהליך מסובך ויקר למדי, ששיטותיו העיקריות הן חילופי יונים וחילוץ רב-שלבי. לנתנידים, הנקראים יסודות אדמה נדירים, מתקבלים על ידי אלקטרוליזה של הכלורידים או הפלואורידים שלהם.השיטה המטאלותרמית משמשת להפקת לנטאנידים טהורים במיוחד.
היכן נעשה שימוש ברכיבי מעבר פנימיים
טווח השימוש במתכות שאנו חוקרים הוא די רחב. עבור משפחת הכלניות, מדובר קודם כל בנשק ואנרגיה גרעיניים. אקטינידים חשובים גם ברפואה, זיהוי פגמים וניתוח הפעלה. אי אפשר להתעלם מהשימוש בלנתנידים ואקטינידים כמקורות לכידת נויטרונים בכורים גרעיניים. לנתנידים משמשים גם כתוספות סגסוגות לברזל יצוק ולפלדה, וכן בייצור זרחנים.
פזר בטבע
תחמוצות של אקטינידים ולנתנידים נקראים לעתים קרובות זירקוניום, תוריום, אדמה איטריום. הם המקור העיקרי להשגת המתכות המתאימות. אורניום, כנציג העיקרי של האקטינידים, נמצא בשכבה החיצונית של הליתוספירה בצורה של ארבעה סוגים של עפרות או מינרלים. קודם כל, זה זפת אורניום, שהוא אורניום דו חמצני. יש לו את תכולת המתכת הגבוהה ביותר. לעתים קרובות אורניום דו חמצני מלווה במשקעי רדיום (ורידים). הם נמצאים בקנדה, צרפת, זאיר. קומפלקסים של עפרות תוריום ואורניום מכילים לרוב עפרות של מתכות יקרות ערך אחרות, כגון זהב או כסף.
העתודות של חומרי גלם כאלה עשירות ברוסיה, דרום אפריקה, קנדה ואוסטרליה. כמה סלעי משקע מכילים את המינרל קרנוט. בנוסף לאורניום, הוא מכיל גם ונדיום. רביעיסוג חומרי הגלם של האורניום הוא עפרות פוספט ופצלי ברזל-אורניום. השמורות שלהם ממוקמות במרוקו, שבדיה וארה"ב. כיום, גם מרבצי ליגניט ופחם המכילים זיהומי אורניום נחשבים למבטיחים. הם נכרים בספרד, בצ'כיה, וגם בשתי מדינות בארה"ב - צפון ודרום דקוטה.
