كل عنصر من العناصر الكيميائية المعروضة في قذائف الأرض: الغلاف الجوي والغلاف الصخري والغلاف المائي - يمكن أن يكون بمثابة مثال حي ، يؤكد الأهمية الأساسية للنظرية الذرية والجزيئية والقانون الدوري. لقد تم صياغتها من قبل النجوم البارزين في العلوم الطبيعية - العلماء الروس M. V. Lomonosov و D. I Mendeleev. اللانثانيدات والأكتينيدات هما عائلتان تحتوي كل منهما على 14 عنصرًا كيميائيًا ، بالإضافة إلى المعادن نفسها - اللانثانم والأكتينيوم. سننظر في خصائصها - الفيزيائية والكيميائية - من قبلنا في هذه الورقة. بالإضافة إلى ذلك ، سنحدد كيف يعتمد الموضع في النظام الدوري للهيدروجين واللانثانيدات والأكتينيدات على بنية المدارات الإلكترونية لذراتهم.
تاريخ الاكتشاف
في نهاية القرن الثامن عشر ، حصل Y. Gadolin على أول مركب من مجموعة المعادن الأرضية النادرة - أكسيد الإيتريوم. حتى بداية القرن العشرين ، وبفضل البحث الذي أجراه G. Moseley في الكيمياء ، أصبح معروفًا بوجود مجموعة من المعادن. كانت موجودة في النظام الدوري بين اللانثانم والهافنيوم. عنصر كيميائي آخر - الأكتينيوم ، مثل اللانثانم ، يشكل عائلة مكونة من 14 مادة مشعةالعناصر الكيميائية تسمى الأكتينيدات. تم اكتشافهم في العلم من عام 1879 إلى منتصف القرن العشرين. لدى اللانثانيدات والأكتينيدات الكثير من أوجه التشابه في كل من الخواص الفيزيائية والكيميائية. يمكن تفسير ذلك من خلال ترتيب الإلكترونات في ذرات هذه المعادن ، والتي تكون عند مستويات الطاقة ، أي بالنسبة إلى اللانثانيدات ، هذا هو المستوى الرابع من المستوى الفرعي f ، وبالنسبة للأكتينيدات - المستوى الخامس من المستوى الفرعي. بعد ذلك ، سننظر في غلاف الإلكترون لذرات المعادن المذكورة أعلاه بمزيد من التفصيل.
تركيب العناصر الانتقالية الداخلية في ضوء التعاليم الذرية والجزيئية
كان الاكتشاف البارز لبنية المواد الكيميائية بواسطة MV Lomonosov أساسًا لمزيد من الدراسة لقذائف الإلكترون للذرات. نموذج رذرفورد لهيكل جسيم أولي لعنصر كيميائي ، سمحت دراسات إم بلانك ، إف. جوند للكيميائيين بالعثور على التفسير الصحيح للأنماط الحالية للتغيرات الدورية في الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تميز اللانثانيدات والأكتينيدات. من المستحيل تجاهل الدور الأكثر أهمية للقانون الدوري لـ D. I Mendeleev في دراسة بنية ذرات العناصر الانتقالية. دعونا نتناول هذه المسألة بمزيد من التفصيل.
مكان عناصر الانتقال الداخلي في الجدول الدوري لـ D. I. Mendeleev
في المجموعة الثالثة من الفترة السادسة - الأكبر - خلف اللانثانم توجد عائلة من المعادن تتراوح من السيريوم إلى اللوتيتيوم. المستوى الفرعي 4f لذرة اللانثانم فارغ ، بينما تمتلئ ذرة اللوتيتيوم تمامًا بالرابع 14الإلكترونات. تملأ العناصر الموجودة بينهما تدريجيًا المدارات f. في عائلة الأكتينيدات - من الثوريوم إلى اللورنسيوم - لوحظ نفس مبدأ تراكم الجسيمات سالبة الشحنة مع الاختلاف الوحيد: يحدث الملء بالإلكترونات عند المستوى الفرعي 5f. هيكل مستوى الطاقة الخارجية وعدد الجسيمات السالبة عليه (يساوي اثنين) هي نفسها لجميع المعادن المذكورة أعلاه. تجيب هذه الحقيقة على السؤال عن سبب تشابه اللانثانيدات والأكتينيدات ، المسماة عناصر الانتقال الداخلية.
في بعض مصادر الأدبيات الكيميائية ، يتم دمج ممثلي كلتا العائلتين في مجموعات فرعية ثانوية. تحتوي على معدنين من كل عائلة. في الشكل المختصر للنظام الدوري للعناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev ، يتم فصل ممثلي هذه العائلات عن الجدول نفسه وترتيبهم في صفوف منفصلة. لذلك ، فإن موضع اللانثانيدات والأكتينيدات في النظام الدوري يتوافق مع الخطة العامة لهيكل الذرات وتواتر ملء المستويات الداخلية بالإلكترونات ، وتسبب وجود نفس حالات الأكسدة في ارتباط المعادن الانتقالية الداخلية في مجموعات مشتركة. في نفوسهم ، تحتوي العناصر الكيميائية على ميزات وخصائص تعادل اللانثانم أو الأكتينيوم. هذا هو السبب في إزالة اللانثانيدات والأكتينيدات من جدول العناصر الكيميائية.
كيف يؤثر التكوين الإلكتروني للمستوى الفرعي f على خصائص المعادن
كما قلنا سابقًا ، موضع اللانثانيدات والأكتينيدات في الدوريةيحدد النظام بشكل مباشر خصائصها الفيزيائية والكيميائية. وبالتالي ، فإن أيونات السيريوم والجادولينيوم وعناصر أخرى من عائلة اللانثانيد لها لحظات مغناطيسية عالية ، والتي ترتبط بالسمات الهيكلية للمستوى الفرعي f. هذا جعل من الممكن استخدام المعادن كمشوب للحصول على أشباه الموصلات ذات الخصائص المغناطيسية. تحتوي كبريتيدات عناصر عائلة الأكتينيوم (على سبيل المثال ، كبريتيد البروتكتينيوم والثوريوم) في تكوين جزيئاتها على نوع مختلط من الروابط الكيميائية: أيون - تساهمي أو فلز تساهمي. أدت ميزة الهيكل هذه إلى ظهور خاصية فيزيائية كيميائية جديدة وعملت كإجابة على السؤال عن سبب امتلاك اللانثانيدات والأكتينيدات لخصائص الإنارة. على سبيل المثال ، تتوهج عينة من شقائق النعمان الفضية في الظلام مع وهج مزرق. يفسر ذلك بفعل التيار الكهربائي ، فوتونات الضوء على أيونات المعادن ، تحت تأثير الذرات التي تثيرها ، والإلكترونات الموجودة فيها "تقفز" إلى مستويات طاقة أعلى ثم تعود إلى مداراتها الثابتة. ولهذا السبب يتم تصنيف اللانثانيدات والأكتينيدات على أنها فوسفور.
عواقب انخفاض نصف القطر الأيوني للذرات
في اللانثانم والأكتينيوم ، وكذلك في العناصر من عائلاتهم ، هناك انخفاض رتيب في قيمة مؤشرات نصف قطر أيونات المعادن. في الكيمياء ، في مثل هذه الحالات ، من المعتاد التحدث عن اللانثانيد وضغط الأكتينيد. في الكيمياء ، تم إنشاء النمط التالي: مع زيادة شحنة نواة الذرات ، إذا كانت العناصر تنتمي إلى نفس الفترة ، فإن نصف قطرها ينخفض. ويمكن تفسير ذلك على النحو التاليالطريقة: بالنسبة للمعادن مثل السيريوم ، البراسيوديميوم ، النيوديميوم ، فإن عدد مستويات الطاقة في ذراتها لم يتغير ويساوي ستة. ومع ذلك ، فإن شحنات النوى تزيد بمقدار واحد على التوالي وهي +58 ، +59 ، +60. هذا يعني أن قوة جذب إلكترونات الغلاف الداخلي للنواة موجبة الشحنة تزداد. نتيجة لذلك ، يتناقص نصف القطر الذري. في المركبات الأيونية للمعادن ، مع زيادة العدد الذري ، ينخفض أيضًا نصف القطر الأيوني. لوحظت تغييرات مماثلة في عناصر عائلة شقائق النعمان. هذا هو السبب في أن اللانثانيدات والأكتينيدات تسمى التوائم. يؤدي الانخفاض في نصف قطر الأيونات ، أولاً وقبل كل شيء ، إلى إضعاف الخصائص الأساسية للهيدروكسيدات Ce (OH)3، Pr (OH)3خصائص.
يؤدي ملء المستوى الفرعي 4f بإلكترونات غير متزاوجة حتى نصف مدارات ذرة اليوروبيوم إلى نتائج غير متوقعة. نصف قطرها الذري لا ينقص ، بل على العكس يزيد. يحتوي الجادولينيوم ، الذي يتبعه في سلسلة اللانثانيدات ، على إلكترون واحد في المستوى الفرعي 4f في المستوى الفرعي 5d ، على غرار الاتحاد الأوروبي. تسبب هذه البنية انخفاضًا مفاجئًا في نصف قطر ذرة الجادولينيوم. لوحظ ظاهرة مماثلة في زوج من اليتربيوم - اللوتيتيوم. بالنسبة للعنصر الأول ، يكون نصف القطر الذري كبيرًا بسبب الملء الكامل للمستوى الفرعي 4f ، بينما يتناقص بشكل مفاجئ بالنسبة إلى اللوتيتيوم ، نظرًا لأن ظهور الإلكترونات يُلاحظ عند المستوى الفرعي 5d. في الأكتينيوم والعناصر المشعة الأخرى من هذه العائلة ، لا يتغير أنصاف أقطار ذراتها وأيوناتها بشكل رتيب ، ولكن ، مثل اللانثانيدات ، يتم بشكل تدريجي. وهكذا ، فإن اللانثانيدات والأكتينيدات هي عناصر تعتمد خصائص مركباتها ارتباطًا وثيقًا على نصف القطر الأيوني وهيكل غلاف الإلكترون للذرات.
تنص التكافؤ
اللانثانيدات والأكتينيدات هي عناصر تتشابه خصائصها تمامًا. على وجه الخصوص ، يتعلق هذا بحالة الأكسدة في الأيونات وتكافؤ الذرات. على سبيل المثال ، الثوريوم والبروتكتينيوم ، اللذان يظهران تكافؤًا من ثلاثة ، في المركبات Th (OH)3، PaCl3، ThF 3 ، Pa2(CO3 )3.جميع هذه المواد غير قابلة للذوبان ولها نفس الخصائص الكيميائية مثل المعادن من عائلة اللانثانم: السيريوم ، البراسيوديميوم ، نيوديميوم ، إلخ. كما ستكون اللانثانيدات في هذه المركبات ثلاثية التكافؤ. تثبت لنا هذه الأمثلة مرة أخرى صحة العبارة القائلة بأن اللانثانيدات والأكتينيدات توأمان. لديهم خصائص فيزيائية وكيميائية متشابهة. يمكن تفسير ذلك بشكل أساسي من خلال بنية مدارات الإلكترون لذرات كلتا عائلتين من عناصر الانتقال الداخلية.
خصائص المعادن
جميع ممثلي كلتا المجموعتين من المعادن ، حيث يتم إكمال المستويات الفرعية 4f- و 5f- وكذلك d. تسمى اللانثانم وعناصر عائلتها بالأرض النادرة. خصائصها الفيزيائية والكيميائية متقاربة لدرجة أنه يتم فصلها بشكل منفصل في ظروف معملية بصعوبة كبيرة. غالبًا ما تظهر حالة الأكسدة +3 ، فإن عناصر سلسلة اللانثانم لها العديد من أوجه التشابه مع المعادن الأرضية القلوية (الباريوم والكالسيوم والسترونشيوم).الأكتينيدات هي أيضًا معادن نشطة للغاية ، وهي أيضًا مشعة.
ترتبط السمات الهيكلية لللانثانيدات والأكتينيدات أيضًا بخصائص مثل ، على سبيل المثال ، الاشتعال في حالة مشتتة بدقة. كما لوحظ انخفاض في حجم المشابك البلورية للمعادن المتمركزة على الوجه. نضيف أن جميع العناصر الكيميائية لكلتا العائلتين هي معادن ذات لمعان فضي ، نظرًا لتفاعلها العالي ، فإنها تتحول بسرعة إلى اللون الداكن في الهواء. وهي مغطاة بغشاء من الأكسيد المقابل ، الذي يحمي من المزيد من الأكسدة. جميع العناصر مقاومة للصهر بدرجة كافية ، باستثناء النبتونيوم والبلوتونيوم ، حيث تكون نقطة انصهارهما أقل بكثير من 1000 درجة مئوية.
التفاعلات الكيميائية المميزة
كما ذكرنا سابقًا ، اللانثانيدات والأكتينيدات هي معادن تفاعلية. لذلك ، فإن اللانثانم والسيريوم وعناصر أخرى من الأسرة تتحد بسهولة مع المواد البسيطة - الهالوجينات ، وكذلك الفوسفور والكربون. يمكن أن تتفاعل اللانثانيدات أيضًا مع كل من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. هم أيضا قادرون على تحلل الماء. بالإضافة إلى الأملاح البسيطة ، مثل SeCl3أو PrF3، على سبيل المثال ، فإنها تشكل أملاحًا مزدوجة. في الكيمياء التحليلية ، تحتل تفاعلات معادن اللانثانيد مع الأحماض الأمينية والستريك مكانة مهمة. يتم استخدام المركبات المعقدة التي تشكلت نتيجة لهذه العمليات لفصل خليط من اللانثانيدات ، على سبيل المثال ، في الخامات.
عند التفاعل مع أحماض النترات والكلوريد والكبريتات والمعادنشكل الأملاح المقابلة. وهي شديدة الذوبان في الماء وقادرة بسهولة على تكوين هيدرات بلورية. وتجدر الإشارة إلى أن المحاليل المائية لأملاح اللانثانيدات ملونة ، وهو ما يفسره وجود الأيونات المقابلة فيها. محاليل الساماريوم أو أملاح البراسيوديميوم خضراء ، نيوديميوم - بنفسجي أحمر ، بروميثيوم ويوروبيوم - وردي. نظرًا لأن الأيونات ذات حالة الأكسدة +3 ملونة ، يتم استخدام هذا في الكيمياء التحليلية للتعرف على أيونات فلز اللانثانيد (ما يسمى بالتفاعلات النوعية). للغرض نفسه ، يتم أيضًا استخدام طرق التحليل الكيميائي مثل التبلور الجزئي وكروماتوغرافيا التبادل الأيوني.
يمكن تقسيم الأكتينيدات إلى مجموعتين من العناصر. هذه هي البركليوم ، الفيرميوم ، المندليفيوم ، النوبليوم ، اللورنسيوم واليورانيوم ، النبتونيوم ، البلوتونيوم ، أوميرسيوم. تشبه الخواص الكيميائية لأول من هؤلاء اللانثانم والمعادن من عائلتها. تتميز عناصر المجموعة الثانية بخصائص كيميائية متشابهة جدًا (متطابقة تقريبًا مع بعضها البعض). تتفاعل جميع الأكتينيدات بسرعة مع اللافلزات: الكبريت والنيتروجين والكربون. أنها تشكل مركبات معقدة مع أساطير تحتوي على الأكسجين. كما نرى ، فإن معادن كلتا العائلتين قريبة من بعضها البعض في السلوك الكيميائي. هذا هو السبب في أن اللانثانيدات والأكتينيدات غالبًا ما يشار إليها على أنها معادن مزدوجة.
الموقف في النظام الدوري للهيدروجين ، اللانثانيدات ، الأكتينيدات
من الضروري مراعاة حقيقة أن الهيدروجين مادة تفاعلية إلى حد ما. يتجلى اعتمادًا على ظروف التفاعل الكيميائي: كعامل اختزال وكعامل مؤكسد. هذا هو السبب في النظام الدورييقع الهيدروجين في وقت واحد في المجموعات الفرعية الرئيسية لمجموعتين في وقت واحد.
في البداية ، يلعب الهيدروجين دور عامل الاختزال ، مثل الفلزات القلوية الموجودة هنا. يشير مكان الهيدروجين في المجموعة السابعة ، إلى جانب عناصر الهالوجينات ، إلى قدرته على الاختزال. في الفترة السادسة ، كما ذكرنا سابقًا ، تم وضع عائلة اللانثانيد في صف منفصل لتوفير الراحة والاكتناز للجدول. الفترة السابعة تحتوي على مجموعة من العناصر المشعة مماثلة في خصائص الأكتينيوم. توجد الأكتينيدات خارج جدول العناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev تحت صف عائلة اللانثانم. هذه العناصر هي الأقل دراسة ، لأن نوى ذراتها غير مستقرة للغاية بسبب النشاط الإشعاعي. تذكر أن اللانثانيدات والأكتينيدات هي عناصر انتقالية داخلية ، وأن خصائصها الفيزيائية والكيميائية قريبة جدًا من بعضها البعض.
الطرق العامة لانتاج المعادن في الصناعة
باستثناء الثوريوم والبروتكتينيوم واليورانيوم ، والتي يتم استخراجها مباشرة من الخامات ، يمكن الحصول على بقية الأكتينيدات عن طريق تشعيع عينات من اليورانيوم المعدني بتيارات نيوترونية سريعة الحركة. على المستوى الصناعي ، يتم استخراج النبتونيوم والبلوتونيوم من الوقود المستهلك من المفاعلات النووية. لاحظ أن إنتاج الأكتينيدات عملية معقدة ومكلفة إلى حد ما ، والطرق الرئيسية لها هي التبادل الأيوني والاستخراج متعدد المراحل. يتم الحصول على اللانثانيدات ، التي تسمى العناصر الأرضية النادرة ، عن طريق التحليل الكهربائي لكلوريداتها أو الفلوريدات.يتم استخدام الطريقة المعدنية الحرارية لاستخراج اللانثانيدات عالية النقاء.
حيث يتم استخدام عناصر الانتقال الداخلي
نطاق استخدام المعادن التي ندرسها واسع جدًا. بالنسبة لعائلة شقائق النعمان ، هذا أولاً وقبل كل شيء الأسلحة النووية والطاقة. الأكتينيدات مهمة أيضًا في الطب واكتشاف الخلل وتحليل التنشيط. من المستحيل تجاهل استخدام اللانثانيدات والأكتينيدات كمصادر لالتقاط النيوترونات في المفاعلات النووية. تستخدم اللانثانيدات أيضًا كإضافات في صناعة السبائك للحديد الزهر والصلب ، وكذلك في إنتاج الفوسفور.
منتشر في الطبيعة
غالبًا ما تسمى أكاسيد الأكتينيدات واللانثانيدات بالزركونيوم والثوريوم وأتربة الإيتريوم. هم المصدر الرئيسي للحصول على المعادن المقابلة. يوجد اليورانيوم ، باعتباره الممثل الرئيسي للأكتينيدات ، في الطبقة الخارجية للغلاف الصخري في شكل أربعة أنواع من الخامات أو المعادن. بادئ ذي بدء ، إنها طبقة اليورانيوم ، وهي ثاني أكسيد اليورانيوم. يحتوي على أعلى محتوى معدني. غالبًا ما يكون ثاني أكسيد اليورانيوم مصحوبًا بترسبات الراديوم (الأوردة). تم العثور عليها في كندا وفرنسا وزائير. غالبًا ما تحتوي مجمعات خامات الثوريوم واليورانيوم على خامات من معادن ثمينة أخرى ، مثل الذهب أو الفضة.
احتياطيات هذه المواد الخام غنية في روسيا وجنوب إفريقيا وكندا وأستراليا. تحتوي بعض الصخور الرسوبية على معدن الكارنيت. بالإضافة إلى اليورانيوم ، فإنه يحتوي أيضًا على الفاناديوم. الرابعةنوع المواد الخام اليورانيوم هو خامات الفوسفات وصخور اليورانيوم والحديد. وتقع احتياطياتهم في المغرب والسويد والولايات المتحدة الأمريكية. في الوقت الحاضر ، تعتبر رواسب الليغنيت والفحم المحتوي على شوائب اليورانيوم واعدة أيضًا. يتم تعدينهم في إسبانيا وجمهورية التشيك وأيضًا في ولايتين أمريكيتين - شمال وجنوب داكوتا.
