Երկրի թաղանթներում ներկայացված քիմիական տարրերից յուրաքանչյուրը՝ մթնոլորտը, լիտոսֆերան և հիդրոսֆերան, կարող են վառ օրինակ ծառայել՝ հաստատելով ատոմային և մոլեկուլային տեսության և պարբերական օրենքի հիմնարար նշանակությունը։ Դրանք ձևակերպվել են բնական գիտության լուսատուների՝ ռուս գիտնականներ Մ. Վ. Լոմոնոսովի և Դ. Ի. Մենդելեևի կողմից։ Լանտանիդներն ու ակտինիդները երկու ընտանիքներ են, որոնք պարունակում են 14-ական քիմիական տարր, ինչպես նաև իրենք՝ մետաղները՝ լանթան և ակտինիում։ Նրանց հատկությունները` ֆիզիկական և քիմիական, կքննարկվեն մեր կողմից այս հոդվածում: Բացի այդ, մենք կհաստատենք, թե ինչպես է ջրածնի, լանթանիդների և ակտինիդների պարբերական համակարգում դիրքը կախված դրանց ատոմների էլեկտրոնային ուղեծրերի կառուցվածքից։
Հայտնաբերման պատմություն
18-րդ դարի վերջին Յ. Գադոլինը հազվագյուտ հողային մետաղների խմբից ստացավ առաջին միացությունը՝ իտրիումի օքսիդը։ Մինչև 20-րդ դարի սկիզբը Գ. Մոզելիի քիմիայում կատարած հետազոտությունների շնորհիվ հայտնի դարձավ մի խումբ մետաղների գոյության մասին։ Դրանք տեղակայված էին լանթանի և հաֆնիումի պարբերական համակարգում։ Մեկ այլ քիմիական տարր՝ ակտինիումը, ինչպես լանթանը, կազմում է 14 ռադիոակտիվ ընտանիքքիմիական տարրեր, որոնք կոչվում են ակտինիդներ: Գիտության մեջ նրանց հայտնագործությունը տեղի է ունեցել 1879 թվականից մինչև 20-րդ դարի կեսերը: Լանտանիդները և ակտինիդները շատ նմանություններ ունեն ինչպես ֆիզիկական, այնպես էլ քիմիական հատկություններով: Դա կարելի է բացատրել այս մետաղների ատոմներում էլեկտրոնների դասավորությամբ, որոնք գտնվում են էներգիայի մակարդակներում, մասնավորապես՝ լանթանիդների համար սա չորրորդ մակարդակի f-ենթահերթն է, իսկ ակտինիդների համար՝ հինգերորդ մակարդակի f-ենթահարկը: Հաջորդիվ մենք ավելի մանրամասն կքննարկենք վերը նշված մետաղների ատոմների էլեկտրոնային թաղանթները։
Ներքին անցումային տարրերի կառուցվածքը ատոմային և մոլեկուլային ուսմունքների լույսի ներքո
Մ. Վ. Լոմոնոսովի կողմից քիմիական նյութերի կառուցվածքի հնարամիտ հայտնագործությունը հիմք հանդիսացավ ատոմների էլեկտրոնային թաղանթների հետագա ուսումնասիրության համար: Քիմիական տարրի տարրական մասնիկի կառուցվածքի Ռադերֆորդի մոդելը, Մ. Պլանկի, Ֆ. Անհնար է անտեսել Դ. Ի. Մենդելեևի պարբերական օրենքի կարևորագույն դերը անցումային տարրերի ատոմների կառուցվածքի ուսումնասիրության մեջ։ Անդրադառնանք այս հարցին ավելի մանրամասն։
Ներքին անցումային տարրերի տեղը Դ. Ի. Մենդելեևի Պարբերական աղյուսակում
Վեցերորդ՝ ավելի մեծ ժամանակաշրջանի երրորդ խմբում, լանթանի հետևում կա մետաղների մի ընտանիք՝ ցերիումից մինչև լուտետիում ներառող: Լանթանի ատոմի 4f ենթամակարդակը դատարկ է, մինչդեռ լուտետիումի ատոմն ամբողջությամբ լցված է 14-րդով։էլեկտրոններ։ Նրանց միջև տեղակայված տարրերը աստիճանաբար լրացնում են f-օրբիտալները։ Ակտինիդների ընտանիքում՝ թորիումից մինչև լորենցիում, նկատվում է բացասական լիցքավորված մասնիկների կուտակման նույն սկզբունքը՝ միակ տարբերությամբ՝ էլեկտրոններով լիցքավորումը տեղի է ունենում 5f ենթամակարդակում։ Արտաքին էներգիայի մակարդակի կառուցվածքը և դրա վրա գտնվող բացասական մասնիկների քանակը (հավասար երկուսի) վերը նշված բոլոր մետաղների համար նույնն են։ Այս փաստը պատասխանում է այն հարցին, թե ինչու են լանտանիդներն ու ակտինիդները, որոնք կոչվում են ներքին անցումային տարրեր, շատ նմանություններ ունեն։
Քիմիական գրականության որոշ աղբյուրներում երկու ընտանիքների ներկայացուցիչները համակցված են երկրորդ կողմնակի ենթախմբերի մեջ: Նրանք պարունակում են յուրաքանչյուր ընտանիքից երկու մետաղ։ Դ. Ի. Մենդելեևի քիմիական տարրերի պարբերական համակարգի կարճ ձևով այս ընտանիքների ներկայացուցիչները առանձնացված են հենց աղյուսակից և դասավորված առանձին շարքերում: Հետևաբար, պարբերական համակարգում լանթանիդների և ակտինիդների դիրքը համապատասխանում է ատոմների կառուցվածքի ընդհանուր պլանին և ներքին մակարդակները էլեկտրոններով լցնելու պարբերականությանը, իսկ նույն օքսիդացման վիճակների առկայությունը պատճառ է դարձել ներքին անցումային մետաղների միավորումը ընդհանուր խմբերի։. Դրանցում քիմիական տարրերն ունեն լանթանի կամ ակտինիումին համարժեք հատկանիշներ և հատկություններ։ Այդ իսկ պատճառով լանթանիդներն ու ակտինիդները հանվում են քիմիական տարրերի աղյուսակից։
Ինչպես է f-ենթամակարդակի էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան ազդում մետաղների հատկությունների վրա
Ինչպես ավելի վաղ ասացինք, լանտանիդների և ակտինիդների դիրքը պարբերականհամակարգը ուղղակիորեն որոշում է դրանց ֆիզիկական և քիմիական բնութագրերը: Այսպիսով, ցերիումի, գադոլինիումի և լանտանիդների ընտանիքի այլ տարրերի իոններն ունեն բարձր մագնիսական մոմենտներ, ինչը կապված է f-ենթամակարդակի կառուցվածքային առանձնահատկությունների հետ։ Սա հնարավորություն է տվել մետաղները օգտագործել որպես ներծծող նյութ՝ մագնիսական հատկություններով կիսահաղորդիչներ ստանալու համար։ Ակտինիումի ընտանիքի տարրերի սուլֆիդները (օրինակ՝ պրոտակտինիումի սուլֆիդը, թորիումը) իրենց մոլեկուլների բաղադրության մեջ ունեն քիմիական կապի խառը տեսակ՝ իոն-կովալենտ կամ կովալենտ-մետաղ։ Կառուցվածքի այս առանձնահատկությունը հանգեցրեց նոր ֆիզիկաքիմիական հատկության առաջացմանը և ծառայեց որպես պատասխան այն հարցին, թե ինչու են լանթանիդները և ակտինիդները լուսարձակող հատկություններ: Օրինակ, անեմոնի նմուշը, որը մթության մեջ արծաթափայլ է, փայլում է կապտավուն փայլով: Սա բացատրվում է էլեկտրական հոսանքի, լույսի ֆոտոնների ազդեցությամբ մետաղական իոնների վրա, որոնց ազդեցությամբ ատոմները գրգռվում են, իսկ դրանցում գտնվող էլեկտրոնները «ցատկում» են ավելի բարձր էներգիայի մակարդակներ և այնուհետև վերադառնում իրենց անշարժ ուղեծրեր։ Այս պատճառով է, որ լանթանիդները և ակտինիդները դասակարգվում են որպես ֆոսֆորներ:
Ատոմների իոնային շառավիղների նվազման հետևանքները
Լանթանում և ակտինիումում, ինչպես նաև նրանց ընտանիքների տարրերում նկատվում է մետաղական իոնների շառավիղների ցուցիչների արժեքի միապաղաղ նվազում։ Քիմիայում նման դեպքերում ընդունված է խոսել լանթանիդի և ակտինիդի սեղմման մասին։ Քիմիայում հաստատվել է հետևյալ օրինաչափությունը՝ ատոմների միջուկի լիցքի ավելացմամբ, եթե տարրերը պատկանում են նույն ժամանակաշրջանին, դրանց շառավիղները նվազում են։ Սա կարելի է բացատրել հետևյալ կերպՆման մետաղների համար, ինչպիսիք են ցերիումը, պրազեոդիմը, նեոդիմը, դրանց ատոմներում էներգիայի մակարդակների թիվը անփոփոխ է և հավասար է վեցի: Սակայն միջուկների լիցքերը համապատասխանաբար ավելանում են մեկով և կազմում են +58, +59, +60։ Սա նշանակում է, որ մեծանում է ներքին թաղանթների էլեկտրոնների ձգողական ուժը դեպի դրական լիցքավորված միջուկ։ Արդյունքում նվազում են ատոմային շառավիղները։ Մետաղների իոնային միացություններում ատոմային թվի աճով նվազում են նաև իոնային շառավիղները։ Նմանատիպ փոփոխություններ են նկատվում անեմոնների ընտանիքի տարրերում։ Այդ պատճառով լանտանիդներն ու ակտինիդները կոչվում են երկվորյակներ։ Իոնների շառավիղների նվազումը, առաջին հերթին, հանգեցնում է Ce(OH)3, Pr(OH)3 հիդրօքսիդների հիմնական հատկությունների թուլացմանը: հատկություն։
4f-ենթամակարդակի լրացումը չզույգացված էլեկտրոններով մինչև եվրոպիումի ատոմի ուղեծրերի կեսը հանգեցնում է անսպասելի արդյունքների: Նրա ատոմային շառավիղը չի նվազում, այլ ընդհակառակը, մեծանում է։ Գադոլինիումը, որը նրան հաջորդում է լանտանիդների շարքում, ունի մեկ էլեկտրոն 4f ենթամակարդակում 5d ենթամակարդակում, ինչպես Eu-ին: Այս կառուցվածքը առաջացնում է գադոլինիումի ատոմի շառավիղի կտրուկ նվազում։ Նմանատիպ երևույթ նկատվում է զույգ իտերբիում - լուտեցիում: Առաջին տարրի համար ատոմային շառավիղը մեծ է 4f ենթամակարդակի ամբողջական լրացման պատճառով, մինչդեռ լուտետիումի դեպքում այն կտրուկ նվազում է, քանի որ էլեկտրոնների տեսքը նկատվում է 5d ենթամակարդակում։ Ակտինիումում և այս ընտանիքի այլ ռադիոակտիվ տարրերում նրանց ատոմների և իոնների շառավիղները միապաղաղ չեն փոխվում, այլ, ինչպես լանտանիդները, աստիճանաբար։ Այսպիսով, լանտանիդները ևակտինիդները տարրեր են, որոնց միացությունների հատկությունները հարաբերականորեն կախված են իոնային շառավղից և ատոմների էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքից։
վալենտական վիճակներ
Լանտանիդները և ակտինիդները տարրեր են, որոնց բնութագրերը բավականին նման են: Խոսքը, մասնավորապես, վերաբերում է իոններում դրանց օքսիդացման վիճակներին և ատոմների վալենտությանը։ Օրինակ՝ թորիումը և պրոտակտինիումը, որոնք ունեն երեքի վալենտություն, Th(OH)3, PaCl3, ThF միացություններում 3 , Pa2(CO3)3: Այս բոլոր նյութերը անլուծելի են և ունեն նույն քիմիական հատկությունները, ինչ լանթանի ընտանիքի մետաղները՝ ցերիում, պրազեոդիմ, նեոդիմ և այլն: Այս միացությունների լանթանիդները նույնպես եռավալենտ կլինեն: Այս օրինակները ևս մեկ անգամ ապացուցում են մեզ այն պնդման ճիշտությունը, որ լանտանիդներն ու ակտինիդները երկվորյակներ են։ Նրանք ունեն նմանատիպ ֆիզիկական և քիմիական հատկություններ: Սա կարելի է բացատրել հիմնականում ներքին անցումային տարրերի երկու ընտանիքների ատոմների էլեկտրոնային ուղեծրերի կառուցվածքով։
Մետաղական հատկություններ
Երկու խմբերի բոլոր ներկայացուցիչներն էլ մետաղներ են, որոնցում լրացված են 4f-, 5f-, ինչպես նաև d-ենթամակարդակները։ Լանթանը և նրա ընտանիքի տարրերը կոչվում են հազվագյուտ հողեր: Նրանց ֆիզիկաքիմիական բնութագրերն այնքան մոտ են, որ լաբորատոր պայմաններում մեծ դժվարությամբ առանձնացվում են առանձին։ Առավել հաճախ ցուցադրելով +3 օքսիդացման աստիճան՝ լանթանի շարքի տարրերը շատ նմանություններ ունեն հողալկալային մետաղների հետ (բարիում, կալցիում, ստրոնցիում):Ակտինիդները նույնպես չափազանց ակտիվ մետաղներ են և նաև ռադիոակտիվ են։
Լանտանիդների և ակտինիդների կառուցվածքային առանձնահատկությունները վերաբերում են նաև այնպիսի հատկությունների, ինչպիսիք են, օրինակ, պիրոֆորությունը նուրբ ցրված վիճակում: Նկատվում է նաև մետաղների երեսակենտրոն բյուրեղային ցանցերի չափերի նվազում։ Հավելում ենք, որ երկու ընտանիքների բոլոր քիմիական տարրերը մետաղներ են՝ արծաթափայլ փայլով, բարձր ռեակտիվության շնորհիվ օդում արագ մթնում են։ Դրանք պատված են համապատասխան օքսիդի թաղանթով, որը պաշտպանում է հետագա օքսիդացումից։ Բոլոր տարրերը բավականաչափ հրակայուն են, բացառությամբ նեպտունիումի և պլուտոնիումի, որոնց հալման ջերմաստիճանը շատ ցածր է 1000 °C-ից:
Բնութագրական քիմիական ռեակցիաներ
Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, լանթանիդները և ակտինիդները ռեակտիվ մետաղներ են: Այսպիսով, լանթանը, ցերիումը և ընտանիքի այլ տարրերը հեշտությամբ միավորվում են պարզ նյութերի հետ՝ հալոգենների, ինչպես նաև ֆոսֆորի, ածխածնի հետ։ Լանտանիդները կարող են նաև փոխազդել ինչպես ածխածնի երկօքսիդի, այնպես էլ ածխածնի երկօքսիդի հետ: Նրանք նաև ունակ են քայքայելու ջուրը։ Բացի պարզ աղերից, օրինակ՝ SeCl3 կամ PrF3, օրինակ, նրանք կազմում են կրկնակի աղեր: Անալիտիկ քիմիայում կարևոր տեղ են գրավում լանթանիդային մետաղների ռեակցիաները ամինաքացախային և կիտրոնաթթուների հետ։ Նման պրոցեսների արդյունքում առաջացած բարդ միացություններն օգտագործվում են լանտանիդների խառնուրդն առանձնացնելու համար, օրինակ՝ հանքաքարերում։
Նիտրատ, քլորիդ և սուլֆատ թթուների, մետաղների հետ փոխազդելիսձևավորել համապատասխան աղեր: Նրանք շատ լուծելի են ջրի մեջ և հեշտությամբ կարող են բյուրեղային հիդրատներ ձևավորել: Հարկ է նշել, որ լանթանիդի աղերի ջրային լուծույթները գունավորվում են, ինչը բացատրվում է դրանցում համապատասխան իոնների առկայությամբ։ Սամարիումի կամ պրազեոդիմի աղերի լուծույթները կանաչ են, նեոդիմը՝ կարմիր-մանուշակագույն, պրոմեթիում և եվրոպիումը՝ վարդագույն։ Քանի որ +3 օքսիդացման աստիճան ունեցող իոնները գունավոր են, այն օգտագործվում է անալիտիկ քիմիայում՝ ճանաչելու լանթանիդի մետաղի իոնները (այսպես կոչված՝ որակական ռեակցիաներ)։ Նույն նպատակով օգտագործվում են նաև քիմիական անալիզի այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են կոտորակային բյուրեղացումը և իոնափոխանակման քրոմատագրությունը։
Ակտինիդները կարելի է բաժանել տարրերի երկու խմբի։ Սրանք են բերկելիումը, ֆերմիումը, մենդելևիումը, նոբելիումը, լորենցիումը և ուրանը, նեպտունիումը, պլուտոնիումը, օմերցիումը: Դրանցից առաջինի քիմիական հատկությունները նման են լանթանին և նրա ընտանիքի մետաղներին: Երկրորդ խմբի տարրերն ունեն շատ նման քիմիական բնութագրեր (գրեթե նույնական են միմյանց): Բոլոր ակտինիդները արագ փոխազդում են ոչ մետաղների հետ՝ ծծումբ, ազոտ, ածխածին։ Նրանք կազմում են թթվածին պարունակող լեգենդներով բարդ միացություններ։ Ինչպես տեսնում ենք, երկու ընտանիքների մետաղները քիմիական վարքով մոտ են միմյանց։ Ահա թե ինչու լանթանիդներն ու ակտինիդները հաճախ կոչվում են երկվորյակ մետաղներ։
Դիրքը ջրածնի, լանթանիդների, ակտինիդների պարբերական համակարգում
Անհրաժեշտ է հաշվի առնել այն փաստը, որ ջրածինը բավականին ռեակտիվ նյութ է։ Այն դրսևորվում է կախված քիմիական ռեակցիայի պայմաններից՝ և՛ որպես վերականգնող, և՛ որպես օքսիդացնող նյութ։ Դրա համար էլ պարբերական համակարգումջրածինը միաժամանակ գտնվում է երկու խմբի հիմնական ենթախմբերում։
Առաջինում ջրածինը վերականգնող նյութի դեր է խաղում, ինչպես այստեղ տեղակայված ալկալիական մետաղները: Ջրածնի տեղը 7-րդ խմբում՝ հալոգենների տարրերի հետ միասին, ցույց է տալիս նրա նվազեցնող հատկությունը։ Վեցերորդ շրջանում, ինչպես արդեն նշվեց, գտնվում է լանտանիդների ընտանիքը, որը տեղադրված է առանձին շարքում՝ սեղանի հարմարության և կոմպակտության համար։ Յոթերորդ շրջանը պարունակում է ռադիոակտիվ տարրերի խումբ, որոնք իրենց բնութագրերով նման են ակտինիումին։ Ակտինիդները գտնվում են Դ. Ի. Մենդելեևի քիմիական տարրերի աղյուսակից դուրս՝ լանթանի ընտանիքի շարքի տակ։ Այս տարրերն ամենաքիչն են ուսումնասիրված, քանի որ դրանց ատոմների միջուկները շատ անկայուն են ռադիոակտիվության պատճառով: Հիշեցնենք, որ լանտանիդները և ակտինիդները ներքին անցումային տարրեր են, և նրանց ֆիզիկաքիմիական բնութագրերը շատ մոտ են միմյանց:
Արդյունաբերության մեջ մետաղների արտադրության ընդհանուր մեթոդներ
Բացառությամբ թորիումի, պրոտակտինիումի և ուրանի, որոնք արդյունահանվում են անմիջապես հանքաքարերից, մնացած ակտինիդները կարելի է ստանալ մետաղական ուրանի նմուշները արագ շարժվող նեյտրոնային հոսքերով ճառագայթելով: Արդյունաբերական մասշտաբով նեպտունիումը և պլուտոնիումը արդյունահանվում են միջուկային ռեակտորների օգտագործված վառելիքից: Նշենք, որ ակտինիդների արտադրությունը բավականին բարդ և թանկ գործընթաց է, որի հիմնական մեթոդներն են իոնափոխանակությունը և բազմաստիճան արդյունահանումը։ Լանտանիդները, որոնք կոչվում են հազվագյուտ հողային տարրեր, ստացվում են դրանց քլորիդների կամ ֆտորիդների էլեկտրոլիզից։Մետաղաջերմային մեթոդն օգտագործվում է գերմաքուր լանթանիդների արդյունահանման համար։
Որտեղ օգտագործվում են ներքին անցումային տարրեր
Մեր ուսումնասիրած մետաղների օգտագործման շրջանակը բավականին լայն է։ Անեմոնների ընտանիքի համար սա առաջին հերթին միջուկային զենք և էներգիա է: Ակտինիդները կարևոր են նաև բժշկության, թերությունների հայտնաբերման և ակտիվացման վերլուծության մեջ: Անհնար է անտեսել լանթանիդների և ակտինիդների օգտագործումը որպես միջուկային ռեակտորներում նեյտրոնների որսման աղբյուրներ: Լանտանիդներն օգտագործվում են նաև որպես չուգունի և պողպատի համաձուլվածքային հավելումներ, ինչպես նաև ֆոսֆորների արտադրության մեջ։
Տարածվել բնության մեջ
Ակտինիդների և լանտանիդների օքսիդները հաճախ կոչվում են ցիրկոնիում, թորիում, իտրիումային հողեր: Դրանք համապատասխան մետաղների ստացման հիմնական աղբյուրն են։ Ուրանը, որպես ակտինիդների հիմնական ներկայացուցիչ, հանդիպում է լիթոսֆերայի արտաքին շերտում՝ չորս տեսակի հանքաքարերի կամ միներալների տեսքով։ Առաջին հերթին դա ուրանի կուպր է, որը ուրանի երկօքսիդ է։ Այն ունի ամենաբարձր մետաղի պարունակությունը: Հաճախ ուրանի երկօքսիդը ուղեկցվում է ռադիումի նստվածքներով (երակներ): Նրանք հանդիպում են Կանադայում, Ֆրանսիայում, Զաիրում։ Թորիումի և ուրանի հանքաքարերի համալիրները հաճախ պարունակում են այլ արժեքավոր մետաղների հանքաքարեր, ինչպիսիք են ոսկին կամ արծաթը:
Նման հումքի պաշարները հարուստ են Ռուսաստանում, Հարավային Աֆրիկայում, Կանադայում և Ավստրալիայում։ Որոշ նստվածքային ապարներ պարունակում են հանքային կարնոտիտ: Բացի ուրանից, այն պարունակում է նաև վանադիում։ Չորրորդուրանի հումքի տեսակը ֆոսֆատի հանքաքարերն են և երկաթ-ուրանի թերթաքարերը։ Նրանց պաշարները գտնվում են Մարոկկոյում, Շվեդիայում և ԱՄՆ-ում։ Ներկայումս խոստումնալից են համարվում նաև ուրանի կեղտեր պարունակող լիգնիտի և ածխի հանքավայրերը։ Դրանք արդյունահանվում են Իսպանիայում, Չեխիայում, ինչպես նաև ԱՄՆ երկու նահանգներում՝ Հյուսիսային և Հարավային Դակոտայում:
