Дэлхийн бүрхүүлд агуулагдах химийн элемент бүр: агаар мандал, литосфер, гидросфер зэрэг нь атом, молекулын онол, үечилсэн хуулийн үндсэн ач холбогдлыг батлах тод жишээ болж чадна. Тэдгээрийг байгалийн шинжлэх ухааны нэрт зүтгэлтнүүд болох Оросын эрдэмтэд М. В. Ломоносов, Д. И. Менделеев нар томъёолжээ. Лантанид ба актинидууд нь тус бүрдээ 14 химийн элемент, мөн лантан ба актини зэрэг металууд агуулсан хоёр гэр бүл юм. Тэдгээрийн физик болон химийн шинж чанаруудыг бид энэ нийтлэлд авч үзэх болно. Нэмж дурдахад бид устөрөгч, лантанид, актинидын үечилсэн систем дэх байрлал нь тэдгээрийн атомын электрон орбиталуудын бүтцээс хэрхэн хамаардаг болохыг тогтоох болно.
Нээлтийн түүх
18-р зууны төгсгөлд Ю. Гадолин газрын ховор металлын бүлгээс анхны нэгдэл болох иттриийн ислийг гаргаж авсан. 20-р зууны эхэн үе хүртэл Г. Мозелигийн химийн чиглэлээр хийсэн судалгааны ачаар металлын бүлэг байгаа нь мэдэгдэж байсан. Тэд лантан ба гафни хоёрын хоорондох үечилсэн системд байрладаг байв. Өөр нэг химийн элемент - лантан шиг актиниум нь 14 цацраг идэвхт гэр бүлийг бүрдүүлдэгактинид гэж нэрлэгддэг химийн элементүүд. Тэдний шинжлэх ухаанд нээлт 1879 оноос 20-р зууны дунд үе хүртэл болсон. Лантанид ба актинидууд нь физик болон химийн шинж чанараараа ижил төстэй байдаг. Үүнийг энергийн түвшинд байгаа эдгээр металлын атом дахь электронуудын зохион байгуулалтаар тайлбарлаж болно, тухайлбал лантанидын хувьд энэ нь дөрөв дэх түвшний f дэд түвшин, актинидын хувьд тавдугаар түвшний f дэд түвшин юм. Дараа нь бид дээрх металлуудын атомуудын электрон бүрхүүлийг илүү нарийвчлан авч үзэх болно.
Атом ба молекулын сургаалын үүднээс дотоод шилжилтийн элементүүдийн бүтэц
М. В. Ломоносов химийн бодисын бүтцийг овсгоотой нээсэн нь атомын электрон бүрхүүлийг цаашид судлах үндэс болсон. Химийн элементийн элементар бөөмийн бүтцийн Резерфордын загвар, М. Планк, Ф. Гунд нарын судалгаа нь лантанид ба актинидыг тодорхойлдог физик, химийн шинж чанарын үечилсэн өөрчлөлтийн одоо байгаа зүй тогтлыг зөв тайлбарлах боломжийг химичүүдэд олгосон. Шилжилтийн элементийн атомын бүтцийг судлахад Д. И. Менделеевийн үечилсэн хуулийн хамгийн чухал үүргийг үл тоомсорлож болохгүй. Энэ асуудлыг илүү дэлгэрэнгүй авч үзье.
Д. И. Менделеевийн үелэх систем дэх дотоод шилжилтийн элементүүдийн газар
Зургаа дахь том хугацааны гурав дахь бүлэгт лантаны ард цериээс эхлээд лютеци хүртэлх металлын гэр бүл байдаг. Лантан атомын 4f дэд түвшин хоосон байхад лютетийн атом нь 14-р давхаргаар бүрэн дүүрсэн байна.электронууд. Тэдний хооронд байрлах элементүүд нь е-орбиталуудыг аажмаар дүүргэж байна. Актинидын гэр бүлд - ториумаас ловренциум хүртэл - сөрөг цэнэгтэй бөөмсийн хуримтлалын ижил зарчим нь цорын ганц ялгаа нь ажиглагддаг: электроноор дүүргэх нь 5f дэд түвшинд явагддаг. Гадаад энергийн түвшний бүтэц, түүн дээрх сөрөг тоосонцрын тоо (хоёртой тэнцүү) нь дээрх бүх металлын хувьд ижил байна. Энэ баримт нь дотоод шилжилтийн элементүүд гэж нэрлэгддэг лантанид ба актинидууд яагаад ижил төстэй олон шинж чанартай байдаг вэ гэсэн асуултад хариулдаг.
Химийн уран зохиолын зарим эх сурвалжид хоёр гэр бүлийн төлөөлөгчдийг хоёр дахь дэд бүлгүүдэд нэгтгэсэн байдаг. Тэд гэр бүл бүрээс хоёр металл агуулдаг. Д. И. Менделеевийн химийн элементүүдийн үечилсэн системийн богино хэлбэрээр эдгээр гэр бүлийн төлөөлөгчдийг хүснэгтээс салгаж, тусдаа эгнээнд байрлуулсан болно. Иймээс үечилсэн систем дэх лантанид ба актинидын байрлал нь атомын бүтцийн ерөнхий төлөвлөгөө, дотоод түвшинг электроноор дүүргэх үе үетэй тохирч байгаа бөгөөд ижил исэлдэлтийн төлөв байдал нь дотоод шилжилтийн металуудыг нийтлэг бүлгүүдэд нэгтгэхэд хүргэсэн.. Тэдгээрийн дотор химийн элементүүд нь лантан эсвэл актиниумтай тэнцэх шинж чанар, шинж чанартай байдаг. Ийм учраас лантанид ба актинидыг химийн элементүүдийн хүснэгтээс хассан.
f-дэд түвшний электрон тохиргоо нь металлын шинж чанарт хэрхэн нөлөөлдөг вэ
Бидний өмнө хэлсэнчлэн үе үе дэх лантанид ба актинидын байрлалсистем нь тэдгээрийн физик, химийн шинж чанарыг шууд тодорхойлдог. Тиймээс цери, гадолиниум болон лантанидын гэр бүлийн бусад элементүүдийн ионууд нь өндөр соронзон моментуудтай байдаг нь f-дэд түвшний бүтцийн онцлогтой холбоотой байдаг. Энэ нь соронзон шинж чанартай хагас дамжуулагчийг авахын тулд металыг нэмэлт бодис болгон ашиглах боломжийг олгосон. Актинийн гэр бүлийн элементүүдийн сульфидууд (жишээлбэл, протактиний сульфид, торий) молекулуудын найрлагад холимог төрлийн химийн холбоо байдаг: ион-ковалент эсвэл ковалент-металл. Бүтцийн энэ онцлог нь шинэ физик-химийн шинж чанарыг бий болгоход хүргэсэн бөгөөд лантанид ба актинид яагаад гэрэлтэх шинж чанартай байдаг вэ гэсэн асуултын хариулт болсон юм. Жишээлбэл, харанхуйд мөнгөлөг өнгөтэй анемоны дээж нь хөхөвтөр туяагаар гэрэлтдэг. Үүнийг цахилгаан гүйдэл, гэрлийн фотонуудын металлын ионууд дээрх үйлчлэлээр тайлбарлаж, тэдгээрийн нөлөөн дор атомууд өдөөгдөж, тэдгээрийн доторх электронууд эрчим хүчний өндөр түвшинд "үсэрч", дараа нь хөдөлгөөнгүй тойрог замдаа буцаж ирдэг. Ийм учраас лантанид ба актинидыг фосфор гэж ангилдаг.
Атомын ионы радиус багасах үр дагавар
Лантан, актиниум, түүнчлэн тэдгээрийн гэр бүлийн элементүүдэд металлын ионуудын радиусын үзүүлэлтүүдийн үнэ цэнийн бууралт ажиглагдаж байна. Химийн хувьд ийм тохиолдолд лантанид ба актинидын шахалтын тухай ярих нь заншилтай байдаг. Химийн хувьд дараахь хэв маягийг тогтоосон: атомын цөмийн цэнэг нэмэгдэх тусам элементүүд ижил хугацаанд хамаарах тохиолдолд тэдгээрийн радиус буурдаг. Үүнийг дараах байдлаар тайлбарлаж болноарга: цери, празеодим, неодим зэрэг металлын хувьд тэдгээрийн атом дахь энергийн түвшний тоо өөрчлөгдөөгүй бөгөөд зургаатай тэнцүү байна. Гэсэн хэдий ч цөмийн цэнэгүүд нэгээр нэмэгдэж, +58, +59, +60 байна. Энэ нь эерэг цэнэгтэй цөмд дотоод бүрхүүлийн электронуудыг татах хүч нэмэгддэг гэсэн үг юм. Үүний үр дүнд атомын радиус багасдаг. Металлын ионы нэгдлүүдэд атомын тоо нэмэгдэхийн хэрээр ионы радиус мөн буурдаг. Үүнтэй төстэй өөрчлөлтүүд анемон гэр бүлийн элементүүдэд ажиглагдаж байна. Ийм учраас лантанид ба актинидыг ихэр гэж нэрлэдэг. Ионы радиус буурах нь юуны түрүүнд Ce(OH)3, Pr(OH)3 гидроксидын үндсэн шинж чанар сулрахад хүргэдэг. өмч.
4f-дэд түвшинг европийн атомын орбиталуудын тал хүртэлх хосгүй электроноор дүүргэх нь гэнэтийн үр дүнд хүргэдэг. Түүний атомын радиус буурахгүй, харин эсрэгээрээ нэмэгддэг. Лантанидын цувралд түүнийг дагадаг гадолиниум нь Eu-тэй адил 5d дэд түвшинд 4f дэд түвшинд нэг электронтой. Энэ бүтэц нь гадолиний атомын радиусыг огцом бууруулахад хүргэдэг. Үүнтэй төстэй үзэгдэл нь хос итербиум - лютетид ажиглагддаг. Эхний элементийн хувьд атомын радиус нь 4f дэд түвшинг бүрэн дүүргэсний улмаас том байдаг бол лютетийн хувьд энэ нь огцом буурдаг, учир нь электронуудын харагдах байдал 5d дэд түвшинд ажиглагддаг. Энэ гэр бүлийн актин болон бусад цацраг идэвхт элементүүдэд атом ба ионуудын радиус нь нэг хэвийн бус өөрчлөгддөггүй, харин лантанидын нэгэн адил алхам алхмаар өөрчлөгддөг. Иймээс лантанидын болонАктинидууд нь нэгдлүүдийн шинж чанар нь ионы радиус болон атомын электрон бүрхүүлийн бүтцээс хамааралтай элементүүд юм.
Валентын төлөв
Лантанид ба актинид нь шинж чанараараа нэлээд төстэй элементүүд юм. Ялангуяа энэ нь ион дахь исэлдэлтийн төлөв, атомын валенттай холбоотой юм. Жишээ нь Th(OH)3, PaCl3, ThF нэгдлүүдэд 3-ын валенттай тори ба протактин 3 , Па2(CO3)3. Эдгээр бүх бодис нь уусдаггүй бөгөөд лантан гэр бүлийн металлуудтай ижил химийн шинж чанартай: цери, празеодим, неодим гэх мэт. Эдгээр нэгдлүүдийн лантанидын найрлага нь мөн гурвалсан байх болно. Эдгээр жишээнүүд нь лантанид ба актинид хоёр ихэр гэсэн үгийн үнэн зөвийг бидэнд дахин нотолж байна. Тэд ижил төстэй физик, химийн шинж чанартай байдаг. Үүнийг үндсэндээ дотоод шилжилтийн элементийн хоёр гэр бүлийн атомын электрон орбиталуудын бүтцээр тайлбарлаж болно.
Металлын шинж чанар
Хоёр бүлгийн бүх төлөөлөл нь 4f-, 5f-, мөн d-дэд түвшнийг дүүргэсэн металлууд юм. Лантан ба түүний гэр бүлийн элементүүдийг газрын ховор элемент гэж нэрлэдэг. Тэдний физик, химийн шинж чанар нь маш ойрхон тул лабораторийн нөхцөлд маш их бэрхшээлтэй тусад нь салдаг. Ихэнхдээ +3 исэлдэлтийн төлөвийг харуулдаг лантан цувралын элементүүд нь шүлтлэг шороон металлуудтай (барий, кальци, стронций) олон ижил төстэй байдаг. Актинидууд нь мөн маш идэвхтэй металл бөгөөд цацраг идэвхт юм.
Лантанид ба актинидын бүтцийн онцлог нь жишээлбэл, нилээд тархсан төлөвт пирофорит чанар зэрэг шинж чанаруудтай холбоотой. Металлын нүүр төвтэй болор торны хэмжээ багасч байна. Хоёр гэр бүлийн бүх химийн элементүүд нь мөнгөн гялалзсан металлууд бөгөөд өндөр урвалд ордог тул агаарт хурдан харанхуйлдаг. Тэд цаашид исэлдэлтээс хамгаалдаг харгалзах ислийн хальсаар хучигдсан байдаг. Хайлах цэг нь 1000 °C-аас бага байдаг нептун ба плутонийг эс тооцвол бүх элементүүд хангалттай галд тэсвэртэй.
Онцлог химийн урвал
Өмнө нь дурьдсанчлан лантанид ба актинид нь реактив металл юм. Тиймээс лантан, цери болон гэр бүлийн бусад элементүүд нь энгийн бодисууд - галоген, түүнчлэн фосфор, нүүрстөрөгчтэй амархан нийлдэг. Лантанидууд нь нүүрстөрөгчийн дутуу исэл ба нүүрстөрөгчийн давхар исэлтэй харилцан үйлчилж чаддаг. Тэд мөн усыг задлах чадвартай. Жишээлбэл, SeCl3 эсвэл PrF3 зэрэг энгийн давсуудаас гадна давхар давс үүсгэдэг. Аналитик химийн хувьд лантанидын металлын амино цууны болон нимбэгийн хүчилтэй урвалд орох нь чухал байр суурь эзэлдэг. Ийм үйл явцын үр дүнд үүссэн нийлмэл нэгдлүүдийг лантанидын хольцыг ялгахад ашигладаг, тухайлбал хүдэрт.
Нитрат, хлорид, сульфатын хүчил, металлтай харилцан үйлчлэх үедхаргалзах давс үүсгэдэг. Тэд усанд маш сайн уусдаг бөгөөд талст гидрат үүсгэх чадвартай. Лантанидын давсны усан уусмал нь өнгөт байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй бөгөөд энэ нь тэдгээрт харгалзах ионууд байгаатай холбоотой юм. Самари эсвэл празеодимийн давсны уусмал нь ногоон өнгөтэй, неодим - улаан ягаан, прометиум ба европиум - ягаан өнгөтэй. +3 исэлдэлтийн төлөвтэй ионууд нь өнгөтэй байдаг тул үүнийг аналитик химид лантанидын металлын ионуудыг (чанарын урвал гэж нэрлэдэг) танихад ашигладаг. Үүнтэй ижил зорилгоор фракцийн талстжилт, ион солилцооны хроматограф зэрэг химийн шинжилгээний аргуудыг мөн ашигладаг.
Актинидуудыг хоёр бүлэг элементэд хувааж болно. Эдгээр нь berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium ба уран, нептуни, плутони, омерциум юм. Эдгээрийн эхнийх нь химийн шинж чанар нь лантан ба түүний гэр бүлийн металлуудтай төстэй юм. Хоёр дахь бүлгийн элементүүд нь маш төстэй химийн шинж чанартай (бие биентэйгээ бараг ижил). Бүх актинидууд металл бус бодисуудтай хурдан харилцан үйлчилдэг: хүхэр, азот, нүүрстөрөгч. Тэд хүчилтөрөгч агуулсан домог бүхий нарийн төвөгтэй нэгдлүүдийг үүсгэдэг. Бидний харж байгаагаар хоёр гэр бүлийн металлууд химийн шинж чанараараа бие биентэйгээ ойрхон байдаг. Ийм учраас лантанид ба актинидыг ихэр металл гэж нэрлэдэг.
Устөрөгч, лантанид, актинидын үечилсэн систем дэх байрлал
Устөрөгч нь нэлээд урвалд ордог бодис гэдгийг анхаарах хэрэгтэй. Энэ нь химийн урвалын нөхцлөөс хамааран өөрийгөө илэрхийлдэг: бууруулагч бодис ба исэлдүүлэгч бодис болгон хоёулаа. Тийм ч учраас үечилсэн системдустөрөгч нь хоёр бүлгийн үндсэн дэд бүлгүүдэд нэгэн зэрэг оршдог.
Эхний хэсэгт устөрөгч нь энд байрлах шүлтлэг металлууд шиг бууруулагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Галоген элементүүдийн хамт 7-р бүлэгт устөрөгчийн байр суурь нь түүний бууруулах чадварыг илтгэнэ. Зургаа дахь үед, аль хэдийн дурьдсанчлан, лантанидын гэр бүлийг хүснэгтийн тав тухтай, нягтралын үүднээс тусдаа эгнээнд байрлуулсан байна. Долоо дахь үе нь актиний шинж чанартай төстэй цацраг идэвхт элементүүдийн бүлгийг агуулдаг. Актинидууд нь Д. И. Менделеевийн химийн элементүүдийн хүснэгтийн гадна талд, лантан гэр бүлийн эгнээний доор байрладаг. Тэдгээрийн атомын цөм нь цацраг идэвхт бодисын улмаас маш тогтворгүй байдаг тул эдгээр элементүүд хамгийн бага судлагдсан байдаг. Лантанид ба актинидууд нь дотоод шилжилтийн элементүүд бөгөөд физик-химийн шинж чанарууд нь хоорондоо маш ойрхон байдаг гэдгийг санаарай.
Аж үйлдвэрт металл үйлдвэрлэх ерөнхий аргууд
Хүдрээс шууд олборлодог тори, протактин, уранаас бусад актинидыг металл ураны дээжийг хурдан хөдөлдөг нейтроны урсгалаар цацрагаар гаргаж авах боломжтой. Аж үйлдвэрийн хэмжээнд нептун, плутонийг цөмийн реакторын ашигласан түлшнээс олборлодог. Актинид үйлдвэрлэх нь нэлээд төвөгтэй бөгөөд үнэтэй процесс бөгөөд гол арга нь ион солилцоо, олон үе шаттай олборлолт юм. Газрын ховор элемент гэж нэрлэгддэг лантанидыг хлорид эсвэл фторын электролизээр гаргаж авдаг. Металлотермик аргыг хэт цэвэр лантанидыг гаргаж авахад ашигладаг.
Дотоод шилжилтийн элементүүдийг ашигладаг газар
Бидний судалж буй металлын хэрэглээний хүрээ нэлээд өргөн. Анемоны гэр бүлийн хувьд энэ нь юуны түрүүнд цөмийн зэвсэг, эрчим хүч юм. Актинидууд нь анагаах ухаан, согогийг илрүүлэх, идэвхжүүлэх шинжилгээнд чухал ач холбогдолтой. Цөмийн реакторуудад нейтрон барих эх үүсвэр болох лантанид ба актинидыг ашиглахыг үл тоомсорлох боломжгүй юм. Лантанидыг мөн цутгамал төмөр, гангийн хайлш болгон ашигладаг, мөн фосфорын үйлдвэрлэлд ашигладаг.
Байгальд тархсан
Актинид ба лантанидын ислийг ихэвчлэн циркони, торий, иттриум шороо гэж нэрлэдэг. Эдгээр нь холбогдох металлыг олж авах гол эх үүсвэр юм. Актинидын гол төлөөлөгч болох уран нь литосферийн гадна давхаргад дөрвөн төрлийн хүдэр буюу ашигт малтмал хэлбэрээр байдаг. Юуны өмнө энэ нь ураны давирхай буюу ураны давхар исэл юм. Энэ нь хамгийн их металлын агууламжтай. Ихэнхдээ ураны давхар ислийг радийн ордууд (судлууд) дагалддаг. Тэд Канад, Франц, Заираас олддог. Тори болон ураны хүдрийн иж бүрдэл нь ихэвчлэн алт, мөнгө зэрэг бусад үнэт металлын хүдрийг агуулдаг.
Ийм түүхий эдийн нөөц нь Орос, Өмнөд Африк, Канад, Австралид их байдаг. Зарим тунамал чулуулагт эрдэс карнотит агуулагддаг. Энэ нь уранаас гадна ванади агуулдаг. Дөрөвдүгээртураны түүхий эдийн төрөл нь фосфатын хүдэр, төмрийн ураны занар юм. Тэдний нөөц нь Марокко, Швед, АНУ-д байрладаг. Одоогийн байдлаар ураны хольц агуулсан хүрэн нүүрс, нүүрсний ордууд ч ирээдүйтэй гэж тооцогддог. Тэдгээрийг Испани, Чех, мөн АНУ-ын Хойд болон Өмнөд Дакота гэсэн хоёр мужид олборлодог.
