Лантаноиды и актиноиды

Глава 4. Лантаноиды и актиноиды

Электронные конфигурации атомов лантаноидов и актиноидов и их свойства.

Побочную подгруппу третьей группы Периодической системы элементов составляют электронные аналоги — скандий, иттрий, лантан, актиний — с конфигурацией валентных электронов (n – 1)d1 n s2.

Элементы, у которых происходит последовательное заполнение f — подуровня, называются f — элементами.

Согласно химическим и спектроскопическим данным при большой энергетической близости 4f — и 5d- состояний для лантаноидов более энергетически выгодным оказывается все же 4f — состояние. Поэтому в их атомах один 5d электрон, имеющийся у La , переходит (за исключением Gd) в 4f – состояние:

La (лантан)4f0 5d1 6s2 Tb (тербий) 4f9 5d0 6s2

Ce (церий)4f2 5d0 6s2 Ho (гольмий) 4f11 5d0 6s2

Sm (самарий)4f6 5d0 6s2 Tm (тулий) 4f13 5d0 6s2

Gd (гадолиний) 4f7 5d1 6s2 Lu (лютеций) 4f14 5d1 6s2

По характеру заполнения 4f -подуровня лантаноида разделя­ются на два подсемейства:

1. Первые семь элементов (Ce — Gd) , у которых в соответствии с правилом Хунда заполняются 4f -орбитали одним электроном , образуют подсемейство церия .

2. Семь остальных элементов (Тb — Lu), у которых происходит заполнение 4f -орбиталей вторым электроном, объединяются в под­семейство тербия.

При незначительном возбуждении один из 4f – электронов (реже два) переходит в 5d-состояние. Наибольшая вероятность перехода электронов с 4f на 5d — подуровень у церия. Остальные 4f -электроны экранированы от внешнего воздействия 5s2 5 р6-электронами и на химические свойства большинства лантаноидов влияние не оказываю. Таким образом, свойства лантаноидов в основном опре­делят 5d1 6s2 -электроны. В связи с этим РЗЭ проявляют большое сходство с d-элементами 3 группы -Sc и его аналогами.

Устойчивая степень окисления лантаноидов равна — +3. Наличие «аномальных» степеней окисления объясняется стремлением атомов за счет потери I-4 электронов приобрести устойчивые конфигурации (4f0,4f7,4f14)ближайшего из ионов La3+», Gd3+ Lu3+:

В отличие от d – элементов координационные числа лантаноидов могут превышать 9 и достигать II, 12, 13 и других значений, так как в образовании химических связей участвуют, обитали 6s-, 5d — и 4f — подуровней.

Семейство актиноидов состоит из 14 элементов с атомными номерами 90-103. Согласно теории строения атома, у этих элементов должно происходить заполнение электронами третьего снаружи 5f -подуровня, подобно подуровню 4f у лантаноидов. Установлено, что в атомах тяжелых элементов периодической системы 7s -,6d -и 5f -состояния энергетически очень близки друг к другу, поэтому однозначное определение электронной конфигурации актиноидов затруднено (Th – 6d2 7s2, U 5f3 6d1 7s2, Pu — 5f6 7s2 и т.д.). Наиболее распространена для актиноидов степень окисления +3, однако нередко встречаются и более высокие валентные состояния:

Th Pa U Np Pu Am Cm
+4 +5 +6 +7 +7 +6 +4
Bk Cf Es Fm Md No Lr
+4 +3 +3 +3 +3 +3 +3

Подобно лантаноидам первые семь элементов семейства актиноидов можно объединить в подсемейство тория (Th — Сm), а остальные семь элементов — в подсемейство берклия (Bk — Lr ). Координационные числа актиноидов разнообразны: от 4 до 12.

Анализ структуры атомов лантаноидов и актиноидов показывает, что элементы обоих семейств близки по свойствам и элементы каждого семейства сходны между собой, так как число электронов на наружном и втором снаружи энергетических уровнях почти у всех элементов одинаково и равно трем.

Изучение актиноидов существенно затруднено радиоактивным распадом их атомов и радиоактивными излучениями.

Свойства лантаноидов, обусловленные наличием 4f -электронов, можно разделить на две группы:

Монотонно изменяющиеся

а) изменение радиусов атомов и ионов

В целом, радиусы атомов и ионов лантаноидов с ростом порядкового номера уменьшаются (рис.4.1).

Рис.4.1. Радиусы ионов лантаноидов

Это влияние известно под названием лантаноидного сжатия». Оно объясняется тем, что с ростом числа

4f -электронов увеличивается их притяжение к ядру, заряд которого непрерывно растет. Как следствие этого, радиусы атомов и ионов уменьшаются. Подобное явление, называемое «актиноидным сжатием», характерно и для 5f -элементов. Радиусы их атомов и трехзарядных ионов тоже уменьшаются с ростом атомного номера;

б) изменение потенциалов ионизации Энергия (потенциал) ионизации — это минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от невозбужденного атома. Суммарная энергия, затрачиваемая для перевода атома Ln Ln3+ , принимает следующие значения:

Ln La Ce Pr Nd Sm Gd Ho Er Tm Lu
J ион Э-в 36,5 37,2 37,5 37,8 38,2 38,6 39,5 40,0 40,2 40,3 41,0

Величины энергий ионизации с ростом порядковых номеров лантаноидов равномерно и закономерно увеличиваются. Это объясняется уменьшением атомных радиусов и соответственно ослаблением восстановительной способности лантаноидов. Самый сильный восстановитель среди них — лантан;

в) изменение стандартных электродных потенциалов

Поведение металлов в водных растворах характеризуется величинами их стандартных электродных потенциалов. Для лантаноидов они имеют высокие отрицательные значение, т.е. лантаноиды — химически активные металлы, уступающие по активности лишь щелочным, щелочно-земельным металлам, скандию, иттрию и лантану. С уменьшением радиусов Ln3+ величины Е0возрастают (рис.4.2),

Лантан и лантаноиды энергично растворяются в во­де с выделением водорода:

Рис.4.2.

Стандартные потенциалы восстановления лантаноидов

3 2H+ + 2e- = H2 E0 = -0,41 B

2 La — 3e- = La3+ E0 = -2,52 B

6H+ + 2La = 3H2 + 2La3+

э.д.с. = 2,52 – 0,41 = 2,11(B)

При переходе от La к Lu способность реагировать с водой несколько ослабляется в соответствии с уменьшением восстановительных свойств;

г) изменение основности

Основность любых элементов зависит от прочности связи валентных электронов с ядром, а следовательно, от структуры атомов. По ряду лантаноидов радиус атомов уменьшается, при атом прочность связи 4n3+ — ОНувеличивается, основность ослабевает. Наибольшей основностью обладает атом La , он приближается по свойствам к Мg(OH)2 , Отсюда, как следствие, вытекает способность солей лантаноидов к гидролизу, В ряду La3+ — Lu3+ склонность к гидролизу увеличивается.

Для гидроксидов актиноидов с ростом степени окисления прослеживается закономерность:

Э(ОН)3 – Э(ОН)4 – Э+5О2ОН – Э+6О2(ОН)2

основные свойства уменьшаются.

АКТИНОИДЫ (актиниды), семейство из 14 радиоактивных химических элементов III группы короткой формы (3-й группы длинной формы) периодической системы, атомный номер 90-103, расположены за актинием: торий Th, протактиний Ра, уран U, нептуний Np, плутоний Рu, америций Аm, кюрий Cm, берклий Вк, калифорний Cf, эйнштейний Es, фермий Fm, менделевий Md, нобелий No и лоуренсий Lr. Стабильных изотопов не имеют. Th, Ра и U принадлежат к естественно-радиоактивным элементам, встречающимся в природе. Другие актиноиды получают облучением U и некоторых трансурановых элементов в ядерных реакторах нейтронами или на ускорителях ядрами других элементов. Следовые количества Np и Рu обнаружены в некоторых радиоактивных рудах. Гипотезу о существовании семейства актиноидов выдвинул в начале 1940-х годов Г. Сиборг.

Актиноиды — серебристо-белые металлы очень высокой плотности (до 20 250 кг/м3 у Np); в мелкодисперсной форме пирофорны. Наиболее легкоплавки Np и Рu (tпл — около 640°С), остальные актиноиды плавятся при температурах выше 1000°С.

Химические свойства актиноидов и сходство их с лантаноидами связаны с особенностями строения электронных оболочек атомов этих семейств. У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение не внешних оболочек — шестой и седьмой, а более близких к ядру оболочек — 5f-оболочки у актиноидов и 4f-оболочки у лантаноидов. При переходе от Th к Lr число электронов на двух внешних оболочках, как правило, не изменяется, положительный заряд ядра постепенно возрастает; происходит более сильное притяжение внешних электронов к ядру, приводящее к так называемому актиноидному сжатию: у нейтральных атомов и ионов актиноиды одинаковой степени окисления при увеличении атомного номера радиусы несколько уменьшаются. Вследствие энергетической близости 6d- и 5f-состояний элементы подсемейства тория (Th — Cm) ведут себя и как f- и как d-элементы и проявляют переменные степени окисления, вплоть до +7 (Np, Pu, Ат); элементы подсемейства берклия (Bk — Lr) ведут себя как типичные f-элементы и по свойствам близки к лантаноидам (характерная степень окисления +3).

Реклама

Актиноиды реакционноспособны, легко реагируют с водородом, кислородом, азотом, серой, галогенами и другими неметаллами. Актиноиды со степенью окисления +3 образуют те же нерастворимые соединения — гидроксиды, фториды, карбонаты, оксалаты и другие, что и лантаноиды со степенью окисления +3. Трифториды, трихлориды и другие аналогичные соединения актиноидов со степенью окисления +3 образуют изоструктурные ряды (соединения, входящие в такие ряды, например, в ряд МCl3, где М — атом актиноидов, обладают сходными кристаллическими решётками, параметры которых постепенно уменьшаются по мере роста атомного номера актиноида). Изоструктурные ряды образуют диоксиды, тетрафториды, гексафториды и другие соединения актиноидов.

Актиноиды обладают высокой склонностью к образованию комплексных соединений (координационные числа 4-12).

В степенях окисления +4 и +6 актиноиды избирательно извлекаются из азотнокислых растворов различными органическими экстрагентами, в том числе трибутилфосфатом, что используется в технологии выделения актиноидов из облучённого ядерного топлива и руд.

В промышленных масштабах производятся и имеют важное практическое значение главным образом Th, U и Рu. Все актиноиды и их соединения высокотоксичны.

Лит.: Келлер К. Химия трансурановых элементов. М., 1976; Химия актиноидов: В 3 т. М., 1991-1999.

Б. Ф. Мясоедов.

ЛАНТАНОИДЫ И АКТИНОИДЫ

Посмотрите внимательно на Лантаноиды и Актиноиды. Они вынесены в отдельное место под таблицей.

Как вы думаете, какая здесь вертикаль?

Совершенно верно, здесь нет вертикали, т.к. всего 2 ряда. Эти ряды ни что иное, как горизонтали, и запоминать мы их будем как горизонтали.

Запомним Лантаноиды

Лантаноиды занимают место после Лантана в Периодической системе элементов, и все относятся к 6 периоду, 3 группе.

Перечислим Лантаноиды: Церий, Празеодим, Неодим, Прометей, Самарий, Европий, Гадолиний, Тербий, Диспрозий, Гольмий, Эрбий, Тулий, Иттербий, Лютеций.

Чтобы подготовить ключ к этой горизонтали, воспользуемся методом «Воспоминание». Для начала подберем созвучное слово к слову «Лантаноиды», пусть это будет «латка». Теперь важно выбрать место, героя и ситуацию. Слово «латка» нам напоминает ситуацию, когда мы ставили «латку» на свою одежду. Пусть это происходило в гостиной комнате. Важно, чтобы местом развития ситуации была ваша комната. Героем будете вы сами.

РИСУНОК №70

(Обратите внимание, что в предыдущих рассказах героями были другие люди, а здесь герои вы сами. В этом и состоит отличие метода «Рассказ» от метода «Воспоминание», а вот все остальное похоже).

Итак, наш новый рассказ начинается в гостиной комнате, где вы сами ставите себе латку (Лантаноиды) на одежду. Вдруг к вам подбегает злой трехглавый пес Цербер (Церий), от которого вы в панике убегаете, взывая о помощи. Первым вам на помощь пришел Президент (Празеодим), который отчаянно пытался прогнать свирепого пса, но безуспешно. Тогда вам обоим на помощь пришел человек-невидимка (Неодим), который обманул пса.

РИСУНОК № 71

Вы поблагодарите человека-невидимку за свое спасение и просите его освободить еще и Прометея (Прометей), прикованного Зевсом к скале.

РИСУНОК №72

Когда благополучно освобождаете Прометея, то втроем пьете чай из самовара (Самарий) и рассматриваете карту Европы (Европий).

РИСУНОК № 73

Неожиданно к вам подходит цыганка и начинает гадать по линиям руки (Гадолиний). После чего она требует (Тербий) много денег.

РИСУНОК № 74

Вы сбежали от назойливой цыганки и спрятались в диспансере (Диспрозий). Около диспансера ваше внимание привлекли голуби (Гольмий), которые клевали рассыпанные жевательные резинки «Орбит» (Эрбий). Вы пожалели птиц и стали крошить им «Тульские пряники» (Тулий) и терпеливо (Иттербий) ждать, когда голуби подойдут к вам поближе.

РИСУНОК № 75

Наконец ожидания ваши оправдались, птицам понравилось новое лакомство. Голуби стали подходить к вам все ближе и ближе и дарить вам лютики (Лютеций).

РИСУНОК №76

Теперь повторите эту необычную историю про себя, а вслух произнесите только названия химических элементов. Если вы ошиблись, то еще раз, как можно ярче, представьте себе весь рассказ и потом вновь повторите названия всех элементов. Только в том случае, если не будет ошибок, можно приступать к запоминанию названий Актиноидов.

Запоминаем Актиноиды

Актиноиды занимают место после Актиния, и все относятся к 7 периоду 3 группе.

Перечислим Актиноиды: Торий, Протактиний, Уран, Нептуний, Плутоний, Америций. Кюрий, Берклий, Калифорний, Эйнштейний, Фермий, Менделевий, Нобелий, Лоуренсий.

Для запоминания этой горизонтали тоже воспользуемся методом «Воспоминание». Подберем созвучное слово к слову «Актиноиды», пусть это будет «актер».

РИСУНОК № 77

Герой у нас уже есть – это известный актер, теперь нужно выбрать место и ситуацию. Актер обычно выступает на сцене, значит, местом будет сцена, а ситуация – торговля (Торий).

Итак, наша необычная история начинается в театре на сцене, где актер (Актиноиды) вместо того, чтобы исполнять свою роль развернул бойкую торговлю (Торий) сувенирами. Вы выбежали на сцену, и проталкиваетесь (Протактиний), активно работая локтями, к любимому актеру.

РИСУНОК № 78

Вдруг неожиданно раздался сильный грохот, это кто-то нечаянно уронил (Уран) фарфоровую статуэтку Нептуна (Нептуний), которая разбилась вдребезги.

РИСУНОК № 79

Все разбежались в стороны, и вы увидели, кто виновник. Им оказался диснеевский пес Плуто (Плутоний), который жалобно смотрел на всех, прося прощения. Богатый американец (Америций) пожалел симпатичного пса, возместил убыток продавцу – актеру и взял Плуто с собой.

РИСУНОК №80

По дороге американец купил псу курицу (Кюрий), которую счастливый Плуто съел под березой (Берклий).

РИСУНОК № 81

После плотного обеда они отправились в Калифорнию (Калифорний), где встретили растрепанного Эйнштейна (Эйнштейний), показывающего всем язык.

РИСУНОК №82

Эйнштейн пригласил друзей на ферму (Фермий) и похвастался памятником Менделееву (Менделевий), стоящим посреди двора.

РИСУНОК № 83

Затем он показал свой дом, в котором вся стена увешана нобелевскими премиями (Нобелий) и протянул лорнет (складные очки в оправе с ручкой) (Лоуренсий), чтобы гости внимательнее рассмотрели эти грамоты.

РИСУНОК № 84

Теперь повторите эту необычную историю про себя, а вслух произнесите только названия химических элементов. Если вы ошиблись, то еще раз, как можно ярче, представьте себе весь рассказ и потом вновь повторите названия всех элементов.

Чтобы проверить себя, выполните следующее упражнение, ответив на вопрос: «Этот элемент Лантаноид или Актиноид?»

УПРАЖНЕНИЕ

Диспрозий………………………….. Берклий…………………………………….

Эрбий……………………………….. Празеодим…………………………………

Уран………………………………… Торий………………………………………

Иттербий…………………………… Лютеций ………………………………….

Лоуренсий ………………………… Прометей………………………………….

Гольмий …………………………… Протактиний……………………………..

Самарий …………………………… Фермий …………………………………..

Америций………………………….. Гадолиний……………………………….

Церий……………………………… Менделевий………………………………

Нептуний…………………………. Неодим……………………………………

Калифорний………………………. Эйнштейний………………………………

Европий…………………………… Плутоний…………………………………

Тулий……………………………… Нобелий…………………………………..

Кюрий…………………………….. Тербий ……………………………………

После правильного выполнения этого упражнения для качественного закрепления материала нужно выполнить следующее упражнение.

УПРАЖНЕНИЕ

Определите номер периода и номер группы каждого химического элемента:

Самарий …………………………… Тербий ……………………………………

Никель …………………………. Гафний ……………………………….

Кадмий …………………………. Борий………………………………….

Тулий……………………………… Хлор …………………………….

Цезий …………………………………. Эйнштейний……………………………

Мышьяк………………………… Гадолиний……………………………

Астат …………………………… Дубний ………………………………..

Фосфор …………………………. Водород …………………………

Церий……………………………… Ртуть…………………………………..

Платина ………………………… Иттрий ………………………….

Европий…………………………… Гелий ………………………………….

Кальций ……………………………… Лоуренсий …………………………

Медь ……………………………. Радон ………………………………….

Нептуний………………………….

Углерод …………………………

Прометей…………………………………. Неон……………………………………

Золото …………………………… Палладий ……………………………..

Неодим…………………………………… Актиний ………………………………

Германий ………………………. Технеций ………………………………

Теллур………………………………… Протактиний……………………………

Рений …………………………… Калифорний……………………….

Аргон …………………………………. Свинец ……………………………….

Титан ……………………………. Нобелий……………………………

Цирконий ………………………. Рубидий …………………………

Натрий …………………………. Америций…………………………..

Кислород……………………….. Фермий ………………………………

Полоний ……………………………… Барий ………………………………….

Ванадий ………………………… Диспрозий…………………………..

Галлий ………………………….. Бериллий ……………………………..

Мейтнерий …………………………… Кюрий……………………………..

Кобальт …………………………. Ксенон ……………………………

Гольмий …………………………… Вольфрам ………………………..

Иридий ………………………………. Жолиотий ………………………..

Азот…………………………………… Индий …………………………………

Менделевий……………………………… Фтор ………………………………

Сурьма ………………………………. Молибден ………………………..

Ниобий ……………………………….. Таллий ………………………………..

Резерфордий ……………………. Магний ………………………………

Тантал …………………………… Олово ………………………………..

Йод ……………………………… Алюминий ………………………

Марганец …………………………….. Скандий ………………………….

Железо …………………………… Сера ………………………………

Осмий ………………………………… Плутоний……………………………

Лантан …………………………… Бром ……………………………..

Криптон …………………………….. Иттербий……………………………

Радий …………………………… Стронций ……………………………

Лютеций …………………………………. Калий ………………………………..

Бор …………………………………… Серебро ………………………….

Хром ………………………………….. Висмут ………………………………..

Эрбий……………………………….. Цинк ………………………………….

Франций ……………………………. Уран…………………………………

Рутений ………………………………. Празеодим……………………………

Селен ……………………………….. Торий…………………………………

Литий ……………………………. Кремний ……………………………..

Берклий……………………………… Ганий …………………………….

Родий …………………………….

Если вы выполнили это итоговое упражнение правильно, то можно вас поздравить и пожелать вам дальнейших успехов в усвоении мнемотехники!

Разделы:Скорочтение — как читать быстрее | Онлайн тренинги по скорочтению.

Пошаговый курс для освоения навыка быстрого чтения | Проговаривание слов и увеличение скорости чтения | Угол зрения — возможность научиться читать зиг-загом | Концентрация внимания — отключение посторонних шумов Медикаментозные усилители — как повысить концентрирующую способность мозга | Запоминание — Как читать, запоминать и не забывать | Курс скорочтения — для самых занятых | Статьи | Книги и программы для скачивания | Иностранный язык | Развитие памяти | Набор текстов десятью пальцами | Медикаментозное улучшение мозгов | Обратная связь

Добавить комментарий

Закрыть меню