Положение в периодической системе водорода лантаноидов актиноидов доклад

Обновлено: 15.05.2024

Презентация на тему: " Положение в ПСХЭ водорода, лантаноидов, актиноидов и искусственно полученных элементов." — Транскрипт:

1 Положение в ПСХЭ водорода, лантаноидов, актиноидов и искусственно полученных элементов

2 H Длительное время положение водорода в периодической системе элементов было двойственным – его размещали и в 1-й, и в 7-й группах, но по последним рекомендациям ИЮПАК водород – элемент группы 1.

7 Актиноиды Торий (Th) 90 (назван по имени Тора скандинавского бога войны) тяжёлый слаборадиоактивный; чистый металл мягок и пластичен, но сплавы могут быть очень твердыми, например, с Mg. Используется в светопреломляющих материалах, ядерных топливных элементах, непроницаемых для газов оболочках. Протактиний (Ра) 91 (от греческого protos первый) содержится в урановом ядерном топливе, в промышленности применяется мало. Уран (U) 92 (назван в честь планеты Уран) ковкий, пластичный металл. Используется как ядерное топливо в реакторах, а изотоп 235 U для создания ядерного оружия.

8 История синтеза сверхтяжелых элементов В годах профессором Гленом Сиборгом и его коллегами в Радиационной национальной лаборатории (Беркли, США) были синтезированы искусственные элементы с Z= Они были получены в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами изотопа урана 235U в длительных облучениях на мощных ядерных реакторах. Элемент с Z=101 (менделевий) был открыт в 1955 году при облучении эйнштейния ускоренными альфа- частицами. В России в 1957 году для синтеза новых элементов была создана специальная лаборатория в Дубне, которую возглавил член-корреспондент Академии наук СССР Георгий Николаевич Флеров.

9 С 1960-х годов началась эпоха ускорителей элементарных частиц - циклотронов, эпоха ускорения тяжелых ионов, когда синтез новых элементов стали производить только при взаимодействии двух тяжелых ядер. Пять элементов с Z>101 были получены на ускорителях заряженных частиц (циклотрон Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ; Дубна, СССР) и линейный ускоритель тяжелых ионов "Хайлак" (Беркли, США) в ядерных реакциях с ускоренными тяжелыми ионами. Элементы с атомными номерами, начиная с 105, являются сверхтяжелыми искусственно полученными радиоактивными химическими элементами. Элементы с атомными номерами 104 и далее называются трансактинидными.

10 104-й элемент был впервые синтезирован в Дубне в 1964 году. Его получила группа ученых Лаборатории ядерных реакций во главе с Флеровым. В 1969 году элемент был получен группой ученых в университете Беркли, Калифорния. В 1997 году элемент получил название резерфордий, символ Rf. 105-й элемент был синтезирован в 1970 году двумя независимыми группами исследователей в Дубне и Беркли (США). Получил название дубний в честь города Дубна, где располагается Объединенный институт ядерных исследований, символ Db. Впервые 106-й элемент был получен в СССР Флеровым с сотрудниками в 1974 году, практически одновременно он был синтезирован в США Гленом Сиборгом с коллегами. В 1997 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) утвердил для 106 элемента название сиборгий (в честь Сиборга), символ Sg.

12 110-й элемент был открыт в 1994 году в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштатде (ФРГ) в ходе эксперимента по напылению на пластины специального сплава, содержащего свинец, и его бомбардировки изотопами никеля. Назван дармштадтий в честь города Дармштадт (Германия), где был обнаружен. Символ Ds. 111-й элемент тоже был открыт в Германии, получил название рентгений (химический символ Rg) в честь германского ученого Вильгельма-Конрада Рентгена. 112-й элемент представляет собой трансурановый элемент, полученный при бомбардировке свинцовой мишени ядрами цинка. Период его полураспада составляет около 34 сек. Элемент был впервые получен в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Дармштадте.

14 Последний успешный эксперимент по синтезу нового сверхтяжелого элемента был проведен в Лаборатории имени Флерова Объединенного института ядерных исследований в 2010 году, был получен 117-й элемент таблицы Менделеева (Унунсептий). В апреле 2011 года физики из немецкого Центра исследования тяжелых ионов (GSI) в Дармштадте (Гессен) при участии российских коллег начали эксперимент по синтезу нового химического элемента с атомным номером 120.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Урок №6. Положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева водорода, лантаноидов, актиноидов и искусственно полученных элементов

Цель: ознакомить учащихся с положением в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева водорода, лантаноидов, актиноидов и искусственно полученных элементов

2. Диагностическая к/р.

3.Изучение нового материала. Беседа по таблице.

Положение водорода в периодической системе

Водород – самый распространённый химический элемент, к тому же он самый лёгкий. Его порядковый номер 1. В таблице Менделеева он стоит в первом периоде. С учётом его свойств его помещают как в 1А так и в 7А группу. Возникает вопрос – почему?

Ядро водорода состоит из одного протона, вокруг которого вращается один электрон. Электронная формула 1 s 1 . Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью. Н ₂ – самый легкий газ. Он не имеет цвета и запаха.

Водород относится к химически активным веществам. Он может выступать в роли восстановителя и окислителя .

1) с некоторыми металлами он образует гидриды

2Na+H ₂ =2NaH, здесь водород – окислитель H 0 + 1 e - → H -1

Сходный процесс происходит при взаимодействии галогенов – неметаллов 7А группы

Поэтому, водород помещают в 7А группу

2) с неметаллами, проявляющими более сильные окислительные свойства, чем водород

H ₂ +Cl ₂ =2HCl здесь водород – восстановитель H 0 - 1 e - → H +1

Сходный процесс происходит при взаимодействии щелочных металлов –металлов 1А группы

Поэтому, водород помещают в 1А группу

ИЮПАК рекомендует размещать водород только в 1А группе.

Положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева лантаноидов и актиноидов

Из этого следует, что у лантаноидов сильно выражена горизонтальная аналогия.

В седьмом периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90-103 составляют семейство актиноидов. Их также помещают отдельно — под лантаноидами, а в соответствующей клетке двумя звездочками указано на последовательность их расположения в системе: Ас-Lr. У актиния и актиноидов заполнение уровней электронами подобно лантану и лантаноидам. Однако в отличие от лантаноидов горизонтальная аналогия у актиноидов выражена слабо. Они в своих соединениях проявляют больше различных степеней окисления. Например, степень окисления актиния +3, а урана +3, +4, +5 и +6. Изучение химических свойств актиноидов крайне сложно вследствие неустойчивости их ядер.

Положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева искусственно полученных элементов

К 2008 г. известно 117 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые — лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций (см. Приложения). Первые 112 элементов имеют постоянные названия, остальные — временные.

Каждый из химических элементов, представленный в оболочках Земли: атмосфере, литосфере и гидросфере - может служить ярким примером, подтверждающим фундаментальное значение атомно-молекулярного учения и периодического закона. Они были сформулированы корифеями естествознания – русскими учеными М. В. Ломоносовым и Д. И. Менделеевым. Лантаноиды и актиноиды – это два семейства, которые содержат по 14 химических элементов, а также сами металлы – лантан и актиний. Их свойства - как физические, так и химические - будут рассмотрены нами в данной работе. Кроме этого, мы установим, как положение в периодической системе водорода, лантаноидов, актиноидов зависит от строения электронных орбиталей их атомов.

История открытия

В конце 18 столетия Ю. Гадолином было получено первое соединение из группы редкоземельных металлов – оксид иттрия. До начала 20 столетия благодаря исследованиям Г. Мозли в химии стало известно о существовании группы металлов. Они располагались в периодической системе между лантаном и гафнием. Еще один химический элемент – актиний, подобно лантану, образует семейство из 14 радиоактивных химических элементов, названных актиноидами. Их открытие в науке произошло, начиная с 1879 года до середины 20 века. Лантаноиды и актиноиды имеют достаточно много черт сходства как в физических, так и в химических свойствах. Это можно объяснить расположением электронов в атомах этих металлов, которые находятся на энергетических уровнях, а именно для лантаноидов это четвертый уровень f-подуровень, а для актиноидов - пятый уровень f-подуровень. Далее мы рассмотрим электронные оболочки атомов вышеназванных металлов более подробно.

Строение внутренних переходных элементов в свете атомно-молекулярного учения

Гениальное открытие строения химических веществ М. В. Ломоносова явилось основой для дальнейшего изучения электронных оболочек атомов. Резерфордовская модель строения элементарной частицы химического элемента, исследования М. Планка, Ф. Гунда позволили ученым-химикам найти правильное объяснение существующим закономерностям периодического изменения физических и химических свойств, которыми характеризуются лантаноиды и актиноиды. Нельзя обойти вниманием и важнейшую роль периодического закона Д. И. Менделеева в изучении строения атомов переходных элементов. Остановимся на этом вопросе более детально.

Место внутренних переходных элементов в периодической системе Д. И. Менделеева

В третьей группе шестого – большего периода - за лантаном находится семейство металлов, расположенных от церия и до лютеция включительно. У атома лантана 4f-подуровень пустой, а у лютеция полностью наполнен 14-ю электронами. У элементов, расположенных между ними, идет постепенное заполнение f-орбиталей. В семействе актиноидов – от тория до лоуренсия - соблюдается тот же принцип накопления отрицательно заряженных частиц с единственным отличием: заполнение электронами происходит на 5f-подуровне. Строение же внешнего энергетического уровня и количество отрицательных частиц на нем (равное двум) у всех вышеперечисленных металлов одинаково. Данный факт отвечает на вопрос о том, почему лантаноиды и актиноиды, названные внутренними переходными элементами, имеют много черт сходства.

В некоторых источниках химической литературы представителей обоих семейств объединяют во вторые побочные подгруппы. В них содержится по два металла из каждого семейства. В короткой форме периодической системы химических элементов Д.И Менделеева представители этих семейств выделены из самой таблицы и расположены отдельными рядами. Поэтому положение лантаноидов и актиноидов в периодической системе отвечает общему плану строения атомов и периодичности заполнения электронами внутренних уровней, а присутствие одинаковых степеней окисления послужило причиной объединения внутренних переходных металлов в общие группы. В них химические элементы обладают признаками и свойствами, равнозначными лантану или актинию. Вот почему лантаноиды и актиноиды вынесены из таблицы химических элементов.

Как электронная конфигурация f-подуровня влияет на свойства металлов

Последствия уменьшения ионных радиусов атомов

У лантана и актиния, как и у элементов из их семейств, наблюдается монотонное снижение величины показателей радиусов ионов металлов. В химии в таких случаях принято говорить о лантаноидном и актиноидном сжатии. В химии установлена следующая закономерность: с увеличением заряда ядра атомов, в случае если элементы относятся к одному и тому же периоду, их радиусы уменьшаются. Объяснить это можно следующим образом: у таких металлов, как церий, празеодим, неодим, количество энергетических уровней в их атомах неизменно и равно шести. Однако заряды ядер соответственно увеличиваются на единицу и составляют +58, +59, +60. Это значит, что возрастает сила притяжения электронов внутренних оболочек к положительно заряженному ядру. Как следствие происходит уменьшение радиусов атомов. В ионных соединениях металлов с увеличением порядкового номера ионные радиусы также уменьшаются. Аналогичные изменения наблюдаются и у элементов семейства актиния. Вот почему лантаноиды и актиноиды называют близнецами. Уменьшение радиусов ионов приводит в первую очередь к ослаблению основных свойств гидроксидов Се(ОН)₃, Pr(OH)₃, а основание лютеция уже проявляет амфотерные свойства.

К неожиданным результатам приводит заполнение 4f-подуровня неспаренными электронами до половины орбиталей у атома европия. У него радиус атома не уменьшается, а, наоборот, увеличивается. У следующего за ним в ряду лантаноидов гадолиния на 5d-подуровне появляется один электрон 4f-подуровня аналогично Eu. Такое строение вызывает скачкообразное уменьшение радиуса атома гадолиния. Подобное явление наблюдается в паре иттербий – лютеций. У первого элемента радиус атома большой по причине полного заполнения 4f-подуровня, а у лютеция он скачкообразно уменьшается, так как на 5d-подуровне наблюдается появление электронов. У актиния и других радиоактивных элементов этого семейства радиусы их атомов и ионов изменяются не монотонно, а, так же как и у лантаноидов, скачкообразно. Таким образом, лантаноиды и актиноиды являются элементами, у которых свойства их соединений коррелятивно зависят от ионного радиуса и строения электронных оболочек атомов.

Валентные состояния

Лантаноиды и актиноиды являются элементами, чьи характеристики достаточно сходны. В частности, это касается их степеней окисления в ионах и валентности атомов. Например, торий и протактиний, проявляющие валентность, равную трём, в соединениях Th(OH)₃, PaCl₃, ThF₃, Pa₂(CO₃)_3. Все эти вещества являются нерастворимыми и имеют те же химические свойства, что и металлы из семейства лантана: церий, празеодим, неодим и т. д. Лантаноиды в этих соединениях также будут трехвалентными. Эти примеры еще раз доказывают нам правильность утверждения, что лантаноиды и актиноиды – близнецы. Они обладают сходными физическими и химическими свойствами. Это можно объяснить прежде всего строением электронных орбиталей у атомов обоих семейств внутренних переходных элементов.

Металлические свойства

Все представители обеих групп являются металлами, у которых достраиваются 4f-, 5f-, а также d-подуровни. Лантан и элементы его семейства называют редкоземельными. Их физические и химические характеристики настолько близки, что по отдельности в лабораторных условиях они разделяются с большим трудом. Проявляя чаще всего степень окисления +3, элементы ряда лантана имеют много сходных черт со щелочноземельными металлами (барием, кальцием, стронцием). Актиноиды также являются чрезвычайно активными металлами, к тому же еще и радиоактивными.

Особенности строения лантаноидов и актиноидов касаются и таких свойств, как, например, пирофорность в мелкодисперсном состоянии. Наблюдается также уменьшение размеров гранецентрированных кристаллических решеток металлов. Добавим, что все химические элементы обоих семейств – это металлы с серебристым блеском, из-за высокой реакционной способности быстро темнеющие на воздухе. Они покрываются пленкой соответствующего оксида, защищающей от дальнейшего окисления. Все элементы достаточно тугоплавки, за исключением нептуния и плутония, температура плавления которых значительно ниже 1000 °С.

Характерные химические реакции

Как было отмечено ранее, лантаноиды и актиноиды являются химически активными металлами. Так, лантан, церий и другие элементы семейства легко соединяются с простыми веществами – галогенами, а также с фосфором, углеродом. Лантаноиды могут также взаимодействовать как с монооксидом углерода, так и с углекислым газом. Они также способны разлагать воду. Кроме простых солей, например таких как SeCl₃ или PrF₃, они образуют двойные соли. В аналитической химии важное место занимают реакции металлов-лантаноидов с аминоуксусной и лимонной кислотами. Образующиеся в результате таких процессов комплексные соединения применяются для разделения смеси лантаноидов, например в рудах.

При взаимодействии с нитратной, хлоридной и сульфатной кислотами, металлы образуют соответствующие соли. Они хорошо растворимы в воде и легко способны к образованию кристаллогидратов. Нужно отметить, что водные растворы солей лантаноидов окрашены, что объясняется присутствием в них соответствующих ионов. Растворы солей самария или празеодима зеленого цвета, неодима – красно-фиолетового, прометия и европия – розового. Так как ионы со степенью окисления +3 окрашены, это используется в аналитической химии для распознавания ионов металлов-лантаноидов (так называемые качественные реакции). Для этой же цели применяют еще и такие методы химического анализа, как дробная кристаллизация и ионообменная хроматография.

У актиноидов можно выделить две группы элементов. Это берклий, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий и уран, нептуний, плутоний, омереций. Химические свойства первой из них подобны лантану и металлам из его семейства. Элементы второй группы обладают очень похожими химическими характеристиками (практически идентичны друг другу). Все актиноиды быстро взаимодействуют с неметаллами: серой, азотом, углеродом. С кислородсодержащими легандами они образуют комплексные соединения. Как видим, металлы обоих семейств близки между собой по химическому поведению. Вот почему лантаноиды и актиноиды часто называют металлами-близнецами.

Положение в периодической системе водорода, лантаноидов, актиноидов

Нужно учитывать тот факт, что водород является достаточно реакционноспособным веществом. Он проявляет себя в зависимости от условий химической реакции: как восстановителем, так и окислителем. Именно поэтому в периодической системе водород располагается одновременно в главных подгруппах сразу двух групп.

В первой водород играет роль восстановителя, как и щелочные металлы, расположенные здесь. Место водорода в 7-й группе наряду с элементами галогенами указывает на его восстановительную способность. В шестом периоде находится, как уже ранее было сказано, семейство лантаноидов, вынесенное в отдельный ряд для удобства и компактности таблицы. Седьмой период содержит группу радиоактивных элементов, по своим характеристикам подобным актинию. Актиноиды располагаются вне таблицы химических элементов Д.И Менделеева под рядом семейства лантана. Эти элементы наименее изучены, так как ядра их атомов очень неустойчивы по причине радиоактивности. Напомним, что лантаноиды и актиноиды относятся к элементам внутренним переходным, а их физико-химические характеристики очень близки между собой.

Общие способы получения металлов в промышленности

За исключением тория, протактиния и урана, которые добывают прямым путем из руд, остальные актиноиды можно получить путем облучения образцов металлического урана быстродвижущимися потоками нейтронов. В промышленных масштабах нептуний и плутоний добывают из отработанного топлива ядерных реакторов. Отметим, что получение актиноидов – это достаточно сложный и дорогостоящий процесс, основными методами которого являются ионный обмен и многостадийная экстракция. Лантаноиды, которые называют редкоземельными элементами, получают путем электролиза их хлоридов или фторидов. Чтобы добыть сверхчистые лантаноиды, используют металлотермический метод.

Где применяют внутренние переходные элементы

Спектр использования изучаемых нами металлов достаточно широк. Для семейства актиния – это, прежде всего, ядерное оружие и энергетика. Важное значение имеют актиноиды и в медицине, дефектоскопии, активационном анализе. Нельзя обойти вниманием применение лантаноидов и актиноидов в качестве источников захвата нейтронов в ядерных реакторах. Лантаноиды же применяют в качестве легирующих добавок к чугуну и стали, а также в производстве люминофоров.

Распространение в природе

Оксиды актиноидов и лантаноидов часто называют циркониевой, ториевой, иттриевой землями. Они являются основным источником для получения соответствующих металлов. Уран, как главный представитель актиноидов, находится в наружном слое литосферы в форме четырёх видов руд или минералов. Прежде всего, это урановая смолка, представляющая собой двуокись урана. В ней содержание металла самое высокое. Часто диоксиду урана сопутствуют радиевые месторождения (жилы). Они встречаются в Канаде, Франции, Заире. Комплексы ториевой и урановой руды часто содержат руды других ценных металлов, например золота или серебра.

Запасами такого сырья богаты Россия, Южно-Африканская республика, Канада и Австралия. В некоторых осадочных породах содержится минерал карнотит. В его состав, кроме урана, входит еще и ванадий. Четвертый вид уранового сырья – это фосфатные руды и железоурановые сланцы. Их запасы находятся в Марокко, Швеции и США. В настоящее время перспективными считаются также залежи лигнитов и каменного угля, содержащие примеси урана. Их добывают в Испании, Чехии, а также в двух американских штатах – Северной и Южной Дакоте.

Слайды и текст этой презентации

Положение в ПСХЭ водорода, лантаноидов, актиноидов и искусственно полученных элементов

Длительное время положение водорода в периодической системе элементов было двойственным – его размещали и в 1-й, и в 7-й группах, но по последним рекомендациям ИЮПАК водород – элемент группы № 1.

Торий (Th) № 90 (назван по имени Тора — скандинавского бога войны) — тяжёлый слаборадиоактивный; чистый металл мягок и пластичен, но сплавы могут быть очень твердыми, например, с Mg. Используется в светопреломляющих материалах, ядерных топливных элементах, непроницаемых для газов оболочках.
Протактиний (Ра) № 91 (от греческого protos — первый) — содержится в урановом ядерном топливе, в промышленности применяется мало.
Уран (U) № 92 (назван в честь планеты Уран) — ковкий, пластичный металл. Используется как ядерное топливо в реакторах, а изотоп 235U — для создания ядерного оружия.

История синтеза сверхтяжелых элементов

В 1940-1953 годах профессором Гленом Сиборгом и его коллегами в Радиационной национальной лаборатории (Беркли, США) были синтезированы искусственные элементы с Z=93-100. Они были получены в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами изотопа урана 235U в длительных облучениях на мощных ядерных реакторах. Элемент с Z=101 (менделевий) был открыт в 1955 году при облучении эйнштейния ускоренными aльфа-частицами. В России в 1957 году для синтеза новых элементов была создана специальная лаборатория в Дубне, которую возглавил член-корреспондент Академии наук СССР Георгий Николаевич Флеров.

С 1960-х годов началась эпоха ускорителей элементарных частиц - циклотронов, эпоха ускорения тяжелых ионов, когда синтез новых элементов стали производить только при взаимодействии двух тяжелых ядер. Пять элементов с Z>101 были получены на ускорителях заряженных частиц (циклотрон Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ; Дубна, СССР) и линейный ускоритель тяжелых ионов "Хайлак" (Беркли, США) в ядерных реакциях с ускоренными тяжелыми ионами. Элементы с атомными номерами, начиная с 105, являются сверхтяжелыми искусственно полученными радиоактивными химическими элементами. Элементы с атомными номерами
104 и далее называются трансактинидными.

104-й элемент был впервые синтезирован в Дубне в 1964 году. Его получила группа ученых Лаборатории ядерных реакций во главе с Флеровым. В 1969 году элемент был получен группой ученых в университете Беркли, Калифорния. В 1997 году элемент получил название резерфордий, символ Rf. 105-й элемент был синтезирован в 1970 году двумя независимыми группами исследователей в Дубне и Беркли (США). Получил название дубний в честь города Дубна, где располагается Объединенный институт ядерных исследований, символ Db. Впервые 106-й элемент был получен в СССР Флеровым с сотрудниками в 1974 году, практически одновременно он был синтезирован в США Гленом Сиборгом с коллегами. В 1997 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) утвердил для 106 элемента название сиборгий (в честь Сиборга), символ Sg.

110-й элемент был открыт в 1994 году в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштатде (ФРГ) в ходе эксперимента по напылению на пластины специального сплава, содержащего свинец, и его бомбардировки изотопами никеля. Назван дармштадтий в честь города Дармштадт (Германия), где был обнаружен. Символ Ds. 111-й элемент тоже был открыт в Германии, получил название рентгений (химический символ Rg) в честь германского ученого Вильгельма-Конрада Рентгена. 112-й элемент представляет собой трансурановый элемент, полученный при бомбардировке свинцовой мишени ядрами цинка. Период его полураспада составляет около 34 сек. Элемент был впервые получен в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Дармштадте.

Последний успешный эксперимент по синтезу нового сверхтяжелого элемента был проведен в Лаборатории имени Флерова Объединенного института ядерных исследований в 2010 году, был получен 117-й элемент таблицы Менделеева (Унунсептий). В апреле 2011 года физики из немецкого Центра исследования тяжелых ионов (GSI) в Дармштадте (Гессен) при участии российских коллег начали эксперимент по синтезу нового химического элемента с атомным номером 120.

Читайте также: