Лантаниды и актиниды реферат

Обновлено: 05.07.2024

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.

Это туго­плавкие соединения, особенно ТhO2 (т. пл. 3220 °С). При более сильном нагревании (до красного каления) уран образует темно-зеленый оксид U3O8, формулу этого соединения можно записать U2+4U+6O8 .

Гидроксиды Э(ОН)3 малорастворимы в воде и имеют основный характер. Гидроксиды Э(ОН)4 имеют основный характер и также нерастворимы в воде

Рассматриваемые метал­лы реагируют с кислотами, образуя соли Э+4.

Э + 2Н2SO4 = Э(SO4)2 + 2H2

Соли, в которых актиноиды находятся в состоянии окисления +4, напоминают по свойствам соли Се4+. Соли актиноидных метал­лов, в которых последние находятся в степени окисле­ния +3, сходны по свойствам с аналогичными солями лантаноидов.

При действии на уран избытка фтора образуется гексафторид UF6 бесцветное, легко возгоняющееся кристаллическое вещество (давление его пара 101 кПа при 56,5 °С). Это единственное соединение урана, сущест­вующее в газообразном состоянии при низкой температуре. Данное обстоя­тельство имеет большое практическое значение, поскольку разделение изо­топов 235U и 238U (с целью получения атомной энергии) осуществляют с по­мощью процессов, протекающих в газовой фазе (центрифугирование, газовая диффузия). При растворении в воде UF6 гидролизуется

UF6 +2Н2О = UО2F2 +4HF

Тетрафторид UF4 получают действием HF на UО2.

UО2 + 4 HF = UF4 + 2Н2О

Аналогичными свойствами обладают гексафториды нептуния и плутония.

С хлором уран образует легко растворяющийся в воде тетрахлорид UCl4. При избытке хлора получает­ся UCI5, легко диспропорционирующий на UCl4 и UC16 .

При нагревании уран активно взаимодействует с азотом, серой и другими элементными веществами.

Соединения U+4 в подкисленных водных растворах легко окисляются до шестивалентного состояния с образованием ярко-желтых солей уранила. Поскольку с увеличением заряда иона актиноида усиливается его взаимодействие с водой (гидролиз), то в водном растворе ионы Э5+ и Э6+ не существуют. В воде они превращаются соответственно в ионы ЭО2+ и ЭО22+. Связи атомов кислорода с ионами акти­ноидов в состоянии окисления +5 и +6 настолько прочны, что ионы ЭО2+ и ЭО22+остаются неизменными при многих химических превращениях. Гидроксид уранила при нагревании разлагается, образуя оксид UО3. При действии Н2О2 на раствор нитрата ура­нила образуется желтый пероксид урана:

U02(N03)2 + Н202 + 2Н20 = U04 •2Н20 Ї + 2HN03

Для соединений актиноидов чрезвычайно характер­ны реакции диспропорционирования. Например, ион пятивалентного плутония РuО2+ в водном растворе диспропорционирует на ионы трехвалентного и шести­валентного плутония:

3Pu02+ + 4Н+ = Рu3+ + 2PuO22+ + 2Н20

Многие соли актиноидов хорошо растворимы в различных органических растворителях, не смешиваю­щихся с водой. На этом основана экстракция соеди­нений актиноидов органическими веществами из вод­ных растворов. Экстракционные процессы нашли широкое применение в технологии выделения и разделения, близких по свойствам актиноидов.

f –элементы в природе и их применение.

В природе лантаноиды очень рас­сеяны и в свободном виде не встречаются, а лишь в; сочетании друг с другом или с лантаном и иттрием. При отделении рассматриваемых элементов друг от друга большие трудности возникают ввиду чрезвычай­ного сходства свойств лантаноидов. Содержание лан­тана и лантаноидов в земной коре составляет 0,01 %' (масс), т. е. примерно такое же, как меди. Наиболее распространены гадолиний, церий и неодим, наиболее редко гольмий, тулий и лютеций.

Очень редко встречается радиоактивный элемент прометий. Впервые он выделен в 1947 г. из продуктов деления урана в ядерном реакторе.

Лантаноиды обычно получают электролизом рас­плавленных хлоридов или фторидов. Они могут быть также получены металлотермическим способом при восстановлении фторидов или хлоридов активными металлами.

Лантаноиды используют в производстве особых марок чугуна и высококачественных сталей. Введение, этих элементов в чугун в виде ферроцерия (сплав церия с железом) или сплава различных лантаноидов повышает прочность чугуна. Небольшие добавки лан­таноидов к стали очищают ее от серы, азота и других примесей, так как лантаноиды, являясь химически активными металлами, взаимодействуют с примесями. При этом повышаются прочность, жаропрочность и коррозионная устойчивость сталей. Такие стали пригодны для изготовления деталей сверхзвуковых самолетов, оболочек искусственных спутников Земли. С помощью лантаноидов получают также жаропроч­ные сплавы легких металлов —магния и алюминия. Благодаря сплавам лантаноидов проводят металлотермическое восстановление многих металлов (титана, ва­надия, циркония, ниобия, тантала и др.), используя в этом процессе большое сродство лантаноидов к кис­лороду.

Важную роль играют лантаноиды и в силикатной промышленности. При добавлении к жидкой массе стекла оксидов лантаноидов стекло приобретает высо­кую прозрачность. Оно становится при этом устойчи­вым не только к действию ультрафиолетовых лучей, но и к рентгеновскому излучению. Стекла с добавкой лантаноидов необходимы для астрономических и спек­троскопических приборов. Стекла окрашиваются в ярко-красный цвет от присутствия Nd203, в зеленый — от Рr203. Оксиды лантаноидов пригодны также для окраски фарфора, глазурей и эмалей.

Оксиды гадолиния, самария и европия входят в состав защитных керамических покрытий от тепловых нейтронов в ядерных реакторах. Соединения ланта­ноидов входят в состав красок, лаков, люминофоров (светящиеся составы), катализаторов.

Все актиноиды радиоактивны. За период существо­вания Земли большинство из них полностью распа­лось и в настоящее время в природе не встречаются. Поэтому их получают искусственно. Существование в природе тория, протактиния и урана объясняется тем, что они имеют сравнительно стабильные изотопы, т.е. изотопы с большим периодом полураспада.

Промышленным источником тория служат монацитовые пески. Они также являются сырьем для полу­чения редкоземельных элементов. Известны богатые по содержанию минералы торит ThSi04 и торианит (Th,U)02. Однако они редко встречаются в природе и не образуют больших скоплений.

Протактиний чрезвычайно рассеянный элемент. Его добывают из отходов переработки урана. Однако в настоящее время изотоп протактиния-231 синтези­руют искусственным путем в ядерных реакторах. Та­ким способом его получают в больших количествах, чем из уранового сырья.

Для урана известно около 200 минералов. Однако промышленное значение имеют лишь немногие. К их числу относится минерал настуран (урановая смолка, или урановая обманка). Обычно ему приписывают формулу U3O8. Довольно широко распространен так­же минерал отэнтит - Ca(U02)2(P04)2•H20. В нич­тожных количествах в природе также встречаются нептуний и плутоний. Однако их существование объ­ясняется тем, что в природе происходят ядерные про­цессы, подобные тем, которые человек производит в ядерных реакторах.

В настоящее время в различных странах мира су­ществует хорошо налаженное производство актиноид­ных металлов в следующих масштабах (за один год):

Нептуний Десятки килограм- Калифор- Доли грамма

Плутоний Тонны Эйнштей- Доли миллиграмма

Америций Десятки килограм- ний

мов Фермий Миллиарды атомов

Кюрий Килограммы Менделевий Тысячи атомов

Из актиноидов наибольшее применение нашли уран и плутоний. Дело в том, что ядра двух изотопов урана (235U и 233U), а также двух изотопов плутония (239Рu и 241Рu) при захвате нейтрона способны де­литься на два осколка, причем в каждом акте ядер­ного деления, наряду с осколками, делящееся ядро испускает два или три нейтрона. Благодаря этому ста­новится возможным не только продолжение начавшегося деления ядер, но и ла­винообразное его нараста­ние (рис. 1).

Деление ядер связано с огромным выделением энер­гии. Так, при делении урана-235 происходит выделе­ние около 75 млн. кДж энергии на 1 г урана. Это обусловило использование урана и плутония в качестве ядерного горючего в атомных энергетических установках и в качестве взрывчатого вещества в атом­ных бомбах.

Для взрыва ядерного материала необходимо такое развитие цепного процесса, при котором выделив­шаяся

энергия достигнет взрывного порога. Это может быть обеспечено при определенной массе делящегося вещества. Минимальную массу этого вещества, необ­ходимую для взрыва, называют критической. Однако, если два куска делящегося материала, которые в сум­ме составляют критическую массу, находятся на каком-то расстоянии друг от друга, то взрыва не про­исходит. Достаточно соединить эти куски и произой­дет взрыв. После сказанного будет понятен принцип устройства атомной бомбы (рис. 2): запал 4 обеспе­чивает взрыв обычного взрывчатого вещества 1, это приводит в соприкосновение куски ядерного горючего 2, которые вместе составляют критическую массу, и происходит взрыв.

Петров М.М. и др. Неорганическая химия. - Л.: Химия, 1998.

Угай Я.А. Неорганическая химия : Учебник для хим. Спец. Вузов. – М.: Высшая школа, 1989.

Карапетьянц М.Х. , Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. – М.: Химия,1993.

Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: Химия, 1975.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.

Лантаноиды (лантаниды) — семейство, состоящее из 15 химических элементов III группы 6-го периода периодической таблицы — металлов, с атомными номерами 57—71 (от лантана до лютеция). Все представители семейства имеют стабильные изотопы, кроме прометия.

Скандий, иттрий и лантаноиды относятся к группе редкоземельных элементов (сокр. РЗЭ) и часто рассматриваются в этом контексте, однако распространенность отдельных элементов показывает, что редкими они не являются. В научных материалах для обозначения лантаноидов применяют вышеуказанный термин, включая в него иттрий и скандий, или по отдельности.

Запись Ln используется для указания на все или некоторые металлы, ионы, степени окисления, при записи химических формул и пр.

У всех лантаноидов, начиная с церия и заканчивая иттербием, заполняется 4f-подоболочка; у лантана 4f-электронов нет, а у лютеция — 14. Неспаренные 4f-электроны наделяют некоторые металлы различными ценными магнитными, спектроскопическими и люминесцентными свойствами. Более того, поскольку эти электроны хорошо экранированы внешними подоболочками (5s и 5p), спектральные характеристики сохраняются при добавлении лигандов. Все лантаноиды образуют катионы Ln 3+ (некоторые ещё и Ln 2+ , Ln 4+ ), ионный радиус которых постоянно уменьшается при увеличении атомного номера, — этот феномен известен как лантаноидное сжатие (то же самое проявляется у актиноидов). Непрерывно понижается основность элементов от лантана до лютеция, что обуславливает различие в растворимости солей и в устойчивости их комплексных соединений.

Публикация работы норвежским геохимиком Виктором Гольдшмидтом, в которой впервые был употреблен термин лантаноиды, произошла в 1925 г. (аналогично было дано название актиноидам в 1937 г.).

Содержание

• 1 История
  • 1.1 До 1840-х
  • 1.2 1843—1878
  • 1.3 После 1870-х
    • 1.3.1 Тенденции в изучении
    • 2.1 Месторождения
      • 2.1.1 Китай
      • 3.1 Физические свойства
        • 3.1.1 Полиморфизм
        • 3.2.1 Бинарные соединения
          • 3.2.1.1 Оксиды и гидроксиды
          • 3.2.1.2 Галогениды
          • 4.1 До 1950-х
          • 4.2 После 1950-х
            • 4.2.1 Люминесцентные материалы
            • 4.2.2 Магниты
            • 4.2.3 Промышленность
            • 4.2.4 Медицина

            История

            
            
            

            Лантаноиды образуют самую большую группу элементов периодической системы, находящихся в природе. Их свойства настолько похожи, что с 1794 г., когда Юхан Гадолин выделил оксид иттрия, и вплоть до 1907 г. было сделано почти сто заявлений об открытии элементов. Это объясняется тем, что в то время не существовало теста на индивидуальность элемента, а исследователям было непонятно, сколько же должно быть элементов в семействе, так как в периодической системе можно было поместить только один элемент — лантан. К 1913 г. на основании работы Г. Мозли уже стало понятно, что между лантаном и гафнием число элементов как раз равно четырнадцати: при сравнении энергии рентгеновских спектров атомов элементов периодической таблицы и их атомного веса им были обнаружены пробелы, пропуски. Для устранения пропусков учёный счел необходимым расположить элементы в соответствии с химическими свойствами, а не увеличивающимся атомным весом. Его работа показала, что каждый элемент имеет постоянную величину — атомное число, увеличивающееся на постоянную величину от элемента к элементу. В конечном счёте лантаноиды были расположены в отдельном месте ниже основной таблицы. А в 1921 г. Нильсом Бором была предложена структура электронных орбиталей атома, которая объясняла проблему редкоземельных элементов. (Лантаноиды часто называют и включают в понятие редкоземельные элементы, однако, например, лютеций по распространенности в земной коре превосходит серебро.)

            Некоторое представление об их схожих химических свойствах можно получить из фактов истории изучения. Разделение различных элементов от содержащих их минералов заняло у ученых более ста лет, и даже вплоть до середины XX века (до развития ионообменной техники разделения) для получения в действительно чистом виде некоторых соединений редких лантаноидов требовалось до 40 000 повторений операции по фракционной перекристаллизации . Например: в 1911 г. выделение чистого бромата тулия Ч. Джеймсом требовало около 15 000 таких операций, а за 15 лет Ж. Урбэном и его помощниками проведено суммарно около 20 000. Указанный метод разделения является лишь одним из нескольких классических, и включает в себя некоторые свойства:

            • разница в основности позволяла при постепенном добавлении щелочи осадить в первую очередь менее осно́вные гидроксиды тяжелых лантаноидов;
            • различия в растворимости таких солей, как оксалаты (например, возможность применения этого метода была обнаружена Карлом Мосандером при поиске способов получения чистых соединений эрбия и тербия), двойные сульфаты и двойные нитраты.

            Помимо вышеуказанных, существует возможность перевода в другие степени окисления, отличные от +3, например, Ce IV , Eu II . Указанный способ, применимый в отдельных случаях, позволял получать наиболее чистый продукт. В настоящее время метод перекристаллизации является устаревшим, поскольку реакции ионного обмена и экстракция растворителем по сравнению с ним более быстры и менее трудоемки.

            До 1840-х

            
            

            Минерал церит, открытый в 1751 году А. Кронштедтом и содержащий редкоземельные элементы, послужил отправной точкой в открытии церия. В 1803 году Вильгельм фон Хизингер и Йёнс Берцелиус в Швеции (и независимо от них Мартин Клапрот во Франции) нашли в минерале новую землю, названную цериевой в честь астероида Цереры. После открытия французский химик Луи Воклен впервые исследовал его и показал, что цериевая земля может быть белой и оранжевой. Этот факт впервые указал на существование церия в двух валентных формах. Учёный восстановил землю и пришёл к выводу, что церий является металлом, не похожим на другие известные на тот момент. Впоследствии (с 1839 по 1843 годы) Карл Мосандер доказал, что эта и ранее открытая — иттриевая — земли представляли собой смеси оксидов нескольких лантаноидов. Элемент был выделен В. Хиллебрандом и Т. Нортоном в металлическом виде только в 1875 г.

            
            

            В январе 1840 года Мосандеру удалось достичь успеха, выделив из аметистового раствора сульфата лантана две фракции:

            Д. И. Менделеев придерживался мысли, которую потом подтвердил исследованиями, что редкоземельные элементы трёхвалентны. В итоге, в первой половине XIX века было установлено существование не только великой родины элементов, но и изучены некоторые индивидуальные свойства.

            1843—1878

            В 1848 г. умер Й. Берцелиус — видный учёный-химик, занимавшийся наукой почти 50 лет, — и в следующие 30 лет интерес ученых к органической химии затмил неорганическую: большинство соединений металлов научились получать традиционными методами фракционного осаждения и кристаллизации — стало понятным, что яркий период в истории открытий закончился. Дальнейший прогресс требовал новых концепций и развития в технике изучения.

            
            

            Тем не менее, изучение редкоземельных элементов не остановилось, несмотря на то, что в основном по началу внимание было приковано к лантану, церию, дидиму. Новой заметной фигурой в изучении стал Жан Шарль Мариньяк, который немногим позднее выделил три новых элемента; им же были более точно определены атомные массы нескольких элементов (церия, лантана и дидима), доработан метод отделения, разработанный Мосандером, позволявший получить более чистые препараты. В 1848 г. вычислил атомный вес церия в реакции сульфата церия(III) с хлоридом бария (позже несколько раз менялся другими исследователями), а через год вычислил веса лантана и дидима. В 1853 г. детально изучил химические свойства дидима: цвет, кристаллы солей, растворимость, методы получения галогенидов, сульфидов, фосфатов, сульфатов, оксалатов, соединений с мышьяком; ещё через два года то же самое произвел с лантаном.

            Необходимый для дальнейшего развития науки спектральным анализом шаг вперед был сделан Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом в 1859 г.

            
            

            Открытие скандия ещё до обнаружения в природе значительно помогло в дальнейшем становлении и утверждении периодической системы химических элементов. Более того, различные варианты положения элементов в таблице предоставлялись исследователями в попытке разрешить задачу положения редкоземельных элементов, поскольку существовал недостаток знаний в теории; в то время как большинство элементов хорошо подходило для определённых ячеек (мест) таблицы, редкоземельные металлы с их очень похожими свойствами все ещё оставались в неопределённом положении, служившим источником вдохновения для исследователей.

            После 1870-х

            Исследования Карла Густава Мосандера (1797—1858) побудили многих химиков исследовать минералы, содержащие церий и иттрий. Однако прогресс протекал медленно до тех пор, пока ученые в конце 1870-х гг. не научились изучать химические свойства с помощью спектроскопии (помимо совершенствования техники отделения). В последующие года прогресс в изучении и открытии элементов проходил намного быстрее. Благодаря анализам спектров были открыты (или подтверждено существование) некоторые из представителей: тербий, иттербий, гольмий, тулий и самарий. С другой стороны, применение более чувствительной техники приводило и к ошибочным выводам: даже малое количество примеси в изучаемом препарате могло сильно изменить записанный спектр.

            Минерал самарскит (открыт Г. Розе в 1839 г. и назван в честь русского горного инженера) обратил на себя большое внимание исследователей в 1878 г.; М. Делафонтен, изучая образцы минерала, обнаружил отличный спектр абсорбции дидима от изолированного из церита. Являясь потенциальным источником новых элементов, минерал был изучен П. Э. Лекоком де Буабодраном, который обнаружил необъяснимые линии в спектре, предполагающие наличие нового элемента. Позднее было доказано, что его можно отделить от дидима и деципия на основании различных химических свойств, и 16 июля 1879 г. исследователь сообщил об открытии самария, впервые выделенного из минерала.

            
            

            
            

            Неуверенность в присутствии новых элементов привела к интенсивному изучению самария, в результате чего произошло открытие двух лантаноидов: гадолиния и европия. В 1880 г. Ж. Мариньяк принялся за изучение самарскита. Применяя фракционное осаждение и используя сульфат калия с последующим выделением оксалатов, были получены две потенциально новые земли: Yα и Yβ. Спектральный анализ Соре позволил предположить, что Yβ — самарий, а Yα не был похож ни на один из известных элементов, включая деципий. В 1881 г. Делафонте получил более чистый деципий, позволивший сделать вывод о его схожести с элементом Yα и присутствии ранее примеси самария.

            
            

            Разница между актинидами и лантаноидами - Разница Между

            Содержание:

            Основное отличие - актиниды против лантаноидов

            Актиниды и лантаноиды являются химическими элементами, которые находятся в блоке f периодической таблицы элементов. Это означает, что их валентные электроны находятся на орбите их атомов. Эти химические элементы находятся в виде металлов и называются внутренними переходными металлами. Блок f состоит только из серии лантаноидов и серии актинидов. Этим периодам даны эти названия, поскольку ряд актинидов начинается с химического вещества, называемого актинием, а ряд лантаноидов начинается с химического элемента, называемого лантаном. Химические элементы в ряду актинидов называются актинидами, а элементы в ряду лантаноидов называются лантаноидами. Основное различие между актинидами и лантаноидами заключается в том, что актиниды могут легко образовывать комплексы, тогда как лантаноиды не образуют комплексов легко.

            Ключевые области покрыты

            1. Что такое актиниды
            - определение, общие свойства
            2. Что такое лантаноиды
            - определение, общие свойства
            3. В чем разница между актинидами и лантаноидами
            - Сравнение основных различий

            Ключевые термины: актиниды, актиний, блочные элементы F, металлы внутреннего перехода, лантаниды, лантан

            
            

            Что такое актиниды

            Актиниды - это химические элементы, которые можно найти в серии актинидов блока f в периодической таблице элементов. Все актиниды являются радиоактивными элементами из-за их нестабильной природы. Эти элементы состоят из очень больших атомов. Актиниды имеют свои валентные электроны на 5f орбитали. Серия актинидов состоит из химических элементов, имеющих атомные номера от 89 до 103.

            
            

            Рисунок 1: Расположение ряда актинидов в периодической таблице элементов.

            Наиболее распространенными и распространенными актинидами на земле являются уран и торий. Они слабо радиоактивны и выделяют высокую энергию во время радиоактивного распада. Выдающееся состояние окисления среди актинидов +3. Кроме того, актиниды показывают степень окисления, такую ​​как +4, +5 и +6.

            Актиниды образуют основные оксиды и гидроксиды. Они обладают способностью образовывать комплексы с лигандами, такими как хлориды, сульфаты и т. Д. Большинство комплексов актинидов являются красочными. Однако из-за радиоактивности и поведения тяжелых металлов актиноиды считаются токсичными соединениями.

            Что такое лантаноиды

            Лантаниды - это химические элементы, которые можно найти в серии лантаноидов блока f в периодической таблице элементов. Лантаниды нерадиоактивны, за исключением прометия. Поскольку атомные числа лантаноидов варьируются от 57 до 71, они также состоят из сравнительно больших атомов. Валентные электроны лантаноидов находятся на 4-й орбите.

            
            

            Рисунок 2: Расположение лантаноидов в периодической таблице элементов

            Лантаноиды - это металлические элементы. Поэтому они окисляются во влажном воздухе. Они также быстро растворяются в кислотах. Лантаноиды могут реагировать с кислородом и галогенидами, но медленно. Наиболее заметная степень окисления лантаноидов - +3. Другие состояния окисления, которые показывают лантаноиды, +2 и +4. Но они не могут иметь степень окисления +6. Следовательно, они не могут образовывать сложные молекулы. Лантаниды не образуют оксокатионов, таких как оксиды и гидроксиды. Молекулы, образованные лантаноидами, являются менее основными.

            Почти все ионы, образованные лантаноидами, бесцветны. Лантаноиды являются электроположительными элементами. Поэтому они предпочитают формировать молекулы с электроотрицательными элементами. Однако на протяжении всей серии изменений химических и физических свойств очень мало.

            Разница между актинидами и лантаноидами

            Определение

            Актиниды: Актиниды - это химические элементы, которые можно найти в серии актинидов блока f в периодической таблице элементов.

            Лантаноиды: Лантаниды - это химические элементы, которые можно найти в серии лантаноидов блока f в периодической таблице элементов.

            Атомные номера

            Актиниды: Атомное число актинидов колеблется от 89 до 103.

            Лантаноиды: Атомное число лантаноидов колеблется от 57 до 71.

            Положение в периодической таблице

            Актиниды: Актиниды находятся в серии актинидов блока f периодической таблицы.

            Лантаноиды: Лантаниды входят в серию лантаноидов блока f периодической таблицы.

            радиоактивность

            Актиниды: Актиниды являются радиоактивными элементами.

            Лантаноиды: Лантаноиды являются нерадиоактивными элементами (кроме прометия).

            Окислительные состояния

            Актиниды: Актиниды могут иметь максимум +6 степени окисления.

            Лантаноиды: Лантаниды могут иметь максимум +4 степени окисления.

            Валентные Электроны

            Актиниды: Валентные электроны актинидов находятся на 5-й орбите.

            Лантаноиды: Валентные электроны лантаноидов находятся на 4-й орбите.

            Резюме

            Актиниды и лантаноиды - это химические элементы, которые можно найти в блоке f периодической таблицы. Актиниды являются радиоактивными элементами. Лантаноиды являются нерадиоактивными элементами за некоторыми исключениями. Основное различие между актиноидами и лантаноидами заключается в том, что актиниды могут легко образовывать комплексы, тогда как лантаноиды не образуют комплексов легко.

            Рекомендации:

            Актиноиды (актиниды), семейство из 14 радиоактивных элементов III гр. 7-го периода периодич. системы (ат. н. 90-103), следующих за актинием: торий Th, протактиний Ра, уран U, нептуний Np, плутоний Ри, америций Am, кюрии Cm, берклий Bk, калифорний Cf, эйнштейний Es, фермий Fm, менделевий Md, нобелий No и лоуренсий Lr (для последних двух элементов название не общепринято). Актиноиды объединяются, подобно лантаноидам, в особую группу благодаря сходству конфигураций внеш. электронных оболочек их атомов (см. табл.), чем обусловлена близость мн. хим. св-в. Гипотеза о существовании в 7-м периоде семейства актиноидов была выдвинута Г. Сиборгом в начале 1940-х гг.

            При последоват. переходе от Ас к Lr новые электроны заполняют, как и у лантаноидов, места не на внеш. оболочках-шестой и седьмой, а более близкую к ядру оболочку 5f Вследствие этого строение двух внеш. оболочек оказывается одинаковым. У первых актиноидов (до Am) энергии связи 5f-и 6d-электронов с ядром атома мало различаются, причем иногда энергия связи 5f-электронов больше энергии связи 6d-электронов. Поэтому у атомов и ионов элементов, непосредственно следующих за Ас, могут заполняться 5f-и(или) 6Л-оболочки.

            Степени окисления актиноидов чрезвычайно разнообразны; первые члены семейства, в отличие от лантаноидов, имеют неск. степеней окисления. Так, Th, Ра и U образуют Наиб. устойчивые соед. в степенях окисления соотв. + 4, + 5 и + 6. Начиная с Am Наиб. устойчива степень окисления 4- 3; Cm и Bk в водных р-рах, кроме степени окисления + 3, могут иметь относительно устойчивую степень окисления + 4, a Cf, Es, Fm, Md и No-также + 2.

            ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИНОИДОВ И АКТИНИЯ

            Атомный радиус, нм

            Ионный радиус, нм

            5f86s26p66d17s2 (или 5f96s26p67s2)

            Родственные соед. актиноидов и самого Ас часто изоструктурны, причем с ростом атомного номера параметры кристаллич. решеток монотонно уменьшаются. По мере увеличения заряда ядра снижаются значения ионных радиусов, т.е. наблюдается "актиноидное сжатие" (аналогичное "лантаноид-ному сжатию"), обусловленное последоват. заполнением электронами 5f-оболочки (для лантаноидов-4f-оболочки). Разница в энергиях ионизации отд. актиноидов невелика, что также является одной из причин близости их хим. св-в.

            Из актиноидов в природе распространены только U и Th; в малых кол-вах встречаются изотопы Ра-дочерние продукты распада U и Th, а также следовые кол-ва Np и Рu, образующиеся при ядерных р-циях изотопов U с нейтронами спонтанного деления. Периоды полураспада даже Наиб. устойчивых нуклидов других актиноидов столь коротки, что в земной коре они отсутствуют.

            Актиноиды-серебристо-белые металлы, темнеющие на воздухе; в мелкораздробленном состоянии пирофорны. Реакцион-носпособны. Плотность большинства актиноидов близка к 20 г/см3. Наиб. легкоплавки Np и Ри (т. пл. ок. 640 °С), остальные плавятся выше 1000°С. Т-ры кипения актиноидов превышают 3000°С.

            Актиноиды легко реагируют с Н2, О2, N2, S, галогенами и др. неметаллами. По хим. поведению Наиб. близки между собой U, Np, Ри и Am. Элементы Bk, Fm, Md, No и Lr по хим. св-вам подобны лантаноидам. Актиноиды склонны к образованию комплексных соед. (особенно с кислородсодержащими лигандами), при этом, как и в случае лантаноидов, для них характерны высокие координационные числа, вплоть до 12.

            Важное практич. значение в связи с проблемами переработки облученного ядерного топлива и разделения актиноидов имеет химия водных р-ров актиноидов. В кислых водных р-рах существуют 4 вида катионов - М3+ , М4+ , MO+2 и МО22+. Для Np открыт и пятый тип, вероятно, NpO+3. Ионы типа МO+2 и МО22+ обладают весьма прочной связью М—О. Энергии Гиббса образования ионов актиноидов в разных степенях окисления близки между собой, поэтому в р-ре могут одновременно присутствовать разл. ионы (как в случае Pu - в степенях окисления от +3 до +6, а в щелочных р-рах и + 7). Легкость перехода актиноидов из одной степени окисления в другие при окислит.-восстановит. р-циях используют для их разделения. Для соед. актиноидов в водных р-рах характерны гидролиз, полимеризация, комплексообразование, диспропорционирование, а также р-ции, вызываемые интенсивным самооблучением.

            Все актиноиды, кроме Th, Pa и U, получают искусственно - облучением U и др. элементов нейтронами. Так, Np и Ри выделяют из отработанного ядерного топлива (они образуются при захвате ядрами 238U нейтронов, возникающих при делении 235U). Изотопы элементов, следующих за Ри, получают при последоват. захвате нейтронов ядрами 239Рu в ядерных реакторах, элементы с ат. н. 100-103-бомбардировкой Pu, Am и Cm ядрами В, С или N, ускоренными на циклотроне. Выделение и очистка актиноидов-сложный многостадийный процесс, осуществляемый преим. с использованием методов ионного обмена и экстракции.

            Наиб, практич. значение имеют U, Pu, Th и Np. Нуклиды 235U и Pu-топливо в ядерной энергетике, источники энергии в ядерном оружии; 238Рu и 244Сm используют в произ-ве ядерных источников электрич. тока в бортовых космич. системах. Торий - перспективное ядерное топливо в уран-ториевых реакторах; Np применяют при произ-ве 238рu Нек-рые нуклиды актиноидов используют в медицине, дефектоскопии, активац. анализе и др.

            Все актиноиды и их соед. чрезвычайно токсичны, что обусловлено их радиоактивностью.

            Список литературы

            Вдовенко В. М., Современная радиохимия, М., 1969;

            Москвин А. И., Координационная химия актиноидов, М.. 1975;

            Лантаиоилы и актиноиды, под ред. К. У. Бэгналла, пер. с англ., М., 1977;

            Борин Л.Л., Карелин А.И., Термодинамика окислительно-восстановительных процессов в технологии актиноидов, М., I977;

            Симакин Г. А. [и др.], "Радиохимия", I977, т. 19, в. 4, с. 560-64;

            Лебедев И. А., Мясоедов Б. Ф., там же, 1982, т. 24, в. 6, с. 700-28. Б. В. Громов.

            Читайте также:

              
            • Прокуратура адвокатура нотариат реферат
              
            • Энергетическая стратегия россии на период до 2035 года реферат
              
            • Факторные планы в решении экономических задач реферат
              
            • Геморрагический и ишемический инсульт реферат
              
            • Противоречие как процесс реферат