დედამიწის გარსებში წარმოდგენილი თითოეული ქიმიური ელემენტი: ატმოსფერო, ლითოსფერო და ჰიდროსფერო - შეიძლება იყოს ნათელი მაგალითი, რომელიც ადასტურებს ატომური და მოლეკულური თეორიისა და პერიოდული კანონის ფუნდამენტურ მნიშვნელობას. ისინი ჩამოაყალიბეს ბუნებისმეტყველების მნათობებმა - რუსმა მეცნიერებმა მ.ვ.ლომონოსოვმა და დ.ი.მენდელეევმა. ლანთანიდები და აქტინიდები არის ორი ოჯახი, რომლებიც შეიცავს 14 ქიმიურ ელემენტს, ისევე როგორც თავად ლითონებს - ლანთანუმს და აქტინუმს. მათი თვისებები - როგორც ფიზიკური, ასევე ქიმიური - ჩვენ განვიხილავთ ამ ნაშრომში. გარდა ამისა, ჩვენ დავადგინებთ, თუ როგორ არის დამოკიდებული წყალბადის, ლანთანიდების, აქტინიდების პერიოდულ სისტემაში პოზიცია მათი ატომების ელექტრონული ორბიტალების სტრუქტურაზე.
აღმოჩენის ისტორია
მე-18 საუკუნის ბოლოს ი.გადოლინმა მიიღო პირველი ნაერთი იშვიათი მიწიერი ლითონების ჯგუფიდან - იტრიუმის ოქსიდი. მე-20 საუკუნის დასაწყისამდე გ.მოსელის ქიმიაში გამოკვლევების წყალობით ცნობილი გახდა ლითონთა ჯგუფის არსებობის შესახებ. ისინი მდებარეობდნენ პერიოდულ სისტემაში ლანთანუმსა და ჰაფნიუმს შორის. კიდევ ერთი ქიმიური ელემენტი - აქტინიუმი, ისევე როგორც ლანთანუმი, ქმნის 14 რადიოაქტიურ ოჯახსქიმიური ელემენტები, რომელსაც აქტინიდები ეწოდება. მათი აღმოჩენა მეცნიერებაში მოხდა 1879 წლიდან მე-20 საუკუნის შუა ხანებამდე. ლანთანიდებსა და აქტინიდებს ბევრი მსგავსება აქვთ როგორც ფიზიკურ, ასევე ქიმიურ თვისებებში. ეს შეიძლება აიხსნას ამ ლითონების ატომებში ელექტრონების განლაგებით, რომლებიც ენერგეტიკულ დონეზე არიან, კერძოდ, ლანთანიდებისთვის ეს არის მეოთხე დონის f-ქვედონე, ხოლო აქტინიდებისთვის - მეხუთე დონის f-ქვედონე. შემდეგ უფრო დეტალურად განვიხილავთ ზემოაღნიშნული ლითონების ატომების ელექტრონულ გარსებს.
შიდა გარდამავალი ელემენტების სტრუქტურა ატომური და მოლეკულური სწავლებების ფონზე
მ.ვ. ლომონოსოვის მიერ ქიმიკატების სტრუქტურის გენიალური აღმოჩენა იყო ატომების ელექტრონული გარსების შემდგომი შესწავლის საფუძველი. ქიმიური ელემენტის ელემენტარული ნაწილაკების სტრუქტურის რაზერფორდის მოდელმა, M. Planck-ის, F. Gund-ის კვლევებმა ქიმიკოსებს საშუალება მისცეს ეპოვათ სწორი ახსნა ფიზიკური და ქიმიური თვისებების პერიოდული ცვლილებების არსებული შაბლონებისთვის, რომლებიც ახასიათებს ლანთანიდებსა და აქტინიდებს. მენდელეევის პერიოდული კანონის ყველაზე მნიშვნელოვანი როლის იგნორირება შეუძლებელია გარდამავალი ელემენტების ატომების სტრუქტურის შესწავლაში. მოდით უფრო დეტალურად ვისაუბროთ ამ საკითხზე.
შიდა გარდამავალი ელემენტების ადგილი D. I.მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში
მეექვსე - უფრო დიდი პერიოდის მესამე ჯგუფში - ლანთანის უკან არის ლითონების ოჯახი, დაწყებული ცერიუმიდან ლუტეტიუმის ჩათვლით. ლანთანუმის ატომის 4f ქვედონე ცარიელია, ხოლო ლუტეტიუმის ატომი მთლიანად ივსება მე-14-ით.ელექტრონები. მათ შორის მდებარე ელემენტები თანდათან ავსებენ f-ორბიტალებს. აქტინიდების ოჯახში - თორიუმიდან ლორენციუმამდე - უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკების დაგროვების იგივე პრინციპი შეინიშნება ერთადერთი განსხვავებით: ელექტრონებით ავსება ხდება 5f ქვედონეზე. გარე ენერგეტიკული დონის სტრუქტურა და მასზე უარყოფითი ნაწილაკების რაოდენობა (უდრის ორს) ყველა ზემოთ ჩამოთვლილი ლითონისთვის ერთნაირია. ეს ფაქტი პასუხობს კითხვას, თუ რატომ აქვთ ლანთანიდებსა და აქტინიდებს, რომლებსაც შიდა გარდამავალ ელემენტებს უწოდებენ, ბევრი მსგავსება.
ქიმიური ლიტერატურის ზოგიერთ წყაროში ორივე ოჯახის წარმომადგენლები გაერთიანებულია მეორე მხარის ქვეჯგუფებად. ისინი შეიცავს ორ მეტალს თითოეული ოჯახიდან. დ.ი.მენდელეევის ქიმიური ელემენტების პერიოდული სისტემის მოკლე ფორმით, ამ ოჯახების წარმომადგენლები გამოყოფილია თავად ცხრილიდან და განლაგებულია ცალკეულ რიგებში. მაშასადამე, პერიოდულ სისტემაში ლანთანიდების და აქტინიდების პოზიცია შეესაბამება ატომების სტრუქტურის ზოგად გეგმას და შიდა დონეების ელექტრონებით შევსების პერიოდულობას, ხოლო იგივე დაჟანგვის მდგომარეობების არსებობა იწვევს შიდა გარდამავალი ლითონების გაერთიანებას საერთო ჯგუფებში.. მათში ქიმიურ ელემენტებს აქვთ ლანთანის ან აქტინიუმის ექვივალენტური თვისებები და თვისებები. ამიტომ ლანთანიდები და აქტინიდები ამოღებულია ქიმიური ელემენტების ცხრილიდან.
როგორ მოქმედებს f-ქვედონის ელექტრონული კონფიგურაცია ლითონების თვისებებზე
როგორც უკვე ვთქვით, ლანთანიდების და აქტინიდების პოზიცია პერიოდულ პერიოდშისისტემა პირდაპირ განსაზღვრავს მათ ფიზიკურ და ქიმიურ მახასიათებლებს. ამრიგად, ცერიუმის, გადოლინიუმის იონებს და ლანთანიდების ოჯახის სხვა ელემენტებს აქვთ მაღალი მაგნიტური მომენტები, რაც ასოცირდება f-ქვედონის სტრუქტურულ მახასიათებლებთან. ამან შესაძლებელი გახადა ლითონების გამოყენება დოპანტებად, მაგნიტური თვისებების მქონე ნახევარგამტარების მისაღებად. აქტინიუმის ოჯახის ელემენტების სულფიდები (მაგალითად, პროტაქტინიუმის სულფიდი, თორიუმი) მათი მოლეკულების შემადგენლობაში შერეული ტიპის ქიმიური ბმაა: იონურ-კოვალენტური ან კოვალენტური მეტალი. სტრუქტურის ამ მახასიათებელმა განაპირობა ახალი ფიზიკურ-ქიმიური თვისების გაჩენა და ემსახურებოდა პასუხს კითხვაზე, თუ რატომ აქვთ ლანთანიდებსა და აქტინიდებს ლუმინესცენტური თვისებები. მაგალითად, ანემონის ნიმუში, რომელიც ვერცხლისფერია სიბნელეში, ანათებს მოლურჯო ელვარებით. ეს აიხსნება ელექტრული დენის, სინათლის ფოტონების მოქმედებით ლითონის იონებზე, რომელთა გავლენითაც ატომები აღგზნებულია და მათში არსებული ელექტრონები „ხტებიან“უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე და შემდეგ ბრუნდებიან თავიანთ სტაციონალურ ორბიტებზე. სწორედ ამ მიზეზით ლანთანიდები და აქტინიდები კლასიფიცირდება როგორც ფოსფორები.
ატომების იონური რადიუსების შემცირების შედეგები
ლანთანში და აქტინიუმში, ისევე როგორც მათი ოჯახის ელემენტებში, შეინიშნება ლითონის იონების რადიუსის ინდიკატორების მნიშვნელობის ერთფეროვანი შემცირება. ქიმიაში, ასეთ შემთხვევებში ჩვეულებრივად არის საუბარი ლანთანიდზე და აქტინიდის შეკუმშვაზე. ქიმიაში დადგენილია შემდეგი ნიმუში: ატომების ბირთვის მუხტის მატებასთან ერთად, თუ ელემენტები ერთსა და იმავე პერიოდს მიეკუთვნება, მათი რადიუსი მცირდება. ეს შეიძლება აიხსნას შემდეგნაირადგზა: ისეთი ლითონებისთვის, როგორიცაა ცერიუმი, პრაზეოდიმი, ნეოდიმი, მათ ატომებში ენერგიის დონეების რაოდენობა უცვლელია და უდრის ექვსს. თუმცა, ბირთვების მუხტები შესაბამისად იზრდება ერთით და არის +58, +59, +60. ეს ნიშნავს, რომ იზრდება შიდა გარსების ელექტრონების მიზიდულობის ძალა დადებითად დამუხტულ ბირთვზე. შედეგად, ატომური რადიუსი მცირდება. ლითონების იონურ ნაერთებში, ატომური რიცხვის მატებასთან ერთად, იონური რადიუსებიც მცირდება. მსგავსი ცვლილებები შეინიშნება ანემონების ოჯახის ელემენტებში. ამიტომ ლანთანიდებსა და აქტინიდებს ტყუპებს უწოდებენ. იონების რადიუსების შემცირება, უპირველეს ყოვლისა, იწვევს Ce(OH)3, Pr(OH)3 ჰიდროქსიდების ძირითადი თვისებების შესუსტებას. თვისება.
4f-ქვედონის შევსება შეუწყვილებელი ელექტრონებით ევროპიუმის ატომის ორბიტალების ნახევარამდე იწვევს მოულოდნელ შედეგებს. მისი ატომური რადიუსი არ მცირდება, პირიქით, იზრდება. გადოლინიუმს, რომელიც მას მოსდევს ლანთანიდების სერიაში, აქვს ერთი ელექტრონი 4f ქვედონეზე 5d ქვედონეზე, ისევე როგორც Eu. ეს სტრუქტურა იწვევს გადოლინიუმის ატომის რადიუსის მკვეთრ შემცირებას. მსგავსი ფენომენი შეინიშნება წყვილ იტერბიუმში - ლუტეტიუმში. პირველი ელემენტისთვის, ატომური რადიუსი დიდია 4f ქვედონეზე სრული შევსების გამო, ხოლო ლუტეტიუმისთვის ის მკვეთრად მცირდება, რადგან ელექტრონების გამოჩენა შეინიშნება 5d ქვედონეზე. აქტინიუმსა და ამ ოჯახის სხვა რადიოაქტიურ ელემენტებში მათი ატომებისა და იონების რადიუსი არ იცვლება მონოტონურად, მაგრამ, ლანთანიდების მსგავსად, ეტაპობრივად. ამრიგად, ლანთანიდები დააქტინიდები არის ელემენტები, რომელთა ნაერთების თვისებები კორელაციურია დამოკიდებული იონურ რადიუსზე და ატომების ელექტრონული გარსების სტრუქტურაზე.
ვალენტური მდგომარეობა
ლანთანიდები და აქტინიდები არის ელემენტები, რომელთა მახასიათებლები საკმაოდ მსგავსია. კერძოდ, ეს ეხება იონებში მათ ჟანგვის მდგომარეობას და ატომების ვალენტობას. მაგალითად, თორიუმი და პროტაქტინიუმი, რომლებიც აჩვენებენ სამი ვალენტობას, ნაერთებში Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , პა2(CO3)3. ყველა ეს ნივთიერება უხსნადია და აქვს იგივე ქიმიური თვისებები, რაც ლანთანის ოჯახის ლითონებს: ცერიუმი, პრაზეოდიმი, ნეოდიმი და ა.შ. ამ ნაერთებში ლანთანიდები ასევე სამვალენტიანი იქნება. ეს მაგალითები კიდევ ერთხელ გვიმტკიცებს იმ განცხადების სისწორეს, რომ ლანთანიდები და აქტინიდები ტყუპები არიან. მათ აქვთ მსგავსი ფიზიკური და ქიმიური თვისებები. ეს შეიძლება აიხსნას უპირველეს ყოვლისა შიდა გარდამავალი ელემენტების ორივე ოჯახის ატომების ელექტრონული ორბიტალების სტრუქტურით.
ლითონის თვისებები
ორივე ჯგუფის ყველა წარმომადგენელი ლითონია, რომლებშიც სრულდება 4f-, 5f- და ასევე d-ქვედონეები. ლანთანუმს და მისი ოჯახის ელემენტებს იშვიათი მიწები ეწოდება. მათი ფიზიკურ-ქიმიური მახასიათებლები იმდენად ახლოსაა, რომ ლაბორატორიულ პირობებში ცალ-ცალკე დიდი სირთულით არის გამოყოფილი. ყველაზე ხშირად ავლენს ჟანგვის მდგომარეობას +3, ლანთანის სერიის ელემენტებს ბევრი მსგავსება აქვთ დედამიწის ტუტე ლითონებთან (ბარიუმი, კალციუმი, სტრონციუმი).აქტინიდები ასევე ძალიან აქტიური ლითონებია და ასევე რადიოაქტიურები.
ლანთანიდების და აქტინიდების სტრუქტურული მახასიათებლები ასევე დაკავშირებულია ისეთ თვისებებთან, როგორიცაა, მაგალითად, პიროფორულობა წვრილად გაფანტულ მდგომარეობაში. ასევე შეიმჩნევა ლითონების სახეზე ორიენტირებული კრისტალური გისოსების ზომის შემცირება. დავამატებთ, რომ ორივე ოჯახის ყველა ქიმიური ელემენტი არის ვერცხლისფერი ბზინვის მქონე ლითონი, მათი მაღალი რეაქტიულობის გამო ჰაერში სწრაფად ბნელდება. ისინი დაფარულია შესაბამისი ოქსიდის ფილმით, რომელიც იცავს შემდგომი დაჟანგვისგან. ყველა ელემენტი საკმარისად ცეცხლგამძლეა, გარდა ნეპტუნიუმისა და პლუტონიუმის, რომელთა დნობის წერტილი 1000 °C-ზე გაცილებით დაბალია.
დამახასიათებელი ქიმიური რეაქციები
როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ლანთანიდები და აქტინიდები რეაქტიული ლითონებია. ასე რომ, ლანთანი, ცერიუმი და ოჯახის სხვა ელემენტები ადვილად ერწყმის მარტივ ნივთიერებებს - ჰალოგენებს, ასევე ფოსფორს, ნახშირბადს. ლანთანიდებს ასევე შეუძლიათ ურთიერთქმედება როგორც ნახშირბადის მონოქსიდთან, ასევე ნახშირორჟანგთან. მათ ასევე შეუძლიათ წყლის დაშლა. მარტივი მარილების გარდა, როგორიცაა SeCl3 ან PrF3, მაგალითად, ისინი ქმნიან ორმაგ მარილებს. ანალიტიკურ ქიმიაში მნიშვნელოვანი ადგილი უჭირავს ლანთანიდის ლითონების რეაქციებს ამინოძმურ და ლიმონმჟავებთან. ასეთი პროცესების შედეგად წარმოქმნილი რთული ნაერთები გამოიყენება ლანთანიდების ნარევის გამოსაყოფად, მაგალითად, მადნებში.
ნიტრატებთან, ქლორიდულ და სულფატ მჟავებთან, ლითონებთან ურთიერთობისასშექმენით შესაბამისი მარილები. ისინი ძალიან ხსნადია წყალში და ადვილად შეუძლიათ შექმნან კრისტალური ჰიდრატები. აღსანიშნავია, რომ ლანთანიდის მარილების წყალხსნარები შეფერილია, რაც აიხსნება მათში შესაბამისი იონების არსებობით. სამარიუმის ან პრაზეოდიმის მარილების ხსნარები არის მწვანე, ნეოდიმი - წითელ-იისფერი, პრომეთიუმი და ევროპიუმი - ვარდისფერი. ვინაიდან +3 ჟანგვის იონები ფერადია, ეს გამოიყენება ანალიტიკურ ქიმიაში ლანთანიდის ლითონის იონების ამოსაცნობად (ე.წ. ხარისხობრივი რეაქციები). ამავე მიზნით, ასევე გამოიყენება ქიმიური ანალიზის მეთოდები, როგორიცაა ფრაქციული კრისტალიზაცია და იონგაცვლის ქრომატოგრაფია.
აქტინიდები შეიძლება დაიყოს ელემენტების ორ ჯგუფად. ეს არის ბერკელიუმი, ფერმიუმი, მენდელევიუმი, ნობელიუმი, ლორენციუმი და ურანი, ნეპტუნიუმი, პლუტონიუმი, ომერციუმი. პირველი მათგანის ქიმიური თვისებები მსგავსია ლანთანისა და მისი ოჯახის ლითონებისა. მეორე ჯგუფის ელემენტებს აქვთ ძალიან მსგავსი ქიმიური მახასიათებლები (თითქმის ერთმანეთის იდენტური). ყველა აქტინიდი სწრაფად ურთიერთქმედებს არალითონებთან: გოგირდი, აზოტი, ნახშირბადი. ისინი ქმნიან რთულ ნაერთებს ჟანგბადის შემცველი ლეგენდებით. როგორც ვხედავთ, ორივე ოჯახის ლითონები ქიმიური ქცევით ახლოს არიან ერთმანეთთან. სწორედ ამიტომ ლანთანიდებსა და აქტინიდებს ხშირად მოიხსენიებენ, როგორც ტყუპ ლითონებს.
პოზიცია წყალბადის, ლანთანიდების, აქტინიდების პერიოდულ სისტემაში
აუცილებელია გავითვალისწინოთ ის ფაქტი, რომ წყალბადი საკმაოდ რეაქტიული ნივთიერებაა. იგი ვლინდება ქიმიური რეაქციის პირობებიდან გამომდინარე: როგორც შემცირების, ასევე ჟანგვის აგენტის სახით. ამიტომ პერიოდულ სისტემაშიწყალბადი ერთდროულად მდებარეობს ორი ჯგუფის მთავარ ქვეჯგუფში.
პირველში წყალბადი ასრულებს აღმდგენი აგენტის როლს, ისევე როგორც აქ მდებარე ტუტე ლითონები. წყალბადის ადგილი მე-7 ჯგუფში ელემენტებთან ჰალოგენებთან ერთად მის შემცირების უნარზე მიუთითებს. მეექვსე პერიოდში, როგორც უკვე აღვნიშნეთ, განლაგებულია ლანთანიდების ოჯახი, რომელიც განლაგებულია მაგიდის მოხერხებულობისა და კომპაქტურობისთვის ცალკე რიგში. მეშვიდე პერიოდი შეიცავს რადიოაქტიური ელემენტების ჯგუფს, რომლებიც მსგავსია აქტინიუმის მახასიათებლებით. აქტინიდები განლაგებულია D. I. მენდელეევის ქიმიური ელემენტების ცხრილის გარეთ, ლანთანის ოჯახის რიგის ქვეშ. ეს ელემენტები ყველაზე ნაკლებად არის შესწავლილი, რადგან მათი ატომების ბირთვები ძალიან არასტაბილურია რადიოაქტიურობის გამო. შეგახსენებთ, რომ ლანთანიდები და აქტინიდები შიდა გარდამავალი ელემენტებია და მათი ფიზიკოქიმიური მახასიათებლები ძალიან ახლოსაა ერთმანეთთან.
მრეწველობაში ლითონების წარმოების ზოგადი მეთოდები
გარდა თორიუმის, პროტაქტინიუმისა და ურანისა, რომლებიც მოპოვებულია უშუალოდ მადნებიდან, დანარჩენი აქტინიდების მიღება შესაძლებელია ლითონის ურანის ნიმუშების სწრაფად მოძრავი ნეიტრონული ნაკადების დასხივებით. სამრეწველო მასშტაბით, ნეპტუნიუმი და პლუტონიუმი მოიპოვება ბირთვული რეაქტორების დახარჯული საწვავიდან. გაითვალისწინეთ, რომ აქტინიდების წარმოება საკმაოდ რთული და ძვირი პროცესია, რომლის ძირითადი მეთოდებია იონური გაცვლა და მრავალსაფეხურიანი ექსტრაქცია. ლანთანიდები, რომლებსაც იშვიათ დედამიწის ელემენტებს უწოდებენ, მიიღება მათი ქლორიდების ან ფტორების ელექტროლიზით.მეტალოთერმული მეთოდი გამოიყენება ულტრასუფთა ლანთანიდების მოსაპოვებლად.
სად გამოიყენება შიდა გარდამავალი ელემენტები
ჩვენს მიერ შესწავლილი ლითონების გამოყენების დიაპაზონი საკმაოდ ფართოა. ანემონების ოჯახისთვის ეს, პირველ რიგში, ბირთვული იარაღი და ენერგიაა. აქტინიდები ასევე მნიშვნელოვანია მედიცინაში, ხარვეზების გამოვლენასა და აქტივაციის ანალიზში. შეუძლებელია უგულებელყო ლანთანიდების და აქტინიდების გამოყენება, როგორც ნეიტრონის დაჭერის წყაროები ბირთვულ რეაქტორებში. ლანთანიდები ასევე გამოიყენება თუჯის და ფოლადის შენადნობის დანამატად, ასევე ფოსფორის წარმოებაში.
გავრცელება ბუნებაში
აქტინიდების და ლანთანიდების ოქსიდებს ხშირად უწოდებენ ცირკონიუმს, თორიუმს, იტრიუმის მიწას. ისინი არიან შესაბამისი ლითონების მიღების ძირითადი წყარო. ურანი, როგორც აქტინიდების მთავარი წარმომადგენელი, გვხვდება ლითოსფეროს გარე შრეში ოთხი სახის მადნის ან მინერალის სახით. უპირველეს ყოვლისა, ეს არის ურანის მოედანი, რომელიც არის ურანის დიოქსიდი. მას აქვს ყველაზე მაღალი მეტალის შემცველობა. ხშირად ურანის დიოქსიდს თან ახლავს რადიუმის დეპოზიტები (ვენები). ისინი გვხვდება კანადაში, საფრანგეთში, ზაირში. თორიუმის და ურანის საბადოების კომპლექსები ხშირად შეიცავს სხვა ძვირფას ლითონებს, როგორიცაა ოქრო ან ვერცხლი.
ასეთი ნედლეულის მარაგი მდიდარია რუსეთში, სამხრეთ აფრიკაში, კანადასა და ავსტრალიაში. ზოგიერთი დანალექი ქანები შეიცავს მინერალურ კარნოტიტს. ურანის გარდა შეიცავს ვანადიუმსაც. მეოთხეურანის ნედლეულის სახეობაა ფოსფატის მადნები და რკინა-ურანი ფიქლები. მათი რეზერვები მდებარეობს მაროკოში, შვედეთსა და აშშ-ში. დღეისათვის ასევე პერსპექტიულად ითვლება ლიგნიტისა და ნახშირის საბადოები, რომლებიც შეიცავს ურანის მინარევებს. ისინი მოიპოვება ესპანეთში, ჩეხეთში და ასევე აშშ-ის ორ შტატში - ჩრდილოეთ და სამხრეთ დაკოტაში.
