Cada um dos elementos químicos presentes nas conchas da Terra: a atmosfera, a litosfera e a hidrosfera - podem servir de exemplo vívido, confirmando a importância fundamental da teoria atômica e molecular e da lei periódica. Eles foram formulados pelos luminares da ciência natural - cientistas russos M. V. Lomonosov e D. I. Mendeleev. Lantanídeos e actinídeos são duas famílias que contêm 14 elementos químicos cada, assim como os próprios metais - lantânio e actínio. Suas propriedades - tanto físicas quanto químicas - serão consideradas por nós neste trabalho. Além disso, estabeleceremos como a posição no sistema periódico de hidrogênio, lantanídeos e actinídeos depende da estrutura dos orbitais eletrônicos de seus átomos.
Histórico de descobertas
No final do século XVIII, Y. Gadolin obteve o primeiro composto do grupo dos metais de terras raras - o óxido de ítrio. Até o início do século 20, graças à pesquisa de G. Moseley em química, ficou conhecida a existência de um grupo de metais. Eles estavam localizados no sistema periódico entre o lantânio e o háfnio. Outro elemento químico - o actínio, como o lantânio, forma uma família de 14 elementos radioativoselementos químicos chamados actinídeos. Sua descoberta na ciência ocorreu de 1879 a meados do século 20. Lantanídeos e actinídeos têm muitas semelhanças em propriedades físicas e químicas. Isso pode ser explicado pelo arranjo de elétrons nos átomos desses metais, que estão em níveis de energia, ou seja, para os lantanídeos este é o quarto nível f-subnível e para os actinídeos - o quinto nível f-subnível. A seguir, consideraremos as camadas eletrônicas dos átomos dos metais acima com mais detalhes.
A estrutura dos elementos transicionais internos à luz dos ensinamentos atômicos e moleculares
A engenhosa descoberta da estrutura dos produtos químicos por MV Lomonosov foi a base para um estudo mais aprofundado das camadas eletrônicas dos átomos. O modelo de Rutherford da estrutura de uma partícula elementar de um elemento químico, os estudos de M. Planck, F. Gund permitiram aos químicos encontrar a explicação correta para os padrões existentes de mudanças periódicas nas propriedades físicas e químicas que caracterizam os lantanídeos e actinídeos. É impossível ignorar o papel mais importante da lei periódica de D. I. Mendeleev no estudo da estrutura dos átomos dos elementos de transição. Vamos nos debruçar sobre esse assunto com mais detalhes.
Lugar dos elementos de transição interna na Tabela Periódica de D. I. Mendeleev
No terceiro grupo do sexto - período maior - atrás do lantânio está uma família de metais que vão do cério ao lutécio inclusive. O subnível 4f do átomo de lantânio está vazio, enquanto o átomo de lutécio está completamente preenchido com o 14º.elétrons. Os elementos localizados entre eles estão gradualmente preenchendo os orbitais f. Na família dos actinídeos - do tório ao laurêncio - o mesmo princípio de acumulação de partículas carregadas negativamente é observado com a única diferença: o preenchimento de elétrons ocorre no subnível 5f. A estrutura do nível de energia externo e o número de partículas negativas nele (igual a dois) são os mesmos para todos os metais acima. Este fato responde à pergunta de por que os lantanídeos e actinídeos, chamados de elementos de transição interna, têm muitas semelhanças.
Em algumas fontes da literatura química, representantes de ambas as famílias são combinados em subgrupos secundários. Eles contêm dois metais de cada família. Na forma abreviada do sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev, os representantes dessas famílias são separados da própria tabela e organizados em linhas separadas. Portanto, a posição dos lantanídeos e actinídeos no sistema periódico corresponde ao plano geral da estrutura dos átomos e a periodicidade de preenchimento dos níveis internos com elétrons, e a presença dos mesmos estados de oxidação causou a associação de metais de transição internos em grupos comuns. Neles, os elementos químicos possuem características e propriedades equivalentes ao lantânio ou actínio. É por isso que os lantanídeos e actinídeos são retirados da tabela de elementos químicos.
Como a configuração eletrônica do subnível f afeta as propriedades dos metais
Como dissemos anteriormente, a posição dos lantanídeos e actinídeos nosistema determina diretamente suas características físicas e químicas. Assim, íons de cério, gadolínio e outros elementos da família dos lantanídeos possuem momentos magnéticos elevados, o que está associado a características estruturais do subnível f. Isso possibilitou o uso de metais como dopantes para obter semicondutores com propriedades magnéticas. Sulfetos de elementos da família actínio (por exemplo, sulfeto de protactínio, tório) na composição de suas moléculas têm um tipo misto de ligação química: iônico-covalente ou metal covalente. Essa característica da estrutura levou ao surgimento de uma nova propriedade físico-química e serviu como resposta para a questão de por que lantanídeos e actinídeos têm propriedades luminescentes. Por exemplo, uma amostra de anêmona que é prateada no escuro brilha com um brilho azulado. Isso é explicado pela ação da corrente elétrica, fótons de luz sobre íons metálicos, sob a influência de quais átomos são excitados, e os elétrons neles “s altam” para níveis de energia mais altos e depois retornam às suas órbitas estacionárias. É por esta razão que os lantanídeos e actinídeos são classificados como fósforos.
Consequências da diminuição dos raios iônicos dos átomos
No lantânio e no actínio, assim como nos elementos de suas famílias, ocorre uma diminuição monótona no valor dos indicadores dos raios dos íons metálicos. Em química, nesses casos, costuma-se falar de compressão de lantanídeos e actinídeos. Em química, o seguinte padrão foi estabelecido: com o aumento da carga do núcleo dos átomos, se os elementos pertencem ao mesmo período, seus raios diminuem. Isso pode ser explicado da seguinte formamaneira: para metais como cério, praseodímio, neodímio, o número de níveis de energia em seus átomos é in alterado e igual a seis. No entanto, as cargas dos núcleos aumentam respectivamente em um e são +58, +59, +60. Isso significa que a força de atração dos elétrons das camadas internas para o núcleo carregado positivamente aumenta. Como resultado, os raios atômicos diminuem. Em compostos iônicos de metais, com o aumento do número atômico, os raios iônicos também diminuem. Mudanças semelhantes são observadas nos elementos da família das anêmonas. É por isso que os lantanídeos e actinídeos são chamados de gêmeos. Uma diminuição nos raios dos íons leva, em primeiro lugar, a um enfraquecimento das propriedades básicas dos hidróxidos Ce(OH)3, Pr(OH)3 propriedades.
O preenchimento do subnível 4f com elétrons desemparelhados até metade dos orbitais do átomo de európio leva a resultados inesperados. Seu raio atômico não diminui, mas, ao contrário, aumenta. O gadolínio, que o segue na série dos lantanídeos, possui um elétron no subnível 4f no subnível 5d, semelhante ao Eu. Essa estrutura causa uma diminuição abrupta no raio do átomo de gadolínio. Um fenômeno semelhante é observado em um par de itérbio - lutécio. Para o primeiro elemento, o raio atômico é grande devido ao preenchimento completo do subnível 4f, enquanto para o lutécio diminui abruptamente, pois o aparecimento de elétrons é observado no subnível 5d. No actínio e outros elementos radioativos desta família, os raios de seus átomos e íons não mudam monotonamente, mas, como os lantanídeos, passo a passo. Assim, os lantanídeos eactinídeos são elementos cujas propriedades de seus compostos dependem correlativamente do raio iônico e da estrutura das camadas eletrônicas dos átomos.
Estados de valência
Lantânidas e actinídeos são elementos cujas características são bastante semelhantes. Em particular, isso diz respeito aos seus estados de oxidação nos íons e à valência dos átomos. Por exemplo, tório e protactínio, que exibem uma valência de três, nos compostos Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Todas essas substâncias são insolúveis e possuem as mesmas propriedades químicas que os metais da família do lantânio: cério, praseodímio, neodímio, etc. Os lantanídeos desses compostos também serão trivalentes. Esses exemplos mais uma vez nos provam a exatidão da afirmação de que lantanídeos e actinídeos são gêmeos. Eles têm propriedades físicas e químicas semelhantes. Isso pode ser explicado principalmente pela estrutura dos orbitais eletrônicos dos átomos de ambas as famílias de elementos de transição interna.
Propriedades do metal
Todos os representantes de ambos os grupos são metais, nos quais os subníveis 4f-, 5f- e também d são preenchidos. O lantânio e os elementos de sua família são chamados de terras raras. Suas características físicas e químicas são tão próximas que são separadas separadamente em condições de laboratório com grande dificuldade. Na maioria das vezes exibindo um estado de oxidação de +3, os elementos da série do lantânio têm muitas semelhanças com os metais alcalino-terrosos (bário, cálcio, estrôncio). Os actinídeos também são metais extremamente ativos e também radioativos.
As características estruturais dos lantanídeos e actinídeos também se relacionam com propriedades como, por exemplo, piroforicidade em um estado finamente disperso. Uma diminuição no tamanho das redes cristalinas de metais de face centrada também é observada. Acrescentamos que todos os elementos químicos de ambas as famílias são metais com brilho prateado, devido à sua alta reatividade, escurecem rapidamente ao ar. Eles são cobertos com um filme do óxido correspondente, que protege contra oxidação adicional. Todos os elementos são suficientemente refratários, com exceção do neptúnio e plutônio, cujo ponto de fusão é bem abaixo de 1000 °C.
Reações químicas características
Como observado anteriormente, lantanídeos e actinídeos são metais reativos. Assim, lantânio, cério e outros elementos da família combinam facilmente com substâncias simples - halogênios, bem como fósforo, carbono. Os lantanídeos também podem interagir com monóxido de carbono e dióxido de carbono. Eles também são capazes de decompor a água. Além de sais simples, como SeCl3 ou PrF3, por exemplo, eles formam sais duplos. Na química analítica, as reações de metais lantanídeos com ácidos aminoacético e cítrico ocupam um lugar importante. Os compostos complexos formados como resultado de tais processos são usados para separar uma mistura de lantanídeos, por exemplo, em minérios.
Ao interagir com nitrato, cloreto e ácidos sulfato, metaisformar os sais correspondentes. São altamente solúveis em água e facilmente capazes de formar hidratos cristalinos. Deve-se notar que as soluções aquosas de sais de lantanídeos são coloridas, o que é explicado pela presença dos íons correspondentes nelas. As soluções de sais de samário ou praseodímio são verdes, neodímio - vermelho-violeta, promécio e európio - rosa. Como os íons com um estado de oxidação de +3 são coloridos, isso é usado em química analítica para reconhecer íons metálicos de lantanídeos (as chamadas reações qualitativas). Para o mesmo propósito, métodos de análise química como cristalização fracionada e cromatografia de troca iônica também são usados.
Os actinídeos podem ser divididos em dois grupos de elementos. Estes são berquélio, férmio, mendelévio, nobélio, laurécio e urânio, neptúnio, plutônio, ômercium. As propriedades químicas do primeiro deles são semelhantes ao lantânio e aos metais de sua família. Os elementos do segundo grupo têm características químicas muito semelhantes (quase idênticas entre si). Todos os actinídeos interagem rapidamente com não metais: enxofre, nitrogênio, carbono. Eles formam compostos complexos com legendas contendo oxigênio. Como podemos ver, os metais de ambas as famílias estão próximos um do outro no comportamento químico. É por isso que os lantanídeos e actinídeos são frequentemente chamados de metais gêmeos.
Posição no sistema periódico de hidrogênio, lantanídeos, actinídeos
É necessário levar em conta o fato de que o hidrogênio é uma substância bastante reativa. Ele se manifesta dependendo das condições da reação química: tanto como agente redutor quanto como agente oxidante. É por isso que no sistema periódicoo hidrogênio está localizado simultaneamente nos principais subgrupos de dois grupos ao mesmo tempo.
No primeiro, o hidrogênio desempenha o papel de agente redutor, como os metais alcalinos aqui localizados. O lugar do hidrogênio no 7º grupo, juntamente com os elementos halogênios, indica sua capacidade redutora. No sexto período, como já mencionado, está localizada a família dos lantanídeos, colocada em uma fileira separada para a conveniência e compacidade da tabela. O sétimo período contém um grupo de elementos radioativos semelhantes em características ao actínio. Os actinídeos estão localizados fora da tabela de elementos químicos de D. I. Mendeleev sob a linha da família do lantânio. Esses elementos são os menos estudados, pois os núcleos de seus átomos são muito instáveis devido à radioatividade. Lembre-se que lantanídeos e actinídeos são elementos de transição interna, e suas características físico-químicas são muito próximas umas das outras.
Métodos gerais de produção de metais na indústria
Com exceção do tório, protactínio e urânio, que são extraídos diretamente de minérios, o restante dos actinídeos pode ser obtido irradiando amostras de urânio metálico com fluxos de nêutrons em movimento rápido. Em escala industrial, neptúnio e plutônio são extraídos do combustível irradiado de reatores nucleares. Observe que a produção de actinídeos é um processo bastante complicado e caro, cujos principais métodos são a troca iônica e a extração em vários estágios. Lantanídeos, que são chamados de elementos de terras raras, são obtidos por eletrólise de seus cloretos ou fluoretos. O método metalotérmico é usado para extrair lantanídeos ultrapuros.
Onde os elementos internos de transição são usados
A gama de uso dos metais que estudamos é bastante ampla. Para a família das anêmonas, trata-se, antes de tudo, de armas nucleares e energia. Os actinídeos também são importantes em medicina, detecção de falhas e análise de ativação. É impossível ignorar o uso de lantanídeos e actinídeos como fontes de captura de nêutrons em reatores nucleares. Lantanídeos também são usados como adições de liga para ferro fundido e aço, bem como na produção de fósforos.
Espalhado na natureza
Óxidos de actinídeos e lantanídeos são freqüentemente chamados de terras de zircônio, tório, ítrio. Eles são a principal fonte para a obtenção dos metais correspondentes. O urânio, como principal representante dos actinídeos, é encontrado na camada externa da litosfera na forma de quatro tipos de minérios ou minerais. Em primeiro lugar, é o piche de urânio, que é o dióxido de urânio. Possui o maior teor de metal. Muitas vezes o dióxido de urânio é acompanhado por depósitos de rádio (veias). Eles são encontrados no Canadá, França, Zaire. Complexos de minérios de tório e urânio geralmente contêm minérios de outros metais valiosos, como ouro ou prata.
As reservas dessas matérias-primas são ricas na Rússia, África do Sul, Canadá e Austrália. Algumas rochas sedimentares contêm o mineral carnotita. Além do urânio, também contém vanádio. Quartoo tipo de matéria-prima de urânio é minérios de fosfato e folhelhos de ferro-urânio. Suas reservas estão localizadas em Marrocos, Suécia e EUA. Atualmente, depósitos de linhita e carvão contendo impurezas de urânio também são considerados promissores. Eles são extraídos na Espanha, na República Tcheca e também em dois estados dos EUA - Dakota do Norte e Dakota do Sul.
