Yerin qabıqlarında təqdim olunan kimyəvi elementlərin hər biri: atmosfer, litosfer və hidrosfer - atom və molekulyar nəzəriyyənin və dövri qanunun fundamental əhəmiyyətini təsdiqləyən parlaq nümunə ola bilər. Bunlar təbiət elminin korifeyləri - rus alimləri M. V. Lomonosov və D. İ. Mendeleyev tərəfindən tərtib edilmişdir. Lantanidlər və aktinidlər, hər birində 14 kimyəvi element, həmçinin metalların özləri - lantan və aktinium olan iki ailədir. Onların xüsusiyyətləri - həm fiziki, həm də kimyəvi - bu yazıda bizim tərəfimizdən nəzərdən keçiriləcəkdir. Bundan əlavə, biz hidrogen, lantanidlər, aktinidlərin dövri sistemindəki mövqeyin onların atomlarının elektron orbitallarının strukturundan necə asılı olduğunu müəyyən edəcəyik.
Kəşf tarixçəsi
18-ci əsrin sonunda Y. Qadolin nadir torpaq metalları qrupundan ilk birləşməni - itrium oksidini əldə etdi. 20-ci əsrin əvvəllərinə qədər G. Moselinin kimya üzrə tədqiqatları sayəsində bir qrup metalın mövcudluğu məlum oldu. Onlar lantan və hafnium arasındakı dövri sistemdə yerləşirdilər. Başqa bir kimyəvi element - aktinium, lantan kimi, 14 radioaktiv ailəni təşkil edirkimyəvi elementlər aktinidlər adlanır. Onların elmdə kəşfi 1879-cu ildən 20-ci əsrin ortalarına qədər baş verib. Lantanidlər və aktinidlər həm fiziki, həm də kimyəvi xassələrdə bir çox oxşarlığa malikdir. Bu, enerji səviyyələrində olan bu metalların atomlarında elektronların düzülüşü ilə izah edilə bilər, yəni lantanidlər üçün bu dördüncü səviyyə f- alt səviyyə, aktinidlər üçün isə beşinci səviyyə f- alt səviyyədir. Sonra yuxarıdakı metalların atomlarının elektron qabıqlarını daha ətraflı nəzərdən keçirəcəyik.
Atom və molekulyar təlimlərin işığında daxili keçid elementlərinin quruluşu
M. V. Lomonosov tərəfindən kimyəvi maddələrin strukturunun dahiyanə kəşfi atomların elektron qabıqlarının sonrakı tədqiqi üçün əsas oldu. Kimyəvi elementin elementar hissəciyinin quruluşunun Rezerford modeli, M. Plank, F. Qundun tədqiqatları kimyaçılara lantanidləri və aktinidləri xarakterizə edən fiziki və kimyəvi xassələrin dövri dəyişmələrinin mövcud qanunauyğunluqlarının düzgün izahını tapmağa imkan verdi. Keçid elementlərinin atomlarının quruluşunun öyrənilməsində D. İ. Mendeleyevin dövri qanununun ən mühüm rolunu nəzərdən qaçırmaq mümkün deyil. Gəlin bu məsələ üzərində daha ətraflı dayanaq.
Daxili keçid elementlərinin D. İ. Mendeleyevin dövri cədvəlindəki yeri
Altıncı - daha böyük dövrün üçüncü qrupunda lantandan sonra seriumdan tutmuş lutetiuma qədər müxtəlif metallar ailəsi dayanır. Lantan atomunun 4f alt səviyyəsi boşdur, lutetium atomu isə tamamilə 14-cü ilə doludur.elektronlar. Onların arasında yerləşən elementlər tədricən f-orbitalları doldurur. Aktinidlər ailəsində - toriumdan lorensiuma qədər - mənfi yüklü hissəciklərin yığılmasının eyni prinsipi yeganə fərqlə müşahidə olunur: elektronlarla doldurulma 5f alt səviyyəsində baş verir. Xarici enerji səviyyəsinin strukturu və onun üzərindəki mənfi hissəciklərin sayı (ikiyə bərabərdir) yuxarıda göstərilən bütün metallar üçün eynidir. Bu fakt daxili keçid elementləri adlanan lantanidlərin və aktinidlərin niyə çoxlu oxşarlıqlara malik olması sualına cavab verir.
Bəzi kimyəvi ədəbiyyat mənbələrində hər iki ailənin nümayəndələri ikinci yan alt qruplarda birləşdirilir. Onların tərkibində hər ailədən iki metal var. D. İ. Mendeleyevin kimyəvi elementlərinin dövri sisteminin qısa formasında bu ailələrin nümayəndələri cədvəlin özündən ayrılaraq ayrı-ayrı cərgələrə düzülür. Buna görə də lantanidlərin və aktinidlərin dövri sistemdəki mövqeyi atomların quruluşunun ümumi planına və daxili səviyyələrin elektronlarla doldurulmasının dövriliyinə uyğun gəlir və eyni oksidləşmə vəziyyətlərinin olması daxili keçid metallarının ümumi qruplara birləşməsinə səbəb oldu.. Onlarda kimyəvi elementlər lantan və ya aktiniuma ekvivalent xüsusiyyətlərə və xüsusiyyətlərə malikdir. Buna görə də lantanidlər və aktinidlər kimyəvi elementlər cədvəlindən çıxarılır.
f- alt səviyyənin elektron konfiqurasiyası metalların xassələrinə necə təsir edir
Daha əvvəl dediyimiz kimi, lantanidlərin və aktinidlərin dövrisistem onların fiziki və kimyəvi xüsusiyyətlərini bilavasitə müəyyən edir. Beləliklə, serium, qadolinium və lantanidlər ailəsinin digər elementlərinin ionları yüksək maqnit momentlərinə malikdir, bu da f- alt səviyyənin struktur xüsusiyyətləri ilə əlaqələndirilir. Bu, maqnit xassələri olan yarımkeçiricilər əldə etmək üçün metallardan əlavə maddələr kimi istifadə etməyə imkan verdi. Molekullarının tərkibində aktinium ailəsinin elementlərinin sulfidləri (məsələn, protaktiniumun sulfidləri, torium) qarışıq tipli kimyəvi bağlara malikdir: ion-kovalent və ya kovalent-metal. Quruluşun bu xüsusiyyəti yeni fiziki-kimyəvi xüsusiyyətin yaranmasına səbəb oldu və lantanidlərin və aktinidlərin niyə lüminesans xüsusiyyətlərə malik olması sualına cavab rolunu oynadı. Məsələn, qaranlıqda gümüşü olan anemon nümunəsi mavimtıl parıltı ilə parlayır. Bu, elektrik cərəyanının, işığın fotonlarının metal ionlarına təsiri ilə izah olunur, onların təsiri altında atomlar həyəcanlanır və onlardakı elektronlar daha yüksək enerji səviyyələrinə "atılır" və sonra stasionar orbitlərinə qayıdırlar. Məhz bu səbəbdən lantanidlər və aktinidlər fosforlar kimi təsnif edilir.
Atomların ion radiuslarının azalmasının nəticələri
Lantanda və aktiniumda, eləcə də onların ailələrindən olan elementlərdə metal ionlarının radiuslarının göstəricilərinin qiymətində monoton azalma müşahidə olunur. Kimyada belə hallarda lantanid və aktinidin sıxılmasından danışmaq adətdir. Kimyada aşağıdakı qanunauyğunluq qurulmuşdur: atomların nüvəsinin yükünün artması ilə, elementlər eyni dövrə aiddirsə, onların radiusları azalır. Bunu aşağıdakı kimi izah etmək olaryol: serium, praseodimium, neodimium kimi metallar üçün atomlarındakı enerji səviyyələrinin sayı dəyişməz və altıya bərabərdir. Lakin nüvələrin yükləri müvafiq olaraq bir artır və +58, +59, +60 olur. Bu o deməkdir ki, daxili qabıqların elektronlarının müsbət yüklü nüvəyə cazibə qüvvəsi artır. Nəticədə atom radiusları azalır. Metalların ion birləşmələrində atom sayının artması ilə ion radiusları da azalır. Oxşar dəyişikliklər anemon ailəsinin elementlərində də müşahidə olunur. Buna görə də lantanidlər və aktinidlər əkizlər adlanır. İonların radiusunun azalması, ilk növbədə, Ce(OH)3, Pr(OH)3 hidroksidlərinin əsas xassələrinin zəifləməsinə gətirib çıxarır. xassə.
4f- alt səviyyənin europium atomunun orbitallarının yarısına qədər qoşalaşmamış elektronlarla doldurulması gözlənilməz nəticələrə gətirib çıxarır. Onun atom radiusu azalmır, əksinə, artır. Lantanidlər silsiləsində onu izləyən gadolinium, Eu kimi, 5d alt səviyyəsində 4f alt səviyyəsində bir elektrona malikdir. Bu quruluş gadolinium atomunun radiusunun kəskin azalmasına səbəb olur. Bənzər bir fenomen bir cüt iterbium - lutetiumda da müşahidə olunur. Birinci element üçün atom radiusu 4f alt səviyyəsinin tam doldurulması səbəbindən böyükdür, lutetium üçün isə kəskin şəkildə azalır, çünki elektronların görünüşü 5d alt səviyyəsində müşahidə olunur. Bu ailənin aktinium və digər radioaktiv elementlərində onların atom və ionlarının radiusu monoton şəkildə deyil, lantanidlər kimi pilləli şəkildə dəyişir. Beləliklə, lantanidlər vəaktinidlər birləşmələrinin xassələri ion radiusundan və atomların elektron qabıqlarının strukturundan korrelyativ olaraq asılı olan elementlərdir.
Valentlik halları
Lantanidlər və aktinidlər xüsusiyyətləri olduqca oxşar olan elementlərdir. Xüsusilə, bu, onların ionlarda oksidləşmə vəziyyətlərinə və atomların valentliyinə aiddir. Məsələn, Th(OH)3, PaCl3, ThF birləşmələrində üç valentlik nümayiş etdirən torium və protaktinium 3 , Pa2(CO3)3. Bütün bu maddələr həll olunmur və lantan ailəsindən olan metallarla eyni kimyəvi xassələrə malikdir: serium, praseodim, neodim və s. Bu birləşmələrdəki lantanidlər də üçvalentli olacaqdır. Bu misallar lantanidlərin və aktinidlərin əkiz olması müddəasının doğruluğunu bizə bir daha sübut edir. Bənzər fiziki və kimyəvi xüsusiyyətlərə malikdirlər. Bu, ilk növbədə, daxili keçid elementlərinin hər iki ailəsinin atomlarının elektron orbitallarının quruluşu ilə izah edilə bilər.
Metal xassələri
Hər iki qrupun bütün nümayəndələri 4f-, 5f-, həmçinin d- alt səviyyələri tamamlanan metallardır. Lantan və onun ailəsinin elementləri nadir torpaqlar adlanır. Onların fiziki və kimyəvi xüsusiyyətləri o qədər yaxındır ki, laboratoriya şəraitində çox çətinliklə ayrı-ayrılıqda ayrılırlar. Ən tez-tez +3 oksidləşmə vəziyyətini nümayiş etdirən lantan seriyasının elementləri qələvi torpaq metalları (barium, kalsium, stronsium) ilə bir çox oxşarlıqlara malikdir. Aktinidlər həm də son dərəcə aktiv metallardır və eyni zamanda radioaktivdirlər.
Lantanidlərin və aktinidlərin struktur xüsusiyyətləri, məsələn, incə dispers vəziyyətdə piroforluq kimi xüsusiyyətlərə də aiddir. Metalların üz mərkəzli kristal qəfəslərinin ölçülərinin azalması da müşahidə olunur. Əlavə edirik ki, hər iki ailənin bütün kimyəvi elementləri gümüşü parıltılı metallardır, yüksək reaktivliyə görə havada tez qaralırlar. Onlar daha oksidləşmədən qoruyan müvafiq oksidin bir filmi ilə örtülmüşdür. Ərimə nöqtəsi 1000 °C-dən xeyli aşağı olan neptunium və plutonium istisna olmaqla, bütün elementlər kifayət qədər odadavamlıdır.
Xarakterik kimyəvi reaksiyalar
Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, lantanidlər və aktinidlər reaktiv metallardır. Beləliklə, lantan, serium və ailənin digər elementləri sadə maddələrlə - halogenlərlə, həmçinin fosfor, karbonla asanlıqla birləşir. Lantanidlər həm karbonmonoksit, həm də karbon qazı ilə qarşılıqlı təsir göstərə bilər. Onlar həmçinin suyu parçalamaq qabiliyyətinə malikdirlər. Məsələn, SeCl3 və ya PrF3 kimi sadə duzlara əlavə olaraq, ikiqat duzlar əmələ gətirirlər. Analitik kimyada lantanid metallarının aminasetik və limon turşuları ilə reaksiyaları mühüm yer tutur. Belə proseslər nəticəsində əmələ gələn kompleks birləşmələr, məsələn, filizlərdə lantanidlərin qarışığını ayırmaq üçün istifadə olunur.
Nitrat, xlorid və sulfat turşuları, metallar ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqdauyğun duzları əmələ gətirir. Onlar suda yüksək dərəcədə həll olunur və asanlıqla kristal hidratlar əmələ gətirə bilirlər. Qeyd etmək lazımdır ki, lantanid duzlarının sulu məhlulları rənglidir, bu, onların tərkibində müvafiq ionların olması ilə izah olunur. Samarium və ya praseodymium duzlarının məhlulları yaşıl, neodimium - qırmızı-bənövşəyi, prometium və europium - çəhrayıdır. Oksidləşmə vəziyyəti +3 olan ionlar rəngli olduğundan, bu, analitik kimyada lantanid metal ionlarını (keyfiyyət reaksiyaları deyilən) tanımaq üçün istifadə olunur. Eyni məqsədlə fraksiya kristallaşma və ion mübadiləsi xromatoqrafiyası kimi kimyəvi analiz üsullarından da istifadə olunur.
Aktinidləri iki qrup elementə bölmək olar. Bunlar berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrencium və uran, neptunium, plutonium, omerciumdur. Bunlardan birincisinin kimyəvi xassələri lantana və onun ailəsindən olan metallara bənzəyir. İkinci qrupun elementləri çox oxşar kimyəvi xüsusiyyətlərə malikdir (bir-birinə demək olar ki, eynidir). Bütün aktinidlər qeyri-metallarla tez qarşılıqlı təsir göstərir: kükürd, azot, karbon. Onlar oksigen tərkibli əfsanələrlə kompleks birləşmələr əmələ gətirirlər. Gördüyümüz kimi, hər iki ailənin metalları kimyəvi davranışda bir-birinə yaxındır. Buna görə də lantanidlər və aktinidlər çox vaxt əkiz metallar adlanır.
Hidrogen, lantanidlər, aktinidlərin dövri sistemindəki mövqe
Hidrogenin kifayət qədər reaktiv maddə olduğunu nəzərə almaq lazımdır. Kimyəvi reaksiyanın şərtlərindən asılı olaraq özünü göstərir: həm reduksiyaedici, həm də oksidləşdirici agent kimi. Buna görə də dövri sistemdəhidrogen eyni vaxtda iki qrupun əsas alt qruplarında yerləşir.
Birincidə, hidrogen burada yerləşən qələvi metallar kimi reduksiyaedici agent rolunu oynayır. Hidrogenin 7-ci qrupdakı yeri halogen elementləri ilə birlikdə onun reduksiya qabiliyyətini göstərir. Altıncı dövrdə, artıq qeyd edildiyi kimi, lantanidlər ailəsi yerləşir, masanın rahatlığı və yığcamlığı üçün ayrı bir sıraya yerləşdirilir. Yeddinci dövr xüsusiyyətlərinə görə aktiniuma oxşar radioaktiv elementlər qrupunu ehtiva edir. Aktinidlər D. İ. Mendeleyevin kimyəvi elementləri cədvəlindən kənarda, lantan ailəsinin sırası altında yerləşir. Bu elementlər ən az öyrənilmiş elementlərdir, çünki onların atomlarının nüvələri radioaktivliyə görə çox qeyri-sabitdir. Xatırladaq ki, lantanidlər və aktinidlər daxili keçid elementləridir və onların fiziki-kimyəvi xüsusiyyətləri bir-birinə çox yaxındır.
Sənayedə metal istehsalının ümumi üsulları
Birbaşa filizlərdən çıxarılan torium, protaktinium və uran istisna olmaqla, qalan aktinidləri metal uranın nümunələrinin sürətlə hərəkət edən neytron axınları ilə şüalanması yolu ilə əldə etmək olar. Sənaye miqyasında neptunium və plutonium nüvə reaktorlarından işlənmiş yanacaqdan hasil edilir. Qeyd edək ki, aktinidlərin istehsalı kifayət qədər mürəkkəb və bahalı prosesdir, onun əsas üsulları ion mübadiləsi və çoxmərhələli ekstraksiyadır. Nadir torpaq elementləri adlanan lantanidlər, onların xloridlərinin və ya flüoridlərinin elektrolizi yolu ilə əldə edilir. Metalotermik üsul ultratəmiz lantanidləri çıxarmaq üçün istifadə olunur.
Daxili keçid elementlərinin istifadə edildiyi yerlər
Tədqiq etdiyimiz metalların istifadə dairəsi kifayət qədər genişdir. Anemon ailəsi üçün bu, ilk növbədə nüvə silahı və enerjidir. Aktinidlər tibbdə, qüsurların aşkarlanmasında və aktivləşdirmə təhlilində də vacibdir. Nüvə reaktorlarında neytronların tutulması mənbələri kimi lantanidlərin və aktinidlərin istifadəsini nəzərdən qaçırmaq mümkün deyil. Lantanidlər həmçinin çuqun və poladın ərintiləri kimi, həmçinin fosforların istehsalında istifadə olunur.
Təbiətdə yayılmış
Aktinidlərin və lantanidlərin oksidlərinə çox vaxt sirkonium, torium, itrium torpaqları deyilir. Onlar müvafiq metalların alınması üçün əsas mənbədir. Uran aktinidlərin əsas nümayəndəsi kimi litosferin xarici təbəqəsində dörd növ filiz və ya mineral şəklində olur. Əvvəla, bu, uran dioksidi olan uran qatışıdır. Ən yüksək metal tərkibinə malikdir. Tez-tez uran dioksidi radium yataqları (damarlar) ilə müşayiət olunur. Onlara Kanada, Fransa, Zairdə rast gəlinir. Torium və uran filizlərinin kompleksləri çox vaxt qızıl və ya gümüş kimi digər qiymətli metalların filizlərini ehtiva edir.
Belə xammal ehtiyatları Rusiya, Cənubi Afrika, Kanada və Avstraliyada zəngindir. Bəzi çöküntü süxurlarında mineral karnotit var. Uranla yanaşı, tərkibində vanadium da var. Dördüncüuran xammalının növü fosfat filizləri və dəmir-uran şistləridir. Onların ehtiyatları Mərakeş, İsveç və ABŞ-da yerləşir. Hazırda linyit və tərkibində uran çirkləri olan kömür yataqları da perspektivli hesab olunur. Onlar İspaniyada, Çexiyada, həmçinin ABŞ-ın iki ştatında - Şimali və Cənubi Dakotada hasil edilir.
