Cada uno de los elementos químicos presentes en las capas de la Tierra: la atmósfera, la litosfera y la hidrosfera - puede servir como un ejemplo vívido, confirmando la importancia fundamental de la teoría atómica y molecular y la ley periódica. Fueron formulados por las luminarias de las ciencias naturales: los científicos rusos M. V. Lomonosov y D. I. Mendeleev. Los lantánidos y actínidos son dos familias que contienen 14 elementos químicos cada uno, así como los propios metales: lantano y actinio. En este artículo consideraremos sus propiedades, tanto físicas como químicas. Además, estableceremos cómo la posición en el sistema periódico de hidrógeno, lantánidos, actínidos depende de la estructura de los orbitales electrónicos de sus átomos.
Historial de descubrimientos
A finales del siglo XVIII, Y. Gadolin obtuvo el primer compuesto del grupo de metales de tierras raras: el óxido de itrio. Hasta principios del siglo XX, gracias a las investigaciones de G. Moseley en química, se supo de la existencia de un grupo de metales. Estaban ubicados en el sistema periódico entre el lantano y el hafnio. Otro elemento químico - el actinio, como el lantano, forma una familia de 14 radioactivoselementos químicos llamados actínidos. Su descubrimiento en la ciencia ocurrió desde 1879 hasta mediados del siglo XX. Los lantánidos y los actínidos tienen muchas similitudes tanto en propiedades físicas como químicas. Esto puede explicarse por la disposición de los electrones en los átomos de estos metales, que se encuentran en niveles de energía, es decir, para los lantánidos, este es el subnivel f del cuarto nivel, y para los actínidos, el subnivel f del quinto nivel. A continuación, consideraremos con más detalle las capas de electrones de los átomos de los metales anteriores.
La estructura de los elementos de transición internos a la luz de las enseñanzas atómicas y moleculares
El ingenioso descubrimiento de la estructura de los productos químicos por parte de MV Lomonosov fue la base para un estudio posterior de las capas de electrones de los átomos. El modelo de Rutherford de la estructura de una partícula elemental de un elemento químico, los estudios de M. Planck, F. Gund permitieron a los químicos encontrar la explicación correcta de los patrones existentes de cambios periódicos en las propiedades físicas y químicas que caracterizan a los lantánidos y actínidos. Es imposible ignorar el papel más importante de la ley periódica de D. I. Mendeleev en el estudio de la estructura de los átomos de los elementos de transición. Detengámonos en este tema con más detalle.
Lugar de los elementos de transición internos en la tabla periódica de D. I. Mendeleev
En el tercer grupo del sexto - período más grande - detrás del lantano hay una familia de metales que van desde el cerio hasta el lutecio inclusive. El subnivel 4f del átomo de lantano está vacío, mientras que el átomo de lutecio está completamente lleno con el 14.electrones Los elementos ubicados entre ellos están llenando gradualmente los orbitales f. En la familia de los actínidos, desde el torio hasta el laurencio, se observa el mismo principio de acumulación de partículas cargadas negativamente con la única diferencia: el llenado de electrones ocurre en el subnivel 5f. La estructura del nivel de energía externa y el número de partículas negativas en él (igual a dos) son los mismos para todos los metales anteriores. Este hecho responde a la pregunta de por qué los lantánidos y actínidos, llamados elementos de transición interna, tienen muchas similitudes.
En algunas fuentes de literatura química, los representantes de ambas familias se combinan en subgrupos secundarios. Contienen dos metales de cada familia. En la forma abreviada del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev, los representantes de estas familias se separan de la tabla y se organizan en filas separadas. Por lo tanto, la posición de los lantánidos y actínidos en el sistema periódico corresponde al plan general de la estructura de los átomos y la periodicidad de llenar los niveles internos con electrones, y la presencia de los mismos estados de oxidación provocó la asociación de los metales de transición internos en grupos comunes.. En ellos, los elementos químicos tienen características y propiedades equivalentes al lantano o al actinio. Es por eso que los lantánidos y actínidos se eliminan de la tabla de elementos químicos.
Cómo la configuración electrónica del subnivel f afecta las propiedades de los metales
Como dijimos antes, la posición de los lantánidos y actínidos en el periódicodetermina directamente sus características físicas y químicas. Por lo tanto, los iones de cerio, gadolinio y otros elementos de la familia de los lantánidos tienen momentos magnéticos elevados, lo que se asocia con las características estructurales del subnivel f. Esto hizo posible el uso de metales como dopantes para obtener semiconductores con propiedades magnéticas. Los sulfuros de elementos de la familia del actinio (por ejemplo, sulfuro de protactinio, torio) en la composición de sus moléculas tienen un tipo de enlace químico mixto: iónico-covalente o covalente-metal. Esta característica de la estructura condujo al surgimiento de una nueva propiedad fisicoquímica y sirvió como respuesta a la pregunta de por qué los lantánidos y los actínidos tienen propiedades luminiscentes. Por ejemplo, una muestra de anémona que es plateada en la oscuridad brilla con un brillo azulado. Esto se explica por la acción de la corriente eléctrica, los fotones de luz sobre los iones metálicos, bajo cuya influencia se excitan los átomos y los electrones en ellos "s altan" a niveles de energía más altos y luego regresan a sus órbitas estacionarias. Es por esta razón que los lantánidos y actínidos se clasifican como fósforos.
Consecuencias de disminuir los radios iónicos de los átomos
En el lantano y el actinio, así como en los elementos de sus familias, hay una disminución monótona en el valor de los indicadores de los radios de los iones metálicos. En química, en tales casos se acostumbra hablar de compresión de lantánidos y actínidos. En química se ha establecido el siguiente patrón: con un aumento en la carga del núcleo de los átomos, si los elementos pertenecen al mismo período, sus radios disminuyen. Esto se puede explicar de la siguiente maneraforma: para metales como el cerio, el praseodimio, el neodimio, el número de niveles de energía en sus átomos no cambia y es igual a seis. Sin embargo, las cargas de los núcleos aumentan respectivamente en uno y son +58, +59, +60. Esto significa que aumenta la fuerza de atracción de los electrones de las capas internas hacia el núcleo cargado positivamente. Como resultado, los radios atómicos disminuyen. En compuestos iónicos de metales, con un aumento en el número atómico, los radios iónicos también disminuyen. Se observan cambios similares en los elementos de la familia de las anémonas. Por eso los lantánidos y los actínidos se denominan gemelos. Una disminución en los radios de los iones conduce, en primer lugar, a un debilitamiento de las propiedades básicas de los hidróxidos Ce(OH)3, Pr(OH)3 propiedades.
El llenado del subnivel 4f con electrones desapareados hasta la mitad de los orbitales del átomo de europio conduce a resultados inesperados. Su radio atómico no disminuye, sino que, por el contrario, aumenta. El gadolinio, que le sigue en la serie de los lantánidos, tiene un electrón en el subnivel 4f en el subnivel 5d, de manera similar a Eu. Esta estructura provoca una brusca disminución del radio del átomo de gadolinio. Un fenómeno similar se observa en un par de iterbio - lutecio. Para el primer elemento el radio atómico es grande debido al llenado completo del subnivel 4f, mientras que para el lutecio decrece abruptamente, ya que se observa la aparición de electrones en el subnivel 5d. En el actinio y otros elementos radiactivos de esta familia, los radios de sus átomos e iones no cambian monótonamente, sino que, como los lantánidos, lo hacen por etapas. Así, los lantánidos yLos actínidos son elementos cuyas propiedades de sus compuestos dependen correlativamente del radio iónico y de la estructura de las capas electrónicas de los átomos.
Estados de valencia
Los lantánidos y los actínidos son elementos cuyas características son bastante similares. En particular, esto se refiere a sus estados de oxidación en iones y la valencia de los átomos. Por ejemplo, torio y protactinio, que exhiben una valencia de tres, en los compuestos Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Todas estas sustancias son insolubles y tienen las mismas propiedades químicas que los metales de la familia de los lantano: cerio, praseodimio, neodimio, etc. Los lantánidos de estos compuestos también serán trivalentes. Estos ejemplos nos prueban una vez más la exactitud de la afirmación de que los lantánidos y los actínidos son gemelos. Tienen propiedades físicas y químicas similares. Esto puede explicarse principalmente por la estructura de los orbitales electrónicos de los átomos de ambas familias de elementos de transición internos.
Propiedades de los metales
Todos los representantes de ambos grupos son metales, en los que se completan los subniveles 4f-, 5f- y también d. El lantano y los elementos de su familia se denominan tierras raras. Sus características físicas y químicas son tan cercanas que se separan por separado en condiciones de laboratorio con gran dificultad. Los elementos de la serie del lantano, que suelen exhibir un estado de oxidación de +3, tienen muchas similitudes con los metales alcalinotérreos (bario, calcio, estroncio). Los actínidos también son metales extremadamente activos y también son radiactivos.
Las características estructurales de los lantánidos y actínidos también se relacionan con propiedades tales como, por ejemplo, la piroforicidad en un estado finamente disperso. También se observa una disminución en el tamaño de las redes cristalinas de metales centradas en las caras. Agregamos que todos los elementos químicos de ambas familias son metales con un brillo plateado, debido a su alta reactividad, se oscurecen rápidamente en el aire. Están recubiertos con una película del óxido correspondiente, que protege contra una mayor oxidación. Todos los elementos son suficientemente refractarios, a excepción del neptunio y el plutonio, cuyo punto de fusión está muy por debajo de los 1000 °C.
Reacciones químicas características
Como se señaló anteriormente, los lantánidos y los actínidos son metales reactivos. Entonces, el lantano, el cerio y otros elementos de la familia se combinan fácilmente con sustancias simples: halógenos, así como con fósforo y carbono. Los lantánidos también pueden interactuar tanto con el monóxido de carbono como con el dióxido de carbono. También son capaces de descomponer el agua. Además de sales simples, como SeCl3 o PrF3, por ejemplo, forman sales dobles. En química analítica, las reacciones de metales lantánidos con ácidos aminoacético y cítrico ocupan un lugar importante. Los compuestos complejos formados como resultado de dichos procesos se utilizan para separar una mezcla de lantánidos, por ejemplo, en minerales.
Al interactuar con ácidos de nitrato, cloruro y sulfato, metalesformar las sales correspondientes. Son altamente solubles en agua y fácilmente capaces de formar hidratos cristalinos. Cabe señalar que las soluciones acuosas de sales de lantánidos están coloreadas, lo que se explica por la presencia de los iones correspondientes en ellas. Las soluciones de sales de samario o praseodimio son verdes, neodimio, rojo violeta, prometio y europio, rosa. Dado que los iones con un estado de oxidación de +3 están coloreados, esto se usa en química analítica para reconocer los iones metálicos lantánidos (las llamadas reacciones cualitativas). Con el mismo propósito, también se utilizan métodos de análisis químico como la cristalización fraccionada y la cromatografía de intercambio iónico.
Los actínidos se pueden dividir en dos grupos de elementos. Estos son berkelio, fermio, mendelevio, nobelio, laurencio y uranio, neptunio, plutonio, omercio. Las propiedades químicas del primero de ellos son similares al lantano y los metales de su familia. Los elementos del segundo grupo tienen características químicas muy similares (casi idénticas entre sí). Todos los actínidos interactúan rápidamente con los no metales: azufre, nitrógeno, carbono. Forman compuestos complejos con leyendas que contienen oxígeno. Como podemos ver, los metales de ambas familias tienen un comportamiento químico similar. Esta es la razón por la cual los lantánidos y los actínidos se denominan a menudo metales gemelos.
Posición en el sistema periódico de hidrógeno, lantánidos, actínidos
Hay que tener en cuenta que el hidrógeno es una sustancia bastante reactiva. Se manifiesta según las condiciones de la reacción química: tanto como agente reductor como agente oxidante. Por eso en el sistema periódicoel hidrógeno se encuentra simultáneamente en los subgrupos principales de dos grupos a la vez.
En el primero, el hidrógeno juega el papel de un agente reductor, como los metales alcalinos que se encuentran aquí. El lugar del hidrógeno en el séptimo grupo, junto con los elementos halógenos, indica su capacidad reductora. En el sexto período, como ya se mencionó, se ubica la familia de los lantánidos, colocados en una fila separada por conveniencia y compacidad de la tabla. El séptimo período contiene un grupo de elementos radiactivos similares en características al actinio. Los actínidos se encuentran fuera de la tabla de elementos químicos de D. I. Mendeleev bajo la fila de la familia del lantano. Estos elementos son los menos estudiados, ya que los núcleos de sus átomos son muy inestables debido a la radiactividad. Recuérdese que los lantánidos y los actínidos son elementos de transición interna, y sus características fisicoquímicas son muy parecidas entre sí.
Métodos generales para producir metales en la industria
Con la excepción del torio, el protactinio y el uranio, que se extraen directamente de los minerales, el resto de los actínidos se pueden obtener irradiando muestras de uranio metálico con corrientes de neutrones de movimiento rápido. A escala industrial, el neptunio y el plutonio se extraen del combustible gastado de los reactores nucleares. Tenga en cuenta que la producción de actínidos es un proceso bastante complicado y costoso, cuyos principales métodos son el intercambio iónico y la extracción en varias etapas. Los lantánidos, que se denominan tierras raras, se obtienen por electrólisis de sus cloruros o fluoruros. El método metalotérmico se utiliza para extraer lantánidos ultrapuros.
Donde se utilizan elementos de transición internos
El rango de uso de los metales que estudiamos es bastante amplio. Para la familia de las anémonas, esto es, en primer lugar, armas y energía nucleares. Los actínidos también son importantes en medicina, detección de fallas y análisis de activación. Es imposible ignorar el uso de lantánidos y actínidos como fuentes de captura de neutrones en reactores nucleares. Los lantánidos también se utilizan como adiciones para aleaciones de hierro fundido y acero, así como en la producción de fósforos.
Difundir en la naturaleza
Los óxidos de actínidos y lantánidos a menudo se denominan tierras de circonio, torio e itrio. Son la fuente principal para la obtención de los metales correspondientes. El uranio, como principal representante de los actínidos, se encuentra en la capa exterior de la litosfera en forma de cuatro tipos de menas o minerales. En primer lugar, es la brea de uranio, que es dióxido de uranio. Tiene el mayor contenido de metal. A menudo, el dióxido de uranio se acompaña de depósitos de radio (venas). Se encuentran en Canadá, Francia, Zaire. Los complejos de minerales de torio y uranio a menudo contienen minerales de otros metales valiosos, como oro o plata.
Las reservas de dichas materias primas son abundantes en Rusia, Sudáfrica, Canadá y Australia. Algunas rocas sedimentarias contienen el mineral carnotita. Además de uranio, también contiene vanadio. Cuatroel tipo de materias primas de uranio son los minerales de fosfato y los esquistos de hierro-uranio. Sus reservas se encuentran en Marruecos, Suecia y Estados Unidos. En la actualidad, los depósitos de lignito y carbón que contienen impurezas de uranio también se consideran prometedores. Se extraen en España, la República Checa y también en dos estados de EE. UU.: Dakota del Norte y Dakota del Sur.
