Chacun des éléments chimiques présents dans les coquilles de la Terre: l'atmosphère, la lithosphère et l'hydrosphère - peut servir d'exemple frappant, confirmant l'importance fondamentale de la théorie atomique et moléculaire et de la loi périodique. Ils ont été formulés par les sommités des sciences naturelles - les scientifiques russes M. V. Lomonosov et D. I. Mendeleev. Les lanthanides et les actinides sont deux familles qui contiennent chacune 14 éléments chimiques, ainsi que les métaux eux-mêmes - le lanthane et l'actinium. Leurs propriétés - à la fois physiques et chimiques - seront examinées par nous dans cet article. De plus, nous établirons comment la position dans le système périodique de l'hydrogène, des lanthanides, des actinides dépend de la structure des orbitales électroniques de leurs atomes.
Historique de la découverte
À la fin du XVIIIe siècle, Y. Gadolin a obtenu le premier composé du groupe des métaux des terres rares - l'oxyde d'yttrium. Jusqu'au début du XXe siècle, grâce aux recherches de G. Moseley en chimie, on a appris l'existence d'un groupe de métaux. Ils étaient situés dans le système périodique entre le lanthane et l'hafnium. Un autre élément chimique - l'actinium, comme le lanthane, forme une famille de 14 éléments radioactifséléments chimiques appelés actinides. Leur découverte scientifique s'est produite de 1879 au milieu du XXe siècle. Les lanthanides et les actinides présentent de nombreuses similitudes dans les propriétés physiques et chimiques. Cela peut s'expliquer par la disposition des électrons dans les atomes de ces métaux, qui sont à des niveaux d'énergie, à savoir, pour les lanthanides, il s'agit du quatrième niveau f-sous-niveau et pour les actinides - du cinquième niveau f-sous-niveau. Ensuite, nous examinerons plus en détail les couches d'électrons des atomes des métaux ci-dessus.
La structure des éléments transitionnels internes à la lumière des enseignements atomiques et moléculaires
La découverte ingénieuse de la structure des produits chimiques par MV Lomonosov a servi de base à une étude plus approfondie des couches d'électrons des atomes. Le modèle de Rutherford de la structure d'une particule élémentaire d'un élément chimique, les études de M. Planck, F. Gund ont permis aux chimistes de trouver l'explication correcte des modèles existants de changements périodiques des propriétés physiques et chimiques qui caractérisent les lanthanides et les actinides. Il est impossible d'ignorer le rôle le plus important de la loi périodique de D. I. Mendeleev dans l'étude de la structure des atomes d'éléments de transition. Arrêtons-nous sur cette question plus en détail.
Place des éléments de transition internes dans le tableau périodique de DI Mendeleïev
Dans le troisième groupe de la sixième - plus grande période - derrière le lanthane se trouve une famille de métaux allant du cérium au lutétium inclus. Le sous-niveau 4f de l'atome de lanthane est vide, tandis que l'atome de lutétium est complètement rempli avec le 14eélectrons. Les éléments situés entre eux remplissent progressivement les orbitales f. Dans la famille des actinides - du thorium au lawrencium - on observe le même principe d'accumulation de particules chargées négativement à la seule différence près que le remplissage en électrons se fait au sous-niveau 5f. La structure du niveau d'énergie externe et le nombre de particules négatives dessus (égal à deux) sont les mêmes pour tous les métaux ci-dessus. Ce fait répond à la question de savoir pourquoi les lanthanides et les actinides, appelés éléments de transition internes, présentent de nombreuses similitudes.
Dans certaines sources de la littérature chimique, les représentants des deux familles sont combinés en sous-groupes secondaires. Ils contiennent deux métaux de chaque famille. Dans la forme abrégée du système périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleev, les représentants de ces familles sont séparés du tableau lui-même et disposés en rangées séparées. Par conséquent, la position des lanthanides et des actinides dans le système périodique correspond au plan général de la structure des atomes et à la périodicité de remplissage des niveaux internes avec des électrons, et la présence des mêmes états d'oxydation a provoqué l'association des métaux de transition internes en groupes communs.. En eux, les éléments chimiques ont des caractéristiques et des propriétés équivalentes au lanthane ou à l'actinium. C'est pourquoi les lanthanides et les actinides sont retirés du tableau des éléments chimiques.
Comment la configuration électronique du sous-niveau f affecte les propriétés des métaux
Comme nous l'avons dit plus tôt, la position des lanthanides et des actinides dans le périodiquesystème détermine directement leurs caractéristiques physiques et chimiques. Ainsi, les ions de cérium, de gadolinium et d'autres éléments de la famille des lanthanides ont des moments magnétiques élevés, associés à des caractéristiques structurelles du sous-niveau f. Cela a permis d'utiliser des métaux comme dopants pour obtenir des semi-conducteurs aux propriétés magnétiques. Les sulfures d'éléments de la famille de l'actinium (par exemple, le sulfure de protactinium, le thorium) dans la composition de leurs molécules ont un type de liaison chimique mixte: ionique-covalent ou covalent-métal. Cette caractéristique de la structure a conduit à l'émergence d'une nouvelle propriété physico-chimique et a servi de réponse à la question de savoir pourquoi les lanthanides et les actinides ont des propriétés luminescentes. Par exemple, un échantillon d'anémone argenté dans l'obscurité brille d'une lueur bleutée. Cela s'explique par l'action du courant électrique, des photons de lumière sur les ions métalliques, sous l'influence desquels les atomes sont excités, et les électrons qu'ils contiennent «sautent» à des niveaux d'énergie plus élevés, puis retournent sur leurs orbites stationnaires. C'est pour cette raison que les lanthanides et les actinides sont classés comme phosphores.
Conséquences de la diminution des rayons ioniques des atomes
Dans le lanthane et l'actinium, ainsi que dans les éléments de leurs familles, il y a une diminution monotone de la valeur des indicateurs des rayons des ions métalliques. En chimie, dans de tels cas, il est d'usage de parler de compression des lanthanides et des actinides. En chimie, le schéma suivant a été établi: avec une augmentation de la charge du noyau des atomes, si les éléments appartiennent à la même période, leurs rayons diminuent. Ceci peut être expliqué comme suitmanière: pour des métaux tels que le cérium, le praséodyme, le néodyme, le nombre de niveaux d'énergie dans leurs atomes est inchangé et égal à six. Cependant, les charges des noyaux augmentent respectivement de un et sont +58, +59, +60. Cela signifie que la force d'attraction des électrons des coquilles internes vers le noyau chargé positivement augmente. En conséquence, les rayons atomiques diminuent. Dans les composés ioniques de métaux, avec une augmentation du numéro atomique, les rayons ioniques diminuent également. Des changements similaires sont observés dans les éléments de la famille des anémones. C'est pourquoi les lanthanides et les actinides sont appelés jumeaux. Une diminution des rayons des ions conduit tout d'abord à un affaiblissement des propriétés basiques des hydroxydes Ce(OH)3, Pr(OH)3 propriétés.
Le remplissage du sous-niveau 4f avec des électrons non appariés jusqu'à la moitié des orbitales de l'atome d'europium conduit à des résultats inattendus. Son rayon atomique ne diminue pas, mais au contraire augmente. Le gadolinium, qui le suit dans la série des lanthanides, a un électron dans le sous-niveau 4f au sous-niveau 5d, comme Eu. Cette structure provoque une diminution brutale du rayon de l'atome de gadolinium. Un phénomène similaire est observé dans un couple ytterbium - lutétium. Pour le premier élément, le rayon atomique est grand en raison du remplissage complet du sous-niveau 4f, tandis que pour le lutétium, il diminue brusquement, puisque l'apparition d'électrons est observée au sous-niveau 5d. Dans l'actinium et d'autres éléments radioactifs de cette famille, les rayons de leurs atomes et ions ne changent pas de manière monotone, mais, comme les lanthanides, par étapes. Ainsi, les lanthanides etles actinides sont des éléments dont les propriétés de leurs composés dépendent corrélativement du rayon ionique et de la structure des couches électroniques des atomes.
États de Valence
Lanthanides et actinides sont des éléments dont les caractéristiques sont assez similaires. Cela concerne en particulier leurs états d'oxydation en ions et la valence des atomes. Par exemple, le thorium et le protactinium, qui présentent une valence de trois, dans les composés Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Toutes ces substances sont insolubles et ont les mêmes propriétés chimiques que les métaux de la famille des lanthanes: cérium, praséodyme, néodyme, etc. Les lanthanides de ces composés seront également trivalents. Ces exemples nous prouvent une fois de plus la justesse de l'affirmation selon laquelle les lanthanides et les actinides sont jumeaux. Ils ont des propriétés physiques et chimiques similaires. Cela peut s'expliquer principalement par la structure des orbitales électroniques des atomes des deux familles d'éléments de transition internes.
Propriétés des métaux
Tous les représentants des deux groupes sont des métaux, dans lesquels les sous-niveaux 4f, 5f et d sont complétés. Le lanthane et les éléments de sa famille sont appelés terres rares. Leurs caractéristiques physiques et chimiques sont si proches qu'ils sont très difficilement séparés séparément dans des conditions de laboratoire. Présentant le plus souvent un état d'oxydation de +3, les éléments de la série des lanthanes présentent de nombreuses similitudes avec les métaux alcalino-terreux (baryum, calcium, strontium). Les actinides sont également des métaux extrêmement actifs et sont également radioactifs.
Les caractéristiques structurelles des lanthanides et des actinides concernent également des propriétés telles que, par exemple, la pyrophoricité à l'état finement dispersé. Une diminution de la taille des réseaux cristallins face centrée des métaux est également observée. Nous ajoutons que tous les éléments chimiques des deux familles sont des métaux à reflet argenté, en raison de leur grande réactivité, ils s'assombrissent rapidement à l'air. Ils sont recouverts d'un film de l'oxyde correspondant, qui protège contre une oxydation ultérieure. Tous les éléments sont suffisamment réfractaires, à l'exception du neptunium et du plutonium, dont le point de fusion est bien inférieur à 1 000 °C.
Réactions chimiques caractéristiques
Comme indiqué précédemment, les lanthanides et les actinides sont des métaux réactifs. Ainsi, le lanthane, le cérium et d'autres éléments de la famille se combinent facilement avec des substances simples - les halogènes, ainsi qu'avec le phosphore, le carbone. Les lanthanides peuvent également interagir avec le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone. Ils sont également capables de décomposer l'eau. En plus des sels simples, tels que SeCl3 ou PrF3, par exemple, ils forment des sels doubles. En chimie analytique, les réactions des métaux lanthanides avec les acides aminoacétique et citrique occupent une place importante. Les composés complexes formés à la suite de tels procédés sont utilisés pour séparer un mélange de lanthanides, par exemple, dans des minerais.
En cas d'interaction avec des acides nitrates, chlorures et sulfates, des métauxforment les sels correspondants. Ils sont très solubles dans l'eau et facilement capables de former des hydrates cristallins. Il est à noter que les solutions aqueuses de sels de lanthanides sont colorées, ce qui s'explique par la présence des ions correspondants dans celles-ci. Les solutions de sels de samarium ou de praséodyme sont vertes, néodyme - rouge-violet, prométhium et europium - rose. Comme les ions avec un état d'oxydation de +3 sont colorés, cela est utilisé en chimie analytique pour reconnaître les ions métalliques des lanthanides (réactions dites qualitatives). Dans le même but, des méthodes d'analyse chimique telles que la cristallisation fractionnée et la chromatographie par échange d'ions sont également utilisées.
Les actinides peuvent être divisés en deux groupes d'éléments. Ce sont le berkelium, le fermium, le mendelevium, le nobelium, le lawrencium et l'uranium, le neptunium, le plutonium, l'omercium. Les propriétés chimiques du premier d'entre eux sont similaires au lanthane et aux métaux de sa famille. Les éléments du deuxième groupe ont des caractéristiques chimiques très similaires (presque identiques entre eux). Tous les actinides interagissent rapidement avec les non-métaux: soufre, azote, carbone. Ils forment des composés complexes avec des légendes contenant de l'oxygène. Comme nous pouvons le voir, les métaux des deux familles sont proches les uns des autres dans le comportement chimique. C'est pourquoi les lanthanides et les actinides sont souvent appelés métaux jumeaux.
Position dans le système périodique de l'hydrogène, des lanthanides, des actinides
Il faut tenir compte du fait que l'hydrogène est une substance assez réactive. Il se manifeste selon les conditions de la réaction chimique: à la fois comme agent réducteur et comme agent oxydant. C'est pourquoi dans le système périodiquel'hydrogène est situé simultanément dans les principaux sous-groupes de deux groupes à la fois.
Dans le premier, l'hydrogène joue le rôle d'agent réducteur, comme les métaux alcalins qui s'y trouvent. La place de l'hydrogène dans le 7ème groupe, avec les éléments halogènes, indique sa capacité réductrice. Dans la sixième période, comme déjà mentionné, la famille des lanthanides est située, placée dans une rangée séparée pour la commodité et la compacité du tableau. La septième période contient un groupe d'éléments radioactifs dont les caractéristiques sont similaires à celles de l'actinium. Les actinides sont situés en dehors du tableau des éléments chimiques de D. I. Mendeleev sous la rangée de la famille des lanthanes. Ces éléments sont les moins étudiés, car les noyaux de leurs atomes sont très instables à cause de la radioactivité. Rappelons que les lanthanides et les actinides sont des éléments de transition internes et que leurs caractéristiques physico-chimiques sont très proches les unes des autres.
Méthodes générales de production de métaux dans l'industrie
À l'exception du thorium, du protactinium et de l'uranium, qui sont extraits directement des minerais, le reste des actinides peut être obtenu en irradiant des échantillons d'uranium métallique avec des flux de neutrons rapides. À l'échelle industrielle, le neptunium et le plutonium sont extraits du combustible usé des réacteurs nucléaires. Notez que la production d'actinides est un processus assez compliqué et coûteux, dont les principales méthodes sont l'échange d'ions et l'extraction en plusieurs étapes. Les lanthanides, appelés terres rares, sont obtenus par électrolyse de leurs chlorures ou fluorures. La méthode métallothermique est utilisée pour extraire les lanthanides ultrapurs.
Où les éléments de transition internes sont utilisés
Le domaine d'utilisation des métaux que nous étudions est assez large. Pour la famille des anémones, il s'agit avant tout d'armes et d'énergie nucléaires. Les actinides sont également importants en médecine, en détection de défauts et en analyse d'activation. Il est impossible d'ignorer l'utilisation des lanthanides et des actinides comme sources de capture de neutrons dans les réacteurs nucléaires. Les lanthanides sont également utilisés comme ajouts d'alliage à la fonte et à l'acier, ainsi que dans la production de luminophores.
Propagation dans la nature
Les oxydes d'actinides et de lanthanides sont souvent appelés terres de zirconium, de thorium, d'yttrium. Ils sont la principale source d'obtention des métaux correspondants. L'uranium, principal représentant des actinides, se trouve dans la couche externe de la lithosphère sous la forme de quatre types de minerais ou minéraux. Tout d'abord, c'est du brai d'uranium, qui est du dioxyde d'uranium. Il a la plus haute teneur en métal. Souvent, le dioxyde d'uranium est accompagné de dépôts de radium (veines). On les trouve au Canada, en France, au Zaïre. Les complexes de minerais de thorium et d'uranium contiennent souvent des minerais d'autres métaux précieux, tels que l'or ou l'argent.
Les réserves de ces matières premières sont riches en Russie, en Afrique du Sud, au Canada et en Australie. Certaines roches sédimentaires contiennent le minéral carnotite. En plus de l'uranium, il contient également du vanadium. Quatrièmele type de matières premières d'uranium est les minerais de phosphate et les schistes de fer et d'uranium. Leurs réserves sont situées au Maroc, en Suède et aux USA. À l'heure actuelle, les gisements de lignite et de charbon contenant des impuretés d'uranium sont également considérés comme prometteurs. Ils sont extraits en Espagne, en République tchèque et également dans deux États américains - le Dakota du Nord et le Dakota du Sud.
