Свойства внутризонных переходных металлов (лантаноиды и актиноиды)

Внутризонные переходные металлы состоят из двух серий: лантаноиды и актиноиды. Эти элементы располагаются в f-блоке периодической таблицы и характеризуются заполнением электронов в их 4f и 5f орбиталях, соответственно. Хотя они обсуждаются реже, чем переходные элементы d-блока, внутризонные переходные металлы имеют интересные свойства и важные применения, которые необходимы для многих отраслей.

Лантаноиды

Лантаноиды, также известные как лантаноиды, включают элементы с атомными номерами с 57 по 71, начиная с лантана (La) и заканчивая лютецием (Lu). Ниже приведен последовательный список этих элементов:

Лантан (La), Церий (Ce), Празеодим (Pr), Неодим (Nd), Прометий (Pm), Самарий (Sm),
Европий (Eu), Гадолиний (Gd), Тербий (Tb), Диспрозий (Dy), Гольмий (Ho), Эрбий (Er),
Тулий (Tm), Иттербий (Yb), Лютеций (Lu)
    

Эти элементы славятся своим блестящим серебристым внешним видом и высокими точками плавления. Лантаноиды обладают высокой реакционной способностью, особенно при высоких температурах или в мелкодисперсном состоянии. Их реакционная способность схожа с кальцием или магнием во многих аспектах.

Электронная конфигурация

Электроны лантаноидов группируются в 4f орбиталях. Например, электронная конфигурация церия (Ce, атомный номер 58) может быть записана как:

[Xe] 4f 1 5d 1 6s 2

Добавление электронов в подслой 4f обычно не вызывает значительных изменений в химическом поведении в серии, так как электроны 4f не участвуют в связывании, как валентные электроны.

Общие свойства лантаноидов

Лантаноиды демонстрируют некоторые общие черты:

• Металлическая природа: Все лантаноиды являются металлами и обладают типичными металлическими свойствами, такими как пластичность, ковкость и хорошая электропроводность.
• Высокая плотность и температура плавления: Они имеют высокую плотность и температуру плавления.
• Переменные степени окисления: Лантаноиды в основном проявляют степени окисления +3, хотя некоторые проявляют также +2 и +4.
• Магнитные свойства: Многие лантаноиды являются парамагнитными из-за наличия неспаренных электронов.

Актиноиды

Актиноиды включают элементы с атомными номерами с 89 по 103, начиная с актиния (Ac) и заканчивая лоуренцием (Lr). Последовательный список актинодинных элементов представлен ниже:

Актиний (Ac), Торий (Th), Протактиний (Pa), Уран (U), Нептуний (Np), Плутоний (Pu),
Америций (Am), Кюрий (Cm), Берклий (Bk), Калифорний (Cf), Эйнштейний (Es), Фермий (Fm),
Менделевий (Md), Нобелий (No), Лоуренций (Lr)
    

Актиноиды уникальны своей способностью образовывать более сложные ионы, чем лантаноиды, и демонстрировать разнообразие степеней окисления. Они в основном характеризуются радиоактивными свойствами и играют более заметную роль в реакциях ядерного распада.

Электронная конфигурация

У актиноидов заполняются 5f орбитали. Например, электронная конфигурация урана (U, атомный номер 92) выглядит следующим образом:

[Rn] 5f 3 6d 1 7s 2

Из-за вовлечения 5f подслоя актиноиды часто проявляют переменное и богатое многообразие химии с потенциальной сложностью, в отличие от их лантаноидных аналогов.

Общие свойства актиноидов

Актиноиды имеют несколько общих признаков:

• Радиоактивность: Большинство актиноидов радиоактивно, некоторые из них имеют очень короткие периоды полураспада.
• Металлическая природа: Все они являются металлами и обладают физическими свойствами, схожими с лантаноидами.
• Переменные степени окисления: Актиноиды демонстрируют разнообразные степени окисления от +3 до +6 или даже выше в некоторых случаях.
• Магнитные свойства: Из-за наличия неспаренных электронов 5f многие актиноиды обладают магнитными свойствами.

Химическая реакционная способность внутризонных переходных металлов

Внутризонные переходные металлы известны своей реакционной способностью. Лантаноиды быстро образуют оксиды и гидроксиды при воздействии воздуха. Их оксиды, такие как La 2 O 3, базовы. В отличие от них, актиноиды, особенно нижние представители группы, такие как уран (U) и плутоний (Pu), более реакционноспособны и образуют более сложные соединения из-за их высоких степеней окисления и служат важными источниками в области ядерной энергетики.

Применение лантаноидов и актиноидов

Лантаноиды

• Сплавы: Лантаноиды часто используют в сплавах для улучшения свойств, таких как прочность и обрабатываемость. Мишметалл, содержащий несколько лантаноидов, используется в легких кремнях.
• Стекло и оптика: Некоторые лантаноиды используются для окраски стекла и в оптических приборах. Известно, что неодимовое стекло фильтрует инфракрасное излучение.
• Электроника: Лантаноиды, такие как европий (Eu), используются в электронно-лучевых трубках и светодиодах благодаря их световым свойствам.

Актиноиды

• Ядерная энергия: Уран и плутоний являются ключевыми элементами в ядерных реакторах и атомных бомбах из-за их способности к делению.
• Медицина: Актиноиды, такие как радий (Ra), исторически использовались в лечении рака и остаются актуальными в некоторых диагностических методиках.
• Исследования: Актиноиды, особенно синтетические, такие как кюрий (Cm), предоставляют важную информацию о ядерной химии и материаловедении.

Заключение

Внутризонные переходные металлы, включающие как лантаноиды, так и актиноиды, предлагают обширные и ценные свойства благодаря своим уникальным электронным конфигурациям. В то время как лантаноиды широко используются в промышленности от электроники до металлургии благодаря своим магнитным и оптическим свойствам, актиноиды занимают ведущее место в ядерной энергетике и научных исследованиях благодаря их сложной химии и радиоактивности. Понимание свойств и применения этих внутризонных переходных металлов обогащает наше понимание химических явлений и способствует технологическому прогрессу.

Комментарии