Masing-masing unsur kimia yang ada di kulit Bumi: atmosfer, litosfer, dan hidrosfer - dapat menjadi contoh nyata, yang menegaskan pentingnya teori atom dan molekuler serta hukum periodik. Mereka dirumuskan oleh tokoh-tokoh ilmu alam - ilmuwan Rusia M. V. Lomonosov dan D. I. Mendeleev. Lantanida dan aktinida adalah dua keluarga yang masing-masing mengandung 14 unsur kimia, serta logam itu sendiri - lantanum dan aktinium. Sifat-sifatnya - baik fisik maupun kimia - akan kita bahas dalam makalah ini. Selain itu, kita akan menentukan bagaimana posisi dalam sistem periodik hidrogen, lantanida, aktinida bergantung pada struktur orbital elektronik atomnya.
Riwayat penemuan
Pada akhir abad ke-18, Y. Gadolin memperoleh senyawa pertama dari kelompok logam tanah jarang - itrium oksida. Hingga awal abad ke-20, berkat penelitian G. Moseley di bidang kimia, diketahui keberadaan sekelompok logam. Mereka terletak dalam sistem periodik antara lantanum dan hafnium. Unsur kimia lain - actinium, seperti lantanum, membentuk keluarga 14 radioaktifunsur kimia yang disebut aktinida. Penemuan mereka dalam sains terjadi dari tahun 1879 hingga pertengahan abad ke-20. Lantanida dan aktinida memiliki banyak kesamaan dalam sifat fisik dan kimia. Ini dapat dijelaskan dengan susunan elektron dalam atom-atom logam ini, yang berada pada tingkat energi, yaitu, untuk lantanida, ini adalah subtingkat f tingkat keempat, dan untuk aktinida - subtingkat f tingkat kelima. Selanjutnya, kita akan mempertimbangkan kulit elektron dari atom-atom logam di atas secara lebih rinci.
Struktur elemen transisi internal dalam terang ajaran atom dan molekul
Penemuan struktur bahan kimia yang cerdik oleh MV Lomonosov adalah dasar untuk studi lebih lanjut tentang kulit elektron atom. Model Rutherford tentang struktur partikel elementer dari suatu unsur kimia, studi M. Planck, F. Gund memungkinkan ahli kimia untuk menemukan penjelasan yang benar untuk pola yang ada dari perubahan periodik dalam sifat fisik dan kimia yang menjadi ciri lantanida dan aktinida. Mustahil untuk mengabaikan peran terpenting dari hukum periodik D. I. Mendeleev dalam studi tentang struktur atom unsur transisi. Mari kita membahas masalah ini secara lebih rinci.
Tempat elemen transisi internal dalam Tabel Periodik D. I. Mendeleev
Dalam kelompok ketiga dari keenam - periode yang lebih besar - di belakang lantanum adalah keluarga logam mulai dari serium hingga lutetium inklusif. Sublevel 4f atom lantanum kosong, sedangkan atom lutetium terisi penuh dengan atom ke-14elektron. Unsur-unsur yang terletak di antara mereka secara bertahap mengisi orbital f. Dalam keluarga aktinida - dari torium hingga lawrensium - prinsip yang sama dari akumulasi partikel bermuatan negatif diamati dengan satu-satunya perbedaan: pengisian elektron terjadi pada sublevel 5f. Struktur tingkat energi eksternal dan jumlah partikel negatif di atasnya (sama dengan dua) adalah sama untuk semua logam di atas. Fakta ini menjawab pertanyaan mengapa lantanida dan aktinida, yang disebut elemen transisi internal, memiliki banyak kesamaan.
Dalam beberapa sumber literatur kimia, perwakilan dari kedua keluarga digabungkan menjadi subkelompok sisi kedua. Mereka mengandung dua logam dari setiap keluarga. Dalam bentuk singkat dari sistem periodik unsur-unsur kimia D. I. Mendeleev, perwakilan dari keluarga-keluarga ini dipisahkan dari tabel itu sendiri dan diatur dalam baris yang terpisah. Oleh karena itu, posisi lantanida dan aktinida dalam sistem periodik sesuai dengan rencana umum struktur atom dan periodisitas pengisian tingkat internal dengan elektron, dan adanya keadaan oksidasi yang sama menyebabkan asosiasi logam transisi internal menjadi kelompok umum.. Di dalamnya, unsur-unsur kimia memiliki ciri dan sifat yang setara dengan lantanum atau aktinium. Itu sebabnya lantanida dan aktinida dikeluarkan dari tabel unsur kimia.
Bagaimana konfigurasi elektronik sublevel f mempengaruhi sifat logam
Seperti yang kami katakan sebelumnya, posisi lantanida dan aktinida dalam periodiksistem secara langsung menentukan karakteristik fisik dan kimianya. Dengan demikian, ion serium, gadolinium, dan elemen lain dari keluarga lantanida memiliki momen magnet yang tinggi, yang dikaitkan dengan fitur struktural sublevel f. Hal ini memungkinkan untuk menggunakan logam sebagai dopan untuk mendapatkan semikonduktor dengan sifat magnetik. Sulfida unsur-unsur keluarga aktinium (misalnya, sulfida protaktinium, thorium) dalam komposisi molekulnya memiliki jenis ikatan kimia campuran: kovalen ionik atau logam kovalen. Fitur struktur ini menyebabkan munculnya sifat fisikokimia baru dan menjadi jawaban atas pertanyaan mengapa lantanida dan aktinida memiliki sifat luminescent. Misalnya, sampel anemon yang keperakan dalam gelap bersinar dengan cahaya kebiruan. Ini dijelaskan oleh aksi arus listrik, foton cahaya pada ion logam, di bawah pengaruh atom yang tereksitasi, dan elektron di dalamnya "melompat" ke tingkat energi yang lebih tinggi dan kemudian kembali ke orbit stasionernya. Karena alasan inilah lantanida dan aktinida diklasifikasikan sebagai fosfor.
Konsekuensi penurunan jari-jari ionik atom
Dalam lantanum dan aktinium, serta dalam unsur-unsur dari keluarga mereka, ada penurunan nilai indikator jari-jari ion logam secara monoton. Dalam kimia, dalam kasus-kasus seperti itu, biasanya berbicara tentang kompresi lantanida dan aktinida. Dalam kimia, pola berikut telah ditetapkan: dengan peningkatan muatan inti atom, jika unsur-unsur termasuk dalam periode yang sama, jari-jarinya berkurang. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikutcara: untuk logam seperti serium, praseodymium, neodymium, jumlah tingkat energi dalam atomnya tidak berubah dan sama dengan enam. Namun, muatan inti masing-masing meningkat satu dan adalah +58, +59, +60. Ini berarti bahwa gaya tarik elektron kulit bagian dalam ke inti yang bermuatan positif meningkat. Akibatnya, jari-jari atom berkurang. Dalam senyawa ionik logam, dengan peningkatan nomor atom, jari-jari ionik juga berkurang. Perubahan serupa diamati pada elemen keluarga anemon. Itulah sebabnya lantanida dan aktinida disebut kembar. Penurunan jari-jari ion, pertama-tama, menyebabkan melemahnya sifat dasar hidroksida Ce(OH)3, Pr(OH)3properti.
Pengisian sublevel 4f dengan elektron tidak berpasangan hingga setengah dari orbital atom europium menghasilkan hasil yang tidak terduga. Jari-jari atomnya tidak berkurang, tetapi, sebaliknya, meningkat. Gadolinium, yang mengikutinya dalam deret lantanida, memiliki satu elektron di sublevel 4f di sublevel 5d, mirip dengan Eu. Struktur ini menyebabkan penurunan tiba-tiba pada jari-jari atom gadolinium. Fenomena serupa diamati pada sepasang iterbium - lutetium. Untuk elemen pertama, jari-jari atom besar karena pengisian lengkap sublevel 4f, sedangkan untuk lutetium tiba-tiba berkurang, karena kemunculan elektron diamati pada sublevel 5d. Dalam aktinium dan elemen radioaktif lainnya dari keluarga ini, jari-jari atom dan ionnya tidak berubah secara monoton, tetapi, seperti lantanida, bertahap. Jadi, lantanida danaktinida adalah unsur yang sifat senyawanya secara korelatif bergantung pada jari-jari ionik dan struktur kulit elektron atom.
Status valensi
Lantanida dan aktinida adalah unsur yang sifatnya sangat mirip. Secara khusus, ini menyangkut keadaan oksidasi mereka dalam ion dan valensi atom. Misalnya, thorium dan protaktinium, yang menunjukkan valensi tiga, dalam senyawa Th(OH)3, PaCl3, ThF 3 , Pa2(CO3)3. Semua zat ini tidak larut dan memiliki sifat kimia yang sama dengan logam dari keluarga lantanum: serium, praseodymium, neodymium, dll. Lantanida dalam senyawa ini juga akan trivalen. Contoh-contoh ini sekali lagi membuktikan kepada kita kebenaran pernyataan bahwa lantanida dan aktinida adalah kembar. Mereka memiliki sifat fisik dan kimia yang serupa. Hal ini dapat dijelaskan terutama oleh struktur orbital elektron atom dari kedua keluarga elemen transisi internal.
Sifat logam
Semua perwakilan dari kedua grup adalah logam, di mana sublevel 4f-, 5f-, dan juga d diselesaikan. Lantanum dan unsur-unsur keluarganya disebut tanah jarang. Karakteristik fisik dan kimianya sangat dekat sehingga dipisahkan secara terpisah di bawah kondisi laboratorium dengan sangat sulit. Paling sering menunjukkan keadaan oksidasi +3, unsur-unsur seri lantanum memiliki banyak kesamaan dengan logam alkali tanah (barium, kalsium, strontium). Aktinida juga merupakan logam yang sangat aktif, dan juga bersifat radioaktif.
Fitur struktural lantanida dan aktinida juga berhubungan dengan sifat-sifat seperti, misalnya, piroforisitas dalam keadaan terdispersi halus. Penurunan ukuran kisi kristal logam yang berpusat pada muka juga diamati. Kami menambahkan bahwa semua elemen kimia dari kedua keluarga adalah logam dengan kilau keperakan, karena reaktivitasnya yang tinggi, mereka dengan cepat menjadi gelap di udara. Mereka ditutupi dengan film oksida yang sesuai, yang melindungi dari oksidasi lebih lanjut. Semua elemen cukup tahan api, kecuali neptunium dan plutonium, yang titik lelehnya jauh di bawah 1000 °C.
Karakteristik reaksi kimia
Seperti disebutkan sebelumnya, lantanida dan aktinida adalah logam reaktif. Jadi, lantanum, serium, dan elemen keluarga lainnya dengan mudah bergabung dengan zat sederhana - halogen, serta dengan fosfor, karbon. Lantanida juga dapat berinteraksi dengan karbon monoksida dan karbon dioksida. Mereka juga mampu menguraikan air. Selain garam sederhana, seperti SeCl3 atau PrF3, misalnya, mereka membentuk garam ganda. Dalam kimia analitik, reaksi logam lantanida dengan asam aminoasetat dan asam sitrat menempati tempat yang penting. Senyawa kompleks yang terbentuk sebagai hasil dari proses tersebut digunakan untuk memisahkan campuran lantanida, misalnya, dalam bijih.
Saat berinteraksi dengan asam nitrat, klorida dan sulfat, logammembentuk garam yang sesuai. Mereka sangat larut dalam air dan dengan mudah mampu membentuk kristal hidrat. Perlu dicatat bahwa larutan berair garam lantanida diwarnai, yang dijelaskan oleh adanya ion yang sesuai di dalamnya. Solusi garam samarium atau praseodymium berwarna hijau, neodymium - merah-ungu, promethium dan europium - merah muda. Karena ion dengan keadaan oksidasi +3 diwarnai, ini digunakan dalam kimia analitik untuk mengenali ion logam lantanida (disebut reaksi kualitatif). Untuk tujuan yang sama, metode analisis kimia seperti kristalisasi fraksional dan kromatografi penukar ion juga digunakan.
Aktinida dapat dibagi menjadi dua kelompok unsur. Ini adalah berkelium, fermium, mendelevium, nobelium, lawrensium dan uranium, neptunium, plutonium, omersium. Sifat kimia yang pertama mirip dengan lantanum dan logam dari keluarganya. Unsur-unsur dari kelompok kedua memiliki karakteristik kimia yang sangat mirip (hampir identik satu sama lain). Semua aktinida dengan cepat berinteraksi dengan non-logam: belerang, nitrogen, karbon. Mereka membentuk senyawa kompleks dengan legenda yang mengandung oksigen. Seperti yang dapat kita lihat, logam dari kedua keluarga dekat satu sama lain dalam perilaku kimia. Inilah sebabnya mengapa lantanida dan aktinida sering disebut sebagai logam kembar.
Posisi dalam sistem periodik hidrogen, lantanida, aktinida
Perlu mempertimbangkan fakta bahwa hidrogen adalah zat yang cukup reaktif. Ini memanifestasikan dirinya tergantung pada kondisi reaksi kimia: baik sebagai zat pereduksi maupun sebagai zat pengoksidasi. Itulah sebabnya dalam sistem periodikhidrogen terletak secara bersamaan di subkelompok utama dari dua kelompok sekaligus.
Yang pertama, hidrogen berperan sebagai zat pereduksi, seperti logam alkali yang ada di sini. Tempat hidrogen di kelompok ke-7, bersama dengan unsur-unsur halogen, menunjukkan kemampuan mereduksinya. Pada periode keenam, seperti yang telah disebutkan, keluarga lantanida berada, ditempatkan di baris terpisah untuk kenyamanan dan kekompakan meja. Periode ketujuh mengandung sekelompok unsur radioaktif yang memiliki karakteristik yang mirip dengan aktinium. Aktinida terletak di luar tabel unsur kimia D. I. Mendeleev di bawah deretan keluarga lantanum. Unsur-unsur ini adalah yang paling sedikit dipelajari, karena inti atomnya sangat tidak stabil karena radioaktivitas. Ingat bahwa lantanida dan aktinida adalah elemen transisi internal, dan karakteristik fisikokimianya sangat dekat satu sama lain.
Metode umum untuk memproduksi logam dalam industri
Dengan pengecualian torium, protaktinium dan uranium, yang ditambang langsung dari bijih, sisa aktinida dapat diperoleh dengan menyinari sampel uranium logam dengan aliran neutron yang bergerak cepat. Pada skala industri, neptunium dan plutonium ditambang dari bahan bakar bekas reaktor nuklir. Perhatikan bahwa produksi aktinida adalah proses yang agak rumit dan mahal, metode utamanya adalah pertukaran ion dan ekstraksi multitahap. Lantanida, yang disebut unsur tanah jarang, diperoleh dengan elektrolisis klorida atau fluoridanya. Metode metalotermik digunakan untuk mengekstrak lantanida ultra murni.
Di mana elemen transisi internal digunakan
Rentang penggunaan logam yang kami pelajari cukup luas. Untuk keluarga anemon, ini, pertama-tama, senjata nuklir dan energi. Aktinida juga penting dalam pengobatan, deteksi cacat, dan analisis aktivasi. Tidak mungkin untuk mengabaikan penggunaan lantanida dan aktinida sebagai sumber penangkapan neutron dalam reaktor nuklir. Lantanida juga digunakan sebagai tambahan paduan pada besi tuang dan baja, serta dalam produksi fosfor.
Tersebar di alam
Oksida aktinida dan lantanida sering disebut zirkonium, torium, tanah itrium. Mereka adalah sumber utama untuk mendapatkan logam yang sesuai. Uranium, sebagai perwakilan utama aktinida, ditemukan di lapisan luar litosfer dalam bentuk empat jenis bijih atau mineral. Pertama-tama, itu adalah uranium pitch, yang merupakan uranium dioksida. Ini memiliki kandungan logam tertinggi. Seringkali uranium dioksida disertai dengan endapan radium (pembuluh darah). Mereka ditemukan di Kanada, Prancis, Zaire. Kompleks bijih thorium dan uranium sering mengandung bijih logam berharga lainnya, seperti emas atau perak.
Cadangan bahan baku tersebut kaya di Rusia, Afrika Selatan, Kanada, dan Australia. Beberapa batuan sedimen mengandung mineral carnotite. Selain uranium, juga mengandung vanadium. Keempatjenis bahan baku uranium adalah bijih fosfat dan serpih besi-uranium. Cadangan mereka terletak di Maroko, Swedia dan Amerika Serikat. Saat ini, deposit lignit dan batubara yang mengandung pengotor uranium juga dinilai menjanjikan. Mereka ditambang di Spanyol, Republik Ceko, dan juga di dua negara bagian AS - Dakota Utara dan Selatan.
