Лантаноиды и актиноиды (стр. 1 из 3)

1. Строение.

Лантаноиды и актиноиды располагаются в третьей побочной группе Периодической системы. Эти элементы следуют в таблице сразу после лантана и актиния и поэтому их называют соответственно лантаноиды и актиноиды. В короткой форме Периодической системы Д.И. Менделеева они вынесены в два последних ряда. Они относятся к f-элементам.

У в атомах лантаноидов и актиноидов происходит заполнение соответственно 4f- и 5f-подуровней.

Лантаноиды очень сходны по химическим свойствам. Близость свойств соединений лантаноидов обусловлена тем, что застройка внутренней 4f-оболочки атомов мало сказывается на состоянии валентных электронов. В образовании химической связи 4f-электроны лантаноидов обычно не принимают участия.

Электроны заполняют 4f-, а не 5d-подуровень потому, что в этом случае они обладают меньшей энергией. Однако разница в энергиях 4f- и 5d-состояний очень мала. Благодаря этому один из 4f -электронов (а в некоторых случаях, например, у церия, два 4f--электрона) легко возбуждается, переходя на 5d-подуровень, и становится, таким образом, валентным электроном. Поэтому в большинстве своих соединений лантаноиды имеют степень окисления +3, а не +2. Это обстоятельство объясняет близость свойств лантаноидов к свойствам элементов подгруппы скандия.

В пределах одного периода с возрастанием порядкового номера размеры атомов элементов уменьшаются. Подобная закономерность наблюдается не только для элементов главных подгрупп, но, за немногими исключениями, и для элементов побочных подгрупп. Такое же уменьшение радиусов атомов имеет место и в случае лантаноидов (лантаноидное сжатие).

Как и в случае лантаноидов, у элементов семейства актиноидов происходит заполнение третьего снаружи электронного слоя (подуровня 5f); строение же наружного и, как правило, предшествующего электронных слоев остается неизменным. Это служит причиной близости химических свойств актиноидов. Однако различие в энергетическом состоянии электронов, занимающих 5f- и 6d-подуровни в атомах актиноидов, еще меньше, чем соответствующая разность энергий в атомах лантаноидов. Поэтому у первых членов семейства актиноидов 5f-электроны легко переходят на подуровень 6dи могут принимать участие в образовании химических связей. В результате от тория до урана наиболее характерная степень окисления элементов возрастает от +4 до +6. При дальнейшем продвижении по ряду актиноидов происходит энергетическая стабилизация 5f-состоянии, а возбуждение электронов на 6d-подуровень требует большей затраты энергии. Вследствие этого от урана до кюрия наиболее характерная степень окисления элементов понижается от +6 до +3 (хотя для нептуния и плутония получены соединения со степенью окисления этих элементов +6 и +7). Берклий и следующие за ним элементы во всех своих соединениях находятся в степени окисления +3.

2. Свойства.

- Свойства лантаноидов.

В виде простых веществ все лантаноиды представляют собой серебристо - белые металлы (желтизна празеодима и неодима обусловлена образованием на поверхности пленки оксидов). Они хорошо куются. Почти все лантаноиды парамагнитны, только гадолиний, диспрозий и гольмий проявляют ферромагнитные свойства.

В ряду Се—Lu в изменении плотности, температур плавления и кипения проявляется внутренняя периодичность, т. е. указанные свойства металлов подсемейства церия изменяются с такой же последовательностью, как и у металлов подсемейства тербия (табл.1 ).

Таблица 1.

Физические свойства лантаноидов

Металл	Плотность, кг/м3	Температура , 0 С
		плавления	кипения
Подсемейство церия
Лантан	6120	920	3420
Церий	6770	804	3470
Празеодим	6770	935	3017
Неодим	7010	1024	3210
Прометии	—	—	—
Самарий	7540	1072	1670
Европий	5240	826	1430
Гадолиний	7890	1312	2830
Подсемсйстео тербия
Тербий	8250	1368	2480
Диспрозий	8560	1380	2330
Гольмий	8780	1500	2380
Эрбий	9060	1525	2390
Тулий	9320	1600	1720
Иттербий	6950	824	1320
Лютеций	9850	1675	2680

Температуры плавления в этом ряду возрастают, исключение составляют только европий и иттербий. Они имеют также относительно более низкие, чем у остальных элементов, температуры кипения.

Лантаноиды, как и лантан, по реакционной способности уступают лишь щелочным и щелочноземельным металлам. Во влажном воздухе они быстро тускнеют (вследствие образования оксида) , а при нагревании до 200—400°С на воздухе воспламеняются и сгорают с образованием смеси оксидов (Э₂0₃) с нитридами (ЭN). Церий в порошкообразном состоянии даже при обычных условиях легко воспламеняется на воздухе. Это свойство церия нашло применение при изготовлении кремней для зажигалок.

4Э +3О₂ =2Э₂О₃

Лантаноиды взаимодействуют с галогенами, а при нагревании — с азотом, серой, углеродом, кремнием, фосфором, водородом.

2Э +3Cl₂=2ЭCl₃

2Э +N₂=2ЭN

Э +2S =ЭS₂

Э + 2 С = ЭС₂ или 2Э + 3С = Э₂С₃

Э + Н₂ = ЭН₂

Карбиды, нитриды и гидриды лантаноидов взаимодействуют с водой с образованием гидроксида и соответственно ацетилена или различных углеводородов, аммиака и водорода.

ЭN + 3Н₂О = Э(ОН)₃ +NН₃

ЭС₂ + Н₂О = Э(ОН)₃ +С₂Н₂

ЭН₂ +Н₂О = Э(ОН)₃ +Н₂

Находясь в ряду напряжений значительно левее водорода (электродные потенциалы их колеблются е пределах от —2,4 до —2,1 В), лантаноиды окисляются горячен водой по реакции:

2Э + 6Н₂0 = 2Э(ОН)₃ + 3Н₂.

Они хорошовзаимодействуют с разбавленными растворами НС1, HN0₃ и H₂S0₄.

2 Э +6НCl =2 ЭСl₃ +3H₂

В растворах фосфорной и плавиковой кислот лантаноиды устойчивы, так как образуют защитные пленки малорастворимых солей. В водных растворах щелочей лантаноиды не растворяются. Химическая активность элементов в ряду Се—Lu несколько снижается, что связано с уменьшением радиусов их атомов и ионов.

Оксиды лантаноидов отличаются высокой химической прочностью и тугоплавкостью. Например, La₂0₃ плавится при температуре выше 2000°С, а Се0₂ — около 2500°С. В воде они практически нерастворимы, хотя интенсивно (с выделением теплоты) взаимодействуют с ней с образованием соответствующих гидроксидов Э(ОН)₃. Гидроксиды также труднорастворимы в воде. В ряду лантаноидов основная сила гидроксидов постепенно уменьшается с уменьшением радиусов в результате лантаноидного сжатия. С уменьшением ионных радиусов увеличивается прочность связи с кислородом. Поэтому гидроксиды последних лантаноидов - иттербия и лютеция – проявляют слабую амфотерность .

Оксиды и гидроксиды лантаноидов растворяются в кислотах (кроме HF и Н₃Р0₄).

Соли лантаноидов со степенью окисления +3 почти не гидролизуются, поскольку Э(ОН)₃ -довольно сильные основания. Хорошо растворимые соли (хлориды, нитраты, сульфаты) образуют различные кристаллогидраты. Мало растворимы фториды, карбонаты, фосфаты, оксалаты. Многие соли Э³⁺ образуют с аналогичными солями щелочных металлов хорошо кристаллизующиеся двойные соли. Раньше их применяли для разделения РЗЭ кристаллизацией.

Э₂(SO₄)₃ + Ме₂SO₄ = Ме₂SO₄·Э₂(SO₄)₃

Ионы Э³⁺ в водном растворе образуют гидратные комплексы [Э(H₂0)_n]³⁺, n=8. Гидратированные ионы окрашены: Се³⁺- бесцветный, Рr⁺³ - желто-зеленый, Nd³⁺ - красно-фиолетовый, Рm³⁺ - розовый, Sm³⁺ -желтый, Eu³⁺, Gd³⁺, Tb³⁺ - бесцветные, Dy³⁺ - бледно-желто-зеленый, Но⁺³- коричневато-желтый, Ег⁺³- розовый, Тm - бледно-зеленый, Yb³⁺, Lu³⁺ — бесцветные. Ион Ce⁴⁺(p) имеет ярко-желтую окраску.

Некоторые лантаноиды имеют, помимо характеристической, еще степени окисления +4 и+2. Среди лантаноидов, проявляющих степень окисления +4, выделяется церий. Относительно более стабильные соединения в степени окисления +2 дает европий.

Диоксид СеО₂ образуется при непосредственном взаимодействии компонентов . Он плавится при 2600 ⁰ С под давлением кислорода, начинает отщеплять кислород только при 2300 ⁰С. При 1250 ⁰С Се0₂ восстанавливается водородом до Се₂0₃. Диоксид церия не растворяется в воде, а после прокаливания и в кислотах, и в щелочах. СеО₂ -.является сильным окислителем, например, выделяет хлор из соляной кислоты:

2CeO₂ +8HCI = 2CeCl₃ +CL₂ + H₂0

Гидроксид церия Се(ОН)₄ при взаимодействии с кислотами-восстановителями образует соли со степенью окисления церия +3:

2Се(ОН)₄ + 8НС1 = 2СеС1₃ + С1₂ + ЗН₂0.

Из солей кислородсодержащих кислот, содержащих ионы лантаноидов со степенью окисления +4, известны только производные церия. Сульфат Ce(S0₄)₂ получается нагреванием Се0₂ с горячей концентрированной серной кислотой. Ce(S0₄)₂ — порошок желтого цвета, хорошо растворяется в воде, подвергается гидролизу. Сульфат церия из водных растворов выделяется в виде розовых кристаллов с различным содержанием воды, среди которых доминируют кристаллогидраты с 8 молекулами воды. Известны только основные нитраты и карбонаты: Ce(OH)(N0₃)₃ и Се₂(ОН)₂(СО₃)₃. В то же время Се (+4) образует устойчивые ацетат и перхлорат: Се(СН₃СОО)₄, Се(С10₄)₄.

Для Ce(+4) известны довольно устойчивые комплексы [Се(С₂О₄)₃]'^2_ и [Се(N0₃)₆]^-2. Из галогенидных комплексов наиболее устойчивы фторидные.