Актиноиды

Лантаноиды

Лантаноиды - семейство, состоящее из 14 f-элементов с порядковыми номерами от 58 до 71. Лантаноиды между собой весьма похожи по своим химическим и физико-химическим свойствам. Лантаноиды вместе с элементами побочной подгруппы называют редкоземельными элементами.

Все элементы относятся к редким, рассеянным. Содержатся в иттриевых и цериевых землях; вместе с ураном и торием - в моноцитовых песках. Лантаноиды с четными номерами более распространены в природе, чем с нечетными. Они очень схожи по свойствам, т.к. два внешних электронных уровня у них одинаковы, а заполняется третий снаружи (4f-подуровень). Поэтому в ряду лантаноидов радиус атома убывает от Ce к Lu. Это явление известно под названием “лантаноидное сжатие”. Выделение и разделение отдельных элементов достаточно трудоемкий процесс и основан на различной сорбционной способности их солей.

В чистом виде это металлы белого или желтого цвета, покрытые оксидной пленкой, довольно твердые, тугоплавкие.

Химические свойства

1. Довольно активные металлы, похожие по химическим свойствам на лантан и иттрий. Взаимодействуют с кислородом, азотом, серой, углеродом, галогенами, образуют гидриды состава MeH₂ и MeH₃. Характерная степень окисления для лантаноидов +3. Но имеются и отклонения. Так, для церия наиболее устойчивым оксидом является CeO₂, а для самария - SmO.

2. Лантаноиды легко взаимодействуют с разбавленными кислотами:

2Ho + 6HCl = 2HoCl₃ + 3H₂ ­

Металлические свойства убывают от Се к Lu, соответственно ослабляются и основные свойства гидроксидов.

3. Большинство оксидов и солей лантаноидов окрашены в зеленый, розовый, голубой, желтый цвета. Оксиды - тугоплавкие вещества, взаимодействующие с водой с образованием плохо растворимых гидроксидов. CeO₂ и соответствующий ему гидроксид амфотерны. Соли церия можно получить по реакциям:

CeO₂ + 2H₂SO₄ = Ce(SO₄)₂ + 2H₂O

CeO₂ + 2NaOH = Na₂CeO₃ + H₂O

4. Сульфат церия легко гидролизуется:

Ce(SO₄)₂ + 2H₂O = CeO₂ + 2H₂SO₄

на этом свойстве основано отделение церия от других лантаноидов.

Применение лантаноидов. Используются в атомной и металлургической промышленности.

После актиния следует семейство из 14 f-элементов с порядковыми номерами от 90 до 103, которые носят название актиноиды (актиниды).

Как и у лантаноидов, в семействе актиноидов идет заполнение третьего снаружи уровня (5f), строение двух наружных уровней одинаково, что служит причиной близости химических свойств актинидов. Однако различие в энергии 5f- и 6d-подуровней настолько незначительно, что в образовании связей принимают участие и 5f-электроны. Поэтому степени окисления актинидов более разнообразны, чем у лантаноидов. В ряду торий-уран характерны степени окисления +4,+6. Начиная с нептуния происходит стабилизация 5f-подуровня и характерные степени окисления понижаются от +6 до +3. Берклий и все следующие за ним актиноиды имеют характерную степень окисления +3.

Все актиноиды радиоактивны. Величина периода полураспада изменяется в широких пределах от тысячных долей секунды до многих миллиардов лет. Большинство изотопов имеют период полураспада от 30 секунд до 10 дней.

Торий, протактиний и уран встречаются в природе, остальные получены искусственно в ядерных реакторах. Условно все актиноиды делятся на урановые (Th, Pa, U) и трансурановые (Np - Lr).

Химические свойства

1. Торий – металл серебристо-белого цвета, тугоплавкий, пластичный. Характерная степень окисления +4, очень активный. Легко взаимодействует с водой:

Th + 2H₂O = ThO₂ + 2H₂ ­

Оксид тория в воде не растворим, гидроксид получается косвенным путем:

Th + 4HCl = ThCl₄ + 2H₂­

ThCl₄ + 4NaOH = Th(OH)₄ + 4NaCl

Торий легко взаимодействует с галогенами, углеродом, серой, азотом, кислородом. Используется в качестве горючего в некоторых типах ядерных реакторов.

2. Протактиний встречается в природе вместе с ураном: 0,3г Pa на 1тонну U. В соединениях обычно проявляет степень окисления +5. Практического значения не имеет.

3. Природный уран состоит из трех изотопов (U²³⁴ – 0,006 %, U²³⁵ – 0,7 %, U²³⁸ – 99,28 %). Изотоп U²³⁵ обладает способностью к делению при захвате нейтрона с выделением огромного количества энергии (при делении 1 кг урана выделяется энергия, эквивалентная теплоте сгорания 30т высококачественного угля). Металлический уран можно получить металлотермическим способом из тетрафторида урана:

UF₄ + 2Ca = 2CaF₂ + U

Уран – твердый, серебристо-белый металл, теплый на ощупь (за счет радиоактивного распада изотопа U²³⁵). На воздухе медленно окисляется, если находится в виде компактного куска. Если уран хранится в виде порошка, окисление идет настолько интенсивно, что возможно самовозгорание.

а) Уран взаимодействует с галогенами, кислородом, азотом, водой:

U + 2Cl₂ = UCl₄; 3U + 4O₂ = U₃O₈

б) Хорошо реагирует с разбавленными кислотами, с концентрированной азотной кислотой - при нагревании:

U + 4HCl = UCl₄ + 2H₂ ­

U + 8HNO₃ = UO₂(NO₃)₂ + 6NO₂ + 4H₂O

Ион UO₂⁺² называется уранил. Желто-зеленая соль UO₂(NO₃)₂ хорошо растворима в воде.

в) При медленном окислении компактного металла образуется оксид состава UO.

При восстановлении U₃O₈ водородом, образуется основный оксид UO₂, хорошо взаимодействующий с соляной кислотой. Этому оксиду соответствует гидроксид U(OH)₄ – слабое основание, плохо растворимое в воде.

UO₃ – амфотерный оксид, получается при разложении нитрата уранила:

2UO₂(NO₃)₂ = 2UO₃ + 4NO₂ ­ + O₂­

UO₃ взаимодействует с кислотами и щелочами:

UO₃ + H₂SO₄ = UO₂SO₄ + H₂O

UO₃ + 2NaOH = Na₂UO₄ + H₂O

г) U₃O₈ – не оксид урана, а соль и правильно это соединение следует записывать в виде U(UO₄)₂ – уранат урана (IV). Его можно получить по реакции:

U(OH)₄ + 2H₂UO₄ = U(UO₄)₂ + 4H₂O

U(UO₄)₂ – вещество зеленого цвета, используемое для производства гекса- и тетрафторидов урана (UF₄ и UF₆), которые используются для разделения изотопов U²³⁵ и U²³⁸.

Из трансурановых элементов в значительных количествах получают только Np, Pu, Am, Cm (в ядерных реакторах). Остальные получаются в ничтожных количествах и не представляют практического интереса.

Практическое применение находят: U²³⁸ – пирофорная начинка снарядов и бомб, исходное горючее для производства Pu²³⁹ (ядерное оружие, топливо для некоторых типов ядерных энергетических установок). Am – для малогабаритных ядерных боеприпасов.

Дата добавления: 2014-12-16