Значение слова актиноиды. Актиноиды

Актиноиды - общее название 14 элементов седьмого периода периодической системы с порядковыми номерами 90-103.

Это торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий. Ни один из них не имеет стабильных изотопов, но если торий, протактиний и уран относятся к естественным радиоактивным элементам, то прочие актиноиды искусственно синтезированы посредством ядерных реакций (см. Трансурановые элементы). В переводе с греческого название «актиноиды» означает «подобные актинию»; оно дано по аналогии с названием «лантаноиды» для 14 элементов от церия до лютеция в шестом периоде таблицы Д. И. Менделеева (Z = 58-71).

Представление о семействе актиноидов ввел в 1944 г. американский ученый Г. Сиборг. В соответствии со своей актиноидной теорией он предположил, что в атомах элементов, начиная с тория, происходит построение 5Ьподоболочки так же, как у лантаноидов- заполнение 4/-подоболочки. Поэтому все 14 актиноидов стали помещать вместе с актинием в одну клетку периодической системы, а их совокупность располагать внизу, под рядом лантаноидов. Такое размещение актиноидов получило широкое распространение.

У элементов второй половины ряда актиноидов - эйнштейния, фермия, менделевия и нобелия неожиданно устойчивой оказалась степень окисления +2 (а у менделевия - даже + 1). Современные работы (главным образом, советских ученых) показали: при сравнении 5f- и ^-элементов достаточно отчетливое сходство обнаруживается между тяжелыми актиноидами и легкими лантаноидами; в то же время элементы первой половины семейства актиноидов имеют много общего в химическом поведении с переходными d-элементами предыдущих периодов менделеевской системы. Отсюда следует, что периодическое изменение свойств химических элементов седьмого периода характеризуется большим своеобразием. Это заставляет по-новому подходить к оценке явления периодичности в области элементов с высокими значениями Z.

Особенности химических свойств актиноидов объясняют двумя обстоятельствами. Во-первых, 5(- и 6й-электроны в атомах актиноидов (у элементов с Z = 90- 96) близки по величинам энергий связи, а потому легко могут использоваться при химических взамодействиях. Во-вторых, в области тяжелых элементов по мере роста Z заметно усложняется характер взаимодействия электронов в атомах, что сказывается на особенностях свойств соответствующих элементов.

Актиноиды - общее название 14 элементов седьмого периода периодической системы с порядковыми номерами 90–103. Это торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий. Ни один из них не имеет стабильных изотопов, но если торий, протактиний и уран относятся к естественным радиоактивным элементам, то прочие актиноиды искусственно синтезированы посредством ядерных реакций (см. Трансурановые элементы). В переводе с греческого название «актиноиды» означает «подобные актинию»; оно дано по аналогии с названием «лантаноиды» для 14 элементов от церия до лютеция в шестом периоде таблицы Д. И. Менделеева (Z = 58–71).

Ряд актиноидов

Представление о семействе актиноидов ввел в 1944 г. американский ученый Г. Сиборг. В соответствии со своей актиноидной теорией он предположил, что в атомах элементов, начиная с тория, происходит построение 5f-под оболочки так же, как у лантаноидов - заполнение 4f‑подоболочки. Поэтому все 14 актиноидов стали помещать вместе с актинием в одну клетку периодической системы, а их совокупность располагать внизу, под рядом лантаноидов. Такое размещение актиноидов получило широкое распространение.

Между тем в результате изучения химии трансурановых элементов выяснилось, что сходство актиноидов с лантаноидами во многом носит формальный характер. Как известно, для лантаноидов преобладает степень окисления +3, и в этом состоянии они проявляют исключительное сходство. Напротив, для актиноидов было установлено существование гораздо большего числа степеней окисления - от +1 до +7. Так, получены соединения нептуния, плутония и америция, где эти элементы проявляют степени окисления +6 и +7, а также соединения шестивалентного кюрия. У элементов второй половины ряда актиноидов - эйнштейния, фермия, менделевия и нобелия неожиданно устойчивой оказалась степень окисления +2 (а у менделевия - даже +1). Современные работы (главным образом, советских ученых) показали: при сравнении 5f‑ и 4f‑элементов достаточно отчетливое сходство обнаруживается между тяжелыми актиноидами и легкими лантаноидами; в то же время элементы первой половины семейства актиноидов имеют много общего в химическом поведении с переходными d-элементами предыдущих периодов менделеевской системы. Отсюда следует, что периодическое изменение свойств химических элементов седьмого периода характеризуется большим своеобразием. Это заставляет по‑новому подходить к оценке явления периодичности в области элементов с высокими значениями Z.

Особенности химических свойств актиноидов объясняют двумя обстоятельствами. Во‑первых, 5f‑ и 6d‑электроны в атомах актиноидов (у элементов с Z = 90–96) близки по величинам энергий связи, а потому легко могут использоваться при химических взамодействиях. Во‑вторых, в области тяжелых элементов по мере роста Z заметно усложняется характер взаимодействия электронов в атомах, что сказывается на особенностях свойств соответствующих элементов.

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 MeH 2 и MeH 3 . Характерная степень окисления для лантаноидов +3. Но имеются и отклонения. Так, для церия наиболее устойчивым оксидом является CeO 2 , а для самария - SmO.

2. Лантаноиды легко взаимодействуют с разбавленными кислотами:

2Ho + 6HCl = 2HoCl 3 + 3H 2

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. CeO 2 и соответствующий ему гидроксид амфотерны. Соли церия можно получить по реакциям:

CeO 2 + 2H 2 SO 4 = Ce(SO 4) 2 + 2H 2 O

CeO 2 + 2NaOH = Na 2 CeO 3 + H 2 O

4. Сульфат церия легко гидролизуется:

Ce(SO 4) 2 + 2H 2 O = CeO 2 + 2H 2 SO 4

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 + 2H 2 O = ThO 2 + 2H 2

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

Th + 4HCl = ThCl 4 + 2H 2

ThCl 4 + 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 (U 234 – 0,006 %, U 235 – 0,7 %, U 238 – 99,28 %). Изотоп U 235 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:

UF 4 + 2Ca = 2CaF 2 + U

Уран – твердый, серебристо-белый металл, теплый на ощупь (за счет радиоактивного распада изотопа U 235). 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 + 2Cl 2 = UCl 4 ; 3U + 4O 2 = U 3 O 8

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

U + 4HCl = UCl 4 + 2H 2

U + 8HNO 3 = UO 2 (NO 3) 2 + 6NO 2 + 4H 2 O

Ион UO 2 +2 называется уранил. Желто-зеленая соль UO 2 (NO 3) 2 хорошо растворима в воде.

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

При восстановлении U 3 O 8 водородом, образуется основный оксид UO 2 , хорошо взаимодействующий с соляной кислотой. Этому оксиду соответствует гидроксид U(OH) 4 – слабое основание, плохо растворимое в воде.

UO 3 – амфотерный оксид, получается при разложении нитрата уранила:

2UO 2 (NO 3) 2 = 2UO 3 + 4NO 2 + O 2

UO 3 взаимодействует с кислотами и щелочами:

UO 3 + H 2 SO 4 = UO 2 SO 4 + H 2 O

UO 3 + 2NaOH = Na 2 UO 4 + H 2 O

г) U 3 O 8 – не оксид урана, а соль и правильно это соединение следует записывать в виде U(UO 4) 2 – уранат урана (IV). Его можно получить по реакции:

U(OH) 4 + 2H 2 UO 4 = U(UO 4) 2 + 4H 2 O

U(UO 4) 2 – вещество зеленого цвета, используемое для производства гекса- и тетрафторидов урана (UF 4 и UF 6), которые используются для разделения изотопов U 235 и U 238 .

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: U 238 – пирофорная начинка снарядов и бомб, исходное горючее для производства Pu 239 (ядерное оружие, топливо для некоторых типов ядерных энергетических установок). Am – для малогабаритных ядерных боеприпасов.

АКТИНОИДЫ (актиниды), семейство из 14 радиоактивных химических элементов III группы короткой формы (3-й группы длинной формы) периодической системы, атомный номер 90-103, расположены за актинием: торий Th, протактиний Ра, уран U, нептуний Np, плутоний Рu, америций Аm, кюрий Cm, берклий Вк, калифорний Cf, эйнштейний Es, фермий Fm, менделевий Md, нобелий No и лоуренсий Lr. Стабильных изотопов не имеют. Th, Ра и U принадлежат к естественно-радиоактивным элементам, встречающимся в природе. Другие актиноиды получают облучением U и некоторых трансурановых элементов в ядерных реакторах нейтронами или на ускорителях ядрами других элементов. Следовые количества Np и Рu обнаружены в некоторых радиоактивных рудах. Гипотезу о существовании семейства актиноидов выдвинул в начале 1940-х годов Г. Сиборг.

Актиноиды - серебристо-белые металлы очень высокой плотности (до 20 250 кг/м 3 у Np); в мелкодисперсной форме пирофорны. Наиболее легкоплавки Np и Рu (t пл - около 640°С), остальные актиноиды плавятся при температурах выше 1000°С.

Химические свойства актиноидов и сходство их с лантаноидами связаны с особенностями строения электронных оболочек атомов этих семейств. У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение не внешних оболочек - шестой и седьмой, а более близких к ядру оболочек - 5f-оболочки у актиноидов и 4f-оболочки у лантаноидов. При переходе от Th к Lr число электронов на двух внешних оболочках, как правило, не изменяется, положительный заряд ядра постепенно возрастает; происходит более сильное притяжение внешних электронов к ядру, приводящее к так называемому актиноидному сжатию: у нейтральных атомов и ионов актиноиды одинаковой степени окисления при увеличении атомного номера радиусы несколько уменьшаются. Вследствие энергетической близости 6d- и 5f-состояний элементы подсемейства тория (Th - Cm) ведут себя и как f- и как d-элементы и проявляют переменные степени окисления, вплоть до +7 (Np, Pu, Ат); элементы подсемейства берклия (Bk - Lr) ведут себя как типичные f-элементы и по свойствам близки к лантаноидам (характерная степень окисления +3).

Актиноиды реакционноспособны, легко реагируют с водородом, кислородом, азотом, серой, галогенами и другими неметаллами. Актиноиды со степенью окисления +3 образуют те же нерастворимые соединения — гидроксиды, фториды, карбонаты, оксалаты и другие, что и лантаноиды со степенью окисления +3. Трифториды, трихлориды и другие аналогичные соединения актиноидов со степенью окисления +3 образуют изоструктурные ряды (соединения, входящие в такие ряды, например, в ряд МCl 3 , где М — атом актиноидов, обладают сходными кристаллическими решётками, параметры которых постепенно уменьшаются по мере роста атомного номера актиноида). Изоструктурные ряды образуют диоксиды, тетрафториды, гексафториды и другие соединения актиноидов.

Актиноиды обладают высокой склонностью к образованию комплексных соединений (координационные числа 4-12). В степенях окисления +4 и +6 актиноиды избирательно извлекаются из азотнокислых растворов различными органическими экстрагентами, в том числе трибутилфосфатом, что используется в технологии выделения актиноидов из облучённого ядерного топлива и руд.

В промышленных масштабах производятся и имеют важное практическое значение главным образом Th, U и Рu. Все актиноиды и их соединения высокотоксичны.

Лит.: Келлер К. Химия трансурановых элементов. М., 1976; Химия актиноидов: В 3 т. М., 1991-1999.