Актиноиды это металлы или неметаллы

Обновлено: 06.01.2025

Актиноиды

Актин о иды, актиниды, семейство из 14 химических элементов с атомными номерами Z 90 — 103, расположенных в 7 периоде системы Менделеева за актинием Ac и относящихся, как и актиний, к III группе системы. К актиноидам принадлежат: торий Th (Z=90), протактиний Pa(91), уран U (92), нептуний Np(93), плутоний Pu (94), америций Am (95), кюрий Cm(96), берклий Bk (97), калифорний Cf (98), эйнштейний Es (99), фермий Fm (100), менделевий Md (101), элемент № 102, не имеющий пока общепринятого названия, и лоуренсий Lr (103). Все актиноиды радиоактивны, т. е. не имеют стабильных изотопов. Th, Pa и U принадлежат к естественно-радиоактивным элементам, встречающимся в природе, и открытым ранее др. актиноидам. Остальные актиноиды, часто называемые трансурановыми элементами, получены в 1940—63 искусственным путём при помощи ядерных реакций. Из них только Np и Pu обнаружены в ничтожно малых количествах в некоторых радиоактивных рудах, более «тяжёлые» актиноиды (т. е. актиноиды с большими атомными номерами) в природе не найдены. Огромная заслуга в изучении актиноидов принадлежит американскому химику Г. Т. Сиборгу, который выдвинул гипотезу о существовании группы актиноидов (1942) и под руководством или при участии которого было впервые синтезировано девять актиноидов. Выделение актиноидов в специальное семейство связано со схожестью химических свойств этих элементов между собой и с актинием, что объясняется сходным строением наружных электронных оболочек их атомов (см. ниже).

Название "актиноиды" (от актиний и греч. é idos — вид) означает — подобные актинию. Оно дано актиноидам по аналогии с лантаноидами — семейством из 14 элементов, также относящихся к III группе системы Менделеева и следующих в 6-м периоде за лантаном. Свойства элементов обоих семейств во многом сходны друг с другом.

Близость химических свойств актиноидов между собой и их сходство с лантаноидами связаны с особенностями строения электронных оболочек атомов этих семейств. Как известно, атом состоит из ядра и электронных оболочек, число которых равно номеру периода элемента в таблице Менделеева (у актиноидов электронных оболочек 7). Отличие актиноидов (и соответственно лантаноидов) от др. элементов состоит в том, что при переходе от первого актиноида — Th (Z = 90) ко второму — Pa (Z = 91) и т. д. вплоть до последнего актиноида — Lr (Z = 103), каждый новый электрон, появляющийся в атомах параллельно с увеличением атомного номера (Z), попадает не на внешние оболочки (6-ю и 7-ю от ядра), как это бывает обычно, а заполняет более близкую к ядру 5-ю оболочку. У лантаноидов (число оболочек 6) также заполняется электронами более близкая к ядру 4-я оболочка (а не наружные — 5-я и 6-я). Таким образом, у элементов обоих семейств происходит заполнение 3-й снаружи электронной оболочки, а строение 2 наружных оболочек оказывается сходным. Число электронов на этих наружных оболочках у актиноидов и лантаноидов, как правило, не отличается более чем на 1, причём почти во всех случаях представители каждого из семейств, равноудалённые соответственно от лантана и актиния, содержат на 2 наружных оболочках строго одинаковое число электронов. (Здесь изложен лишь принцип заполнения электронных оболочек у атомов обоих семейств; во многих случаях, особенно у актиноидов, порядок заполнения сложнее. См. Атом и Периодическая система элементов Д. И. Менделеева). Электронные конфигурации атомов актиноидов даны в таблице.

То обстоятельство, что при переходе от Th к Lr число электронов на 2 внешних оболочках, как правило, не изменяется, а положительный заряд ядра постепенно возрастает, вызывает более сильное притяжение внешних электронов к ядру и приводит к т. н. актиноидному сжатию: у нейтральных атомов и ионов актиноидов одинаковой валентности при увеличении атомного номера радиусы не увеличиваются, как это обычно бывает, а даже несколько уменьшаются (например, радиус U 3+ равен 1,03, Np 3+ — 1,01, Pu 3+ — 1,00, Am 3+ — 0,99 и т. д.).

Химические свойства элемента зависят в основном от числа электронов на наружных слоях и размера атомных и ионных радиусов, поэтому не удивительно, что во-первых, свойства актиноидов близки между собой, и, во-вторых, химическое поведение актиноидов и лантаноидов обладает большим сходством. Это сходство особенно заметно тогда, когда элементы находятся в одинаковом валентном состоянии. Так, 3-валентные актиноиды образуют те же нерастворимые соединения (гидроокиси, фториды, карбонаты, оксалаты и др.), что и 3-валентные лантаноиды; трифториды, трихлориды и другие аналогичные соединения 3-валентных актиноидов образуют изоструктурные ряды [другими словами, соединения, входящие в такие ряды, например в ряд MeCl₃, где Me — атом актиноида, обладают сходными кристаллическими решётками, параметры которых постепенно уменьшаются по мере роста атомного номера (Z) атома актиноида]. Такие же изоструктурные ряды образуют двуокиси, тетрафториды, гексафториды и другие соединения актиноидов. По склонности к гидролизу соединения 5-валентных актиноидов, например пентахлориды, очень близки между собой. В растворах 6-валентные актиноиды существуют в виде МеО₂ 2+ -ионов и т. д. Приведённые примеры далеко не исчерпывают всех случаев сходства актиноидов, но и на них можно убедиться в его наличии.

Однако, кроме общих черт, между актиноидами и лантаноидами имеется и существенная разница. Так, актиноиды часто образуют соединения в состояниях окисления, значительно более высоких, чем +3, что не характерно для лантаноидов. В своих соединениях актиноиды проявляют следующие валентности (наиболее типичная выделена жирным шрифтом): Th (3, 4), Pa (3, 4,5), U (3, 4, 5, 6), Np (3, 4, 5, 6, 7), Pu (3,4,5, 6, 7), Am (3, 4, 5, 6), Cm (3, 4), Bk (3,4), Cf (2, 3), Es (3), Fm (3), Md (2, 3), № 102 (2, 3). Таким образом, валентность 3 характерна для актиноидов только после Am. Первые члены семейства актиноидов (Th, Pa и U) в своих соединениях чаще бывают соответственно 4-, 5- и 6-валентными. Актиноиды в большей степени, чем лантаноиды, склонны к комплексообразованию. Указанные особенности актиноидов объясняются тем, что «вновь пришедшие» на 5-ю от ядра оболочку электроны (т. н. 5f-электроны или электроны 5f-подуровня) по энергии связи с ядром очень близки к электронам 6-й оболочки (т. н. 6d-электронам или электронам 6d-подуровня); эти 6d-электроны и могут проявлять себя как дополнительные валентные (см. табл.). У лантаноидов же «вновь пришедшие» 4f-электроны всегда связаны с ядром значительно прочнее, чем 5d-электроны. Близость энергии связи с ядром 5f- и 6d-электронов у Th, Pa и U приводит к тому, что f-электроны 5-й оболочки также могут проявлять себя как валентные. Валентность 3 оказывается для этих элементов не характерной, и по многим своим признакам они похожи на элементы не III, а, соответственно, IV, V и VI групп периодической системы (и долгое время в эти группы и помещались). В 1930-х и в начале 1940-х гг. считалось, что и следующие за U элементы Np и Pu также должны относиться соответственно к VII и VIII группам периодической системы, или, вследствие обнаруженных у Np и Pu черт сходства с U, их следует разместить вместе с U в VI группе. Однако анализ закономерностей изменения химических свойств элементов 7-го периода, особенно после открытия следующих за Pu актиноидов, а также найденное экспериментально сходство кристаллографических, спектроскопических и магнитных характеристик соединений элементов, следующих за актинием, с соответствующими характеристиками лантаноидов, навели Сиборга на мысль, что трансурановые элементы должны рассматриваться как аналоги актиния, в результате чего и была выдвинута гипотеза о существовании семейства актиноидов. Актиноидная гипотеза в значительной мере способствовала успехам открытия Am, Cm и последующих актиноидов, т. к. из неё следовало, что наиболее характерная валентность этих элементов должна быть равна 3, а не 4 и 6, как первоначально предполагали, и, следовательно, в этом валентном состоянии их и надо искать.

Актиноиды

Без рубрики

В отличие от лантанидов, все 5f-элементы радиоактивны, т. е. не имеют стабильных изотопов. И если для тория и урана существуют изотопы, период полураспада которых измеряется миллиардами лет, то время жизни трансурановых, т. е. следующих за ураном, элементов, как правило, уменьшается с увеличением порядкового номера. Очевидно, что если элемент живет лишь доли секунды, это создаёт значительные трудности в изучении его химических свойств.

Из всего семейства актиноидов в природе в заметном количестве встречаются лишь торий и уран, находящиеся в начале ряда. Остальные элементы являются искусственными, синтезированными человеком. Одни из трансурановых элементов выделены в количествах сотен тонн (Pu), для других массы исчисляются граммами или даже микрограммами, а некоторые получены лишь в количестве нескольких атомов.

Урановая руда

Оксид урана U₃О₈, выделенный в 1789 г. немецким химиком Мартином Клапротом из урановой смоляной руды (урановой смолки), долгое время считали простым веществом. Ему присвоили имя планеты, открытой за восемь лет до этого.

Металлический уран впервые удалось получить в 1841 г. французскому ученому Эжену Пелиго (1811—1890) восстановлением тетрахлорида урана калием: UCl₄ + 4К = U + 4KCl. Аналогичным образом Берцелиусом в 1828 г. был получен торий, названный в честь Тора — бога-громовержца в скандинавской мифологии.

Свойства актиноидов

Уран

Актиноиды — тугоплавкие металлы серебристого цвета. Как и 4f-элементы, они обладают высокой химической активностью. Однако, по сравнению с лантаноидами, между отдельными представителями семейства актиноидов различий больше: у каждого из них свои особенности. Из всех представителей семейства наибольшее практическое значение имеет уран. Одно время, на заре ядерных исследований, век называли даже веком урана.

По внешнему виду уран напоминает сталь: легко поддаётся ковке, полировке, прокатке, тугоплавок (t_пл = 1 130 о С). Уран — плохой проводник тепла и электричества: его теплопроводность в 13 раз меньше теплопроводности меди.

Металлический уран легко растворяется в азотной кислоте с образованием желтого раствора нитрата уранила (нитрата диоксоурана)UO₂(NO₃)₂, в котором уран находится в высшей степени окисления +6. Данное вещество может быть получено также при растворении в кислоте оксида урана(VI).

Светло-желтый гидроксид уранила UO₂(OH)₂ называемый иногда урановой кислотой, проявляет свойства амфотерного соединения. При растворении его в кислотах образуются соли уранила: UO₂(OH)₂+ 2HCl = UO₂Cl₂ + 2Н₂О, а при действии щелочей получаются уранаты — соли урановой кислоты:

Производство урана

Торий

Уран принадлежит к числу редких элементов. Однако в земной коре его 2 10 -4 %, т. е. больше, чем кадмия, серебра, ртути и висмута. Известно около 200 минералов урана, большинство из них — оксиды переменного состава или сложные уранаты (например, карнотит K₂О 2UО₃ • V₂О₅ • 3Н₂О, названный в честь французского горного инженера М. Карно). Небольшое количество урана содержится также во фторапатите Ca₅(PO₄)₃(OH,F), монаците, некоторых глинах и сортах гранита. Простейший минерал — уранинит UO_2+X. Это диоксид урана, подвергшийся частичному окислению кислородом воздуха либо кислородом, выделившимся в результате перестройки структуры оксида UО₂ при радиоактивном превращении урана в свинец при этом образуется оксид РbО, а избыточный кислород, выделяющийся в свободном виде, окисляет уран. Урановая руда считается богатой, если содержит от 0,5 до 1 % урана. На заводах по переработке урановых руд уранинит обогащают, а затем отделяют уран от примесей и выделяют в виде оксида UО₂.

Для получения металлического урана диоксид переводят в тетрафторид: UО₂ + 4HF = UF₄ + 2Н₂О и потом восстанавливают металлотермически: UF₄ + 2Mg = U + 2MgF₂. Возникает вопрос: зачем надо превращать оксид во фторид, если уран можно получать и напрямую из оксида, восстанавливая его кальцием или магнием? Восстановление из фторида предпочтительнее, потому что только в этом случае выделяющегося в ходе реакции тепла достаточно для расплавления и металла, и шлака. Когда расплав охлаждают, образуется слиток урана. А при восстановлении оксида уран получается в виде порошка, который трудно отделить от шлака.

Нитрат уранила

Ядерное топливо

Природный уран представляет собой смесь трех изотопов: 235 U (0,72 %), 238 U (99,274 %) и 234 U (0,006 %). Для нужд ядерной техники часто необходим уран, обогащенный изотопом 235 U. Это ставит перед исследователями нелегкую задачу разделения изотопов. В промышленности наибольшее распространение приобрёл газодиффузионный метод, основанный на неодинаковой скорости диффузии (проникновения) частиц с различной массой через пористую перегородку – мембрану. Для выделения изотопа 235 U весь металл переводят во фторид UF₆ – легколетучее кристаллическое вещество. Процесс разделения повторяют многократно с помощью специального каскада с большим числом ячеек, содержащих пористые перегородки. Для обогащения урана изотопом 235 от исходного его содержания в природной смеси до 95% требуется каскад в 5 тыс. ступеней.

Изотопы 235 U и 238 U обладают одинаковыми химическими, но различными ядерными свойствами. Так, ядра урана-235 при бомбардировке их медленными (тепловыми) нейтронами делятся на части, высвобождая колоссальное количество энергии. Продуктами деления обычно являются ядра элементов середины периодической системы, например, бария, криптона, олова, лантаноидов. При превышении критической массы процесс деления приобретает характер разветвлённой цепной реакции, которая приводит к ядерному взрыву.

Изотоп 238 U не способен делиться под действием пучка нейтронов. Его ядра, захватывая быстрые нейтроны, превращаются в ядра урана-239, который в свою очередь превращается последовательно в нептуний-239 и плутоний-239.

Плутоний

Изотоп 239 Рu, образующийся в ядерных реакторах, тоже используется в качестве ядерного топлива: его ядра способны к делению под действием нейтронов с выделением энергии аналогично урану-235. Плутоний возникает из урана-238 прямо в реакторе и тут же вовлекается в процесс деления.

Изотоп 239 Рu, как и 235 U, используют и при изготовлении ядерного оружия. Для 235 U критическая масса составляет около 0,8 кг, для 239 Рu — 0,5 кг. В момент ядерного взрыва в атомной бомбе специальным образом соединяются два куска ядерного топлива, масса каждого из которых немного меньше критической. Уран — один из самых тяжелых металлов (его плотность 19 г/см 3 , что почти вдвое превышает плотность свинца), поэтому урановый шар с массой равной критической имел бы радиус всего 2,2 см.

От урана до лоуренсия

Путем бомбардировки урана-238 нейтронами или ядрами легких атомов в 40—50-х гг. ХХ в. удалось синтезировать многие трансурановые элементы.

Большая заслуга в этом принадлежит профессорам Калифорнийского университета Гленну Теодору Сиборгу (1912—1999) и Эдвину Маттисону Макмиллану (1907— 1991), удостоенным в 1951 г. Нобелевской премии по химии.

Первые трансурановые элементы — нептуний (Np, в честь планеты Нептун) и плутоний (Рu, в честь планеты Плутон) образуются при β-распаде ядер урана. Для синтеза следующего элемента (№ 95) потребовалось использование мощных потоков нейтронов, которыми бомбардировали ядра нуклида 239 Рu. Этот элемент получил название «америций» (Аm).

Гленн Теодор Сиборг

Некоторые элементы, например эйнштейний и фермий, были впервые выделены в 1952 г. из продуктов термоядерного взрыва. В 1955 г. при облучении одного из изотопов эйнштейния ядрами гелия (α-частицами) был получен элемент с порядковым номером 101, который по предложению Сиборга назвали в честь Д И. Менделеева.

С 60-х гг. параллельные исследования по синтезу трансурановых элементов проводили советские ученые под руководством академика Георгия Николаевича Флёрова в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна). Они, в частности, разработали метод определения химических свойств элементов, образующихся в количестве нескольких атомов.

До исследований Сиборга и его коллег периодическая система завершалась ураном. В ней отсутствовало специальное семейство актиноидов, а уран относили к подгруппе хрома.Таким образом, периодическая система приобрела современный вид сравнительно недавно – около полувека назад.

Неметаллы

Общая характеристика неметаллов

Неметаллы в периодической системе расположены справа от диагонали «бор – астат». Это элементы главных подгрупп III, IV, V, VI, VII, VIII групп. К неметаллам относятся: бор, углерод, кремний, азот, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур, водород, фтор, хлор, бром, йод, астат, а также благородные газы: гелий, неон, криптон, ксенон, радон.

Среди неметаллов два элемента – водород и гелий – относятся к s-семейству, все остальные принадлежат к р-семейству.

На внешнем электронном слое у атомов неметаллов находится различное число электронов: у атома водорода – один электрон (1s 1 ), у атомов гелия – два электрона (1s 2 ), у атома бора – три электрона (2s 2 2p 1 ). Однако атомы большинства неметаллов, в отличие от атомов металлов, на внешнем электронном слое имеют большое число электронов – от 4 до 8; их электронные конфигурации изменяются от ns 2 np 2 у атомов элементов главной подгруппы IV группы до ns 2 np 6 у атомов инертных газов.

Физические свойства

Элементы – неметаллы образуют простые вещества, которые при обычных условиях существуют в разных агрегатных состояниях:

Газы: гелий, неон, криптон, ксенон, радон, водород, кислород, азот, фтор, хлор.

Жидкость: бром

Твердые вещества: йод, углерод, кремний, фосфор, и др.

7 элементов-неметаллов образуют простые вещества, существующие в виде двухатомных молекул Э₂ (H₂, O₂, N₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂).

Бром

Кристаллические решетки металлов и твердых веществ-неметаллов отличаются между собой. Атомы металлов образуют плотно упакованную кристаллическую структуру, в которой между атомами существуют ковалентные связи. В кристаллической решетке неметаллов, как правило, нет свободных электронов. В связи с этим твердые вещества-неметаллы в отличие от металлов плохо проводят тепло и электрический ток, не обладают пластичностью.

Химические свойства

Неметаллы как окислители

Окислительные свойства неметаллов проявляются в первую очередь при их взаимодействии с металлами. Например:

Все неметаллы играют роль окислителя при взаимодействии с водородом. Например:

Любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми неметаллами, которые имеют более низкую ЭО. Например:

В этой реакции сера – окислитель, а фосфор – восстановитель, так как ЭО фосфора меньше ЭО серы.

Окислительные свойства неметаллов проявляются в реакциях с некоторыми сложными веществами. Здесь важно особо отметить окислительные свойства неметалла – кислорода в реакциях окисления сложных веществ:

Не только кислород, но и другие неметаллы (фтор, хлор, бром и другие) также могут играть роль окислителя в реакциях со сложными веществами. Например, сильный окислитель Cl₂ окисляет хлорид железа (II) в хлорид железа (III):

На разной окислительной активности основана способность одних неметаллов вытеснять другие из растворов их солей. Например, бром, как более сильный окислитель, вытесняет йод в свободном виде из раствора йодида калия:

Неметаллы как восстановители

Стоит отметить, что неметаллы (кроме фтора) могут проявлять и восстановительные свойства. При этом электроны атомов неметаллов смещаются к атомам элементов- окислителей. В образующихся соединениях атомы неметаллов имеют положительные степени окисления. Высшая положительная степень окисления неметалла обычно равна номеру группы.

Все неметаллы выступают в роли восстановителей при взаимодействии с кислородом, так как ЭО кислорода больше ЭО всех других неметаллов (кроме фтора):

— взаимодействие с кислотами-окислителями:

— взаимодействие с солями-окислителями:

Наиболее сильные восстановительные свойства имеют неметаллы углерод и водород:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

Таким образом, практически все неметаллы могут выступать как в роли окислителей, так и в роли восстановителей. Это зависит от того, с каким веществом взаимодействует неметалл.

Реакции самоокисления – самовосстановления

Существуют и такие реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем, и восстановителем. Это реакции самоокисления – самовосстановления (диспропорционирования). Например:

Металлы

Общая характеристика металлов

Как известно, все химические элементы и образуемые ими простые вещества делятся на металлы и неметаллы.

Так как в периодах и группах периодической системы Д.И.Менделеева существуют закономерности в изменении металлических и неметаллических свойств элементов, можно достаточно определенно указать положение элементов-металлов и элементов-неметаллов в периодической системе. Если провести диагональ от бора к астату, то слева от этой диагонали в периодической системе все элементы являются металлами, а справа от нее элементы побочных подгрупп являются металлами, а элементы главных подгрупп – неметаллами. Элементы, расположенные вблизи диагонали (например, Al, Ti, Ga, Ge, Sb, Te, As, Nb), обладают двойственными свойствами: в некоторых своих соединениях ведут себя как металлы, а в некоторых – проявляют свойства неметаллов.

Все s-элементы (кроме Н и Не), d-элементы (все элементы побочных подгрупп) и f-элементы (лантаноиды и актиноиды) являются металлами. Среди р-элементов есть и металлы, и неметаллы, число элементов-металлов увеличивается с увеличением номера периода.

Самородки золота

Атомы большинства металлов на внешнем электронном слое имеют от 1 до 3 электронов. Исключение: атомы германия, олова, свинца на внешнем электронном слое имеют четыре электрона, атомы сурьмы, висмута – пять, атомы полония – шесть. Атомы металлов имеют меньший заряд ядра и больший радиус по сравнению с атомами неметаллов данного периода. Поэтому прочность связи внешних электронов с ядром в атомах металлов небольшая. Атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.

Простые вещества, которые образуют элементы-металлы, при обычных условиях являются твердыми кристаллическими веществами (кроме ртути). Кристаллическая решетка металлов образуется за счет металлической связи. Имеющиеся между узлами кристаллической решетки свободные электроны могут переносить теплоту и электрический ток, что является причиной главных физических свойств металлов – высокой электро- и теплопроводности.

Физические свойства металлов

Все металлы – твердые вещества (кроме ртути).
Для всех металлов характерны металлический блеск и непрозрачность.
Все металлы – проводники теплоты и электрического тока. Металлы, характеризующиеся высокой электрической проводимостью, обладают и высокой теплопроводностью.
Важными свойствами металлов являются их пластичность, упругость, прочность. Они способны под давлением изменять свою форму, не разрушаясь.

По степени твердости металлы значительно отличаются друг от друга. Так, калий, натрий – мягкие металлы (их можно резать ножом); хром – самый твердый металл (царапает стекло).

Температуры плавления и плотности металлов также изменяются в широких пределах. Самый легкоплавкий металл – ртуть (t_пл.= — 39 ̊ С), самый тугоплавкий – вольфрам (t_пл.= 3380 ̊ С). Плотность лития – 0,59 г/см 3 , осмия – 22,48 г/см 3 .

Металлы отличаются своим отношением к магнитным полям и делятся на три группы:

— ферромагнитные металлы способны намагничиваться под действием слабых магнитных полей (железо, кобальт, никель, гадолиний);

— парамагнитные металлы проявляют слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром, титан, почти все лантаноиды);

— диамагнитные металлы не притягиваются к магниту, даже слегка отталкиваются от него (олово, медь, висмут).

Химические свойства металлов

Атомы металлов не могут присоединять электроны. Поэтому они во всех химических реакциях являются восстановителями и в соединениях имеют только положительные степени окисления. Восстановительная активность различных металлов неодинакова. В периодах слева направо восстановительная активность металлов уменьшается; в главных подгруппах сверху вниз – увеличивается.

Взаимодействие с простыми веществами – неметаллами:

а) с галогенами металлы образуют соли – галогениды, например:

б) с кислородом металлы образуют оксиды, например:

Горение железа в кислороде

в) с серой металлы образуют соли – сульфиды, например:

г) с водородом самые активные металлы образуют гидриды, например:

д) с углеродом многие металлы образуют карбиды, например:

Взаимодействие со сложными веществами:

а) металлы, находящиеся в начале ряда напряжений (от Li до Na), при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют щелочи, например:

б) металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода, взаимодействуют с разбавленными кислотами (HCl, H₂SO₄ и др.), в результате чего образуются соли и выделяется водород, например:

в) металлы взаимодействуют с растворами солей менее активных металлов, в результате чего образуется соль более активного металла, а менее активный металл выделяется в свободном виде, например:

Общие способы получения металлов

Большинство металлов встречаются в природе в виде различных соединений (оксиды, сульфиды, сульфаты, хлориды, карбонаты и др.). Только наименее активные металлы встречаются в природе в свободном виде (самородные металлы) – золото, серебро, платина и др.

Получение металлов из их соединений – это задача металлургии.

Любой металлургический процесс является процессом восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей, в результате которого получаются металлы в свободном виде.

В зависимости от способа проведения металлургического процесса различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

Пирометаллургия – это получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей: углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов (алюминия, магния) и др.

Гидрометаллургия – это получение металлов, которое состоит из двух процессов: 1) природное соединение металла (обычно оксид) растворяется в кислоте, в результате чего получается раствор соли металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняется более активным металлом.

Электрометаллургия – это получение металлов при электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя в данном процессе играет электрический ток.

Сплавы

Металлы в чистом виде применяют реже, чем их сплавы. Это объясняется тем, что сплавы часто обладают более высокими техническими свойствами, чем чистые металлы. Изготовление сплавов основано на свойстве металлов в расплавленном состоянии взаимно растворяться и смешиваться друг с другом.

По своему составу и строению сплавы бывают различными. Важнейшими из них являются:

Механическая смесь металлов. Охлажденный расплав представляет собой смесь очень мелких кристаллов отдельных металлов (например, Pb + Sb)
Твердые растворы. При охлаждении расплава образуются однородные кристаллы. В узлах их кристаллических решеток находятся атомы различных металлов (например, Cu + Ni).
Интерметаллические соединения. При взаимном растворении металлов их атомы реагируют между собой, образуя химические соединения. В таких соединениях металлы чаще всего не проявляют валентность, характерную для них в соединениях с неметаллами (например, Cu₃Zn, Zn₃Mg, Ag₂Zn₅).

В состав сплавов могут входить и неметаллы (углерод, бор и др.)

Бронза

Способность металлов в расплавленном виде не только механически смешиваться, но и образовывать между собой (и атомами неметаллов) различные соединения – одна из главных причин, объясняющая, почему сплавы по физическим свойствам сильно отличаются от свойств составляющих их металлов. Сплав полученный из монокарбида вольфрама и кобальта – «победит» — по твердости сравним с алмазом. В настоящее время в технике применяют большое число различных сплавов, обладающих заранее заданными свойствами. Для их получения используют более 40 химических элементов в разнообразных сочетаниях и количественных соотношениях.

Некоторые широко используемые сплавы

Сталь – сплав железа и углерода, добавки: Mn, Cr, Ni, Si, P, S.

Бронза – сплав меди с оловом, добавки: Zn, Pb, Al, Mn, P, Si.

Латунь – сплав меди с цинком, добавки: Sn, Mn, Al, Pb, Si.

Мельхиор – сплав меди с никелем.

Дюралюминий – сплав алюминия с медью (3-5%), марганцем (1%), магнием (1%).

АКТИНОИДЫ

АКТИНОИДЫ (актиниды), семейство из 14 радиоактивных элементов III гр. 7-го периода периодич. системы (ат. н. 90-103), следующих за актинием: торий Th, протактиний Ра, уран U, нептуний Np, плутоний Ри, америций Am, кюрии Cm, берклий Bk, калифорний Cf, эйнштейний Es, фермий Fm, менделевий Md, нобелий No и лоуренсий Lr (для последних двух элементов название не общепринято). Актиноиды объединяются, подобно лантаноидам, в особую группу благодаря сходству конфигураций внеш. электронных оболочек их атомов (см. табл.), чем обусловлена близость мн. хим. св-в. Гипотеза о существовании в 7-м периоде семейства актиноидов была выдвинута Г. Сиборгом в начале 1940-х гг.

При последоват. переходе от Ас к Lr новые электроны заполняют, как и у лантаноидов, места не на внеш. оболочках-шестой и седьмой, а более близкую к ядру оболочку 5f Вследствие этого строение двух внеш. оболочек оказывается одинаковым. У первых актиноидов (до Am) энергии связи 5f-и 6d-электронов с ядром атома мало различаются, причем иногда энергия связи 5f-электронов больше энергии связи 6d-электронов. Поэтому у атомов и ионов элементов, непосредственно следующих за Ас, могут заполняться 5f-и(или) 6Л-оболочки.

Степени окисления актиноидов чрезвычайно разнообразны; первые члены семейства, в отличие от лантаноидов, имеют неск. степеней окисления. Так, Th, Ра и U образуют Наиб. устойчивые соед. в степенях окисления соотв. + 4, + 5 и + 6. Начиная с Am Наиб. устойчива степень окисления 4- 3; Cm и Bk в водных р-рах, кроме степени окисления + 3, могут иметь относительно устойчивую степень окисления + 4, a Cf, Es, Fm, Md и No-также + 2.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИНОИДОВ И АКТИНИЯ

Родственные соед. актиноидов и самого Ас часто изоструктурны, причем с ростом атомного номера параметры кристаллич. решеток монотонно уменьшаются. По мере увеличения заряда ядра снижаются значения ионных радиусов, т.е. наблюдается "актиноидное сжатие" (аналогичное "лантаноид-ному сжатию"), обусловленное последоват. заполнением электронами 5f-оболочки (для лантаноидов-4f-оболочки). Разница в энергиях ионизации отд. актиноидов невелика, что также является одной из причин близости их хим. св-в.

Из актиноидов в природе распространены только U и Th; в малых кол-вах встречаются изотопы Ра-дочерние продукты распада U и Th, а также следовые кол-ва Np и Рu, образующиеся при ядерных р-циях изотопов U с нейтронами спонтанного деления. Периоды полураспада даже Наиб. устойчивых нуклидов других актиноидов столь коротки, что в земной коре они отсутствуют.

Актиноиды-серебристо-белые металлы, темнеющие на воздухе; в мелкораздробленном состоянии пирофорны. Реакцион-носпособны. Плотность большинства актиноидов близка к 20 г/см 3 . Наиб. легкоплавки Np и Ри (т. пл. ок. 640 °С), остальные плавятся выше 1000°С. Т-ры кипения актиноидов превышают 3000°С.

Актиноиды легко реагируют с Н₂, О₂, N₂, S, галогенами и др. неметаллами. По хим. поведению Наиб. близки между собой U, Np, Ри и Am. Элементы Bk, Fm, Md, No и Lr по хим. св-вам подобны лантаноидам. Актиноиды склонны к образованию комплексных соед. (особенно с кислородсодержащими лигандами), при этом, как и в случае лантаноидов, для них характерны высокие координационные числа, вплоть до 12.

Важное практич. значение в связи с проблемами переработки облученного ядерного топлива и разделения актиноидов имеет химия водных р-ров актиноидов. В кислых водных р-рах существуют 4 вида катионов - М 3+ , М 4+ , MO + ₂ и МО₂ 2+ . Для Np открыт и пятый тип, вероятно, NpO + ₃. Ионы типа МO + ₂ и МО₂ 2+ обладают весьма прочной связью М—О. Энергии Гиббса образования ионов актиноидов в разных степенях окисления близки между собой, поэтому в р-ре могут одновременно присутствовать разл. ионы (как в случае Pu - в степенях окисления от +3 до +6, а в щелочных р-рах и + 7). Легкость перехода актиноидов из одной степени окисления в другие при окислит.-восстановит. р-циях используют для их разделения. Для соед. актиноидов в водных р-рах характерны гидролиз, полимеризация, комплексообразование, диспропорционирование, а также р-ции, вызываемые интенсивным самооблучением.

Все актиноиды, кроме Th, Pa и U, получают искусственно - облучением U и др. элементов нейтронами. Так, Np и Ри выделяют из отработанного ядерного топлива (они образуются при захвате ядрами 238 U нейтронов, возникающих при делении 235 U). Изотопы элементов, следующих за Ри, получают при последоват. захвате нейтронов ядрами 239 Рu в ядерных реакторах, элементы с ат. н. 100-103-бомбардировкой Pu, Am и Cm ядрами В, С или N, ускоренными на циклотроне. Выделение и очистка актиноидов-сложный многостадийный процесс, осуществляемый преим. с использованием методов ионного обмена и экстракции.

Наиб, практич. значение имеют U, Pu, Th и Np. Нуклиды 235 U и Pu-топливо в ядерной энергетике, источники энергии в ядерном оружии; 238 Рu и 244 Сm используют в произ-ве ядерных источников электрич. тока в бортовых космич. системах. Торий - перспективное ядерное топливо в уран-ториевых реакторах; Np применяют при произ-ве 238рu Нек-рые нуклиды актиноидов используют в медицине, дефектоскопии, активац. анализе и др.

Все актиноиды и их соед. чрезвычайно токсичны, что обусловлено их радиоактивностью.

===
Исп. литература для статьи «АКТИНОИДЫ» : Вдовенко В. М., Современная радиохимия, М., 1969; Москвин А. И., Координационная химия актиноидов, М.. 1975; Лантаиоилы и актиноиды, под ред. К. У. Бэгналла, пер. с англ., М., 1977; Борин Л.Л., Карелин А.И., Термодинамика окислительно-восстановительных процессов в технологии актиноидов, М., I977; Симакин Г. А. [и др.], "Радиохимия", I977, т. 19, в. 4, с. 560-64; Лебедев И. А., Мясоедов Б. Ф., там же, 1982, т. 24, в. 6, с. 700-28. Б. В. Громов.

Читайте также: