Особенности лантаноидов и актиноидов

Закономерное изменение и близость свойств элементов в группах периодической системы — следствие одинакового или близкого строения валентных электронных оболочек атомов. В основе близости свойств переходных /-металлов также лежит сходство их валентных оболочек.

Причина сходства лантаноидов и актиноидов состоит в том, что при увеличении зарядов ядер у этих металлов застраиваются внутренние, невалентные 4/- и 5/-подуровни, а валентные s- и J-подуровни остаются одинаково или почти одинаково заселенными электронами. (См. электронные формулы /-элементов в короткопериодном варианте периодической таблицы на втором форзаце.).

В отличие от 5-, р- и^{-элементов} лантаноиды и актиноиды составляют семейства, расположенные горизонтально в нижней части периодической системы.

Лантаноиды. Это серебристо-белые, пластичные металлы, близкие по большинству физических свойств к щелочноземельным металлам. С ростом атомного номера металлические и ионные радиусы лантаноидов в заметной мере уменьшаются. Это явление называется лантаноидным сжатием. Оно является причиной значительного роста плотности лантаноидов: от 6,19 у лантана La до 9,87 у лютеция Lu.

Подобно щелочноземельным металлам, лантан и лантаноиды — электроотрицательные металлы, сильные восстановители. На воздухе они покрываются оксидной пленкой, с водой и кислотами взаимодействуют с выделением водорода и образованием соединений с характерной для них устойчивой степенью окисления +3. Именно катионы М³⁺ образуют большинство их соединений, в которых лантаноиды проявляют значительную ионность связей. Их фториды MF₃, оксиды М₂0₃ и сульфиды M₂S₃ — солеподобные, нерастворимые в воде тугоплавкие вещества. Их гидроксиды М (ОН)₃ являются довольно сильными основаниями. Катионы М³⁺ в водных растворах сильно гидратированы. С анионами одноосновных и серной кислот катионы М³⁺ образуют растворимые в воде соли типа СеС1з*6Н₂0, Се (Ы0₃)з*6Н₂0, Ce₂(S0/₁)3*8H₂0. Известны многочисленные комплексные соединения лантаноидов. Многие соли редкоземельных металлов имеют характерные окраски, обусловленные возможностью перехода их /-электронов на вакантные вышележащие орбитали. Наряду со степенью окисления +3 некоторые из лантаноидов могут проявлять более высокую степень окисления +4 и более низкую +2. Церий Се, празеодим Рг и тербий ТЬ в степени окисления +4 — сильные окислители. Европий Ей, самарий Sm, иттербий Yb, тулий Tin и неодим Nd в степени окисления +2 — восстановители.

Ни один из лантаноидов не может быть отнесен к числу незаменимых микроэлементов, хотя некоторые из них в незначительных количествах присутствуют в биомассе растений. Сведений об экологической опасности лантаноидов нет.

Актиноиды. Это серебристо-белые пластичные металлы, по химическим свойствам близкие к лантаноидам, но отличающиеся от них гораздо более широким разнообразием степеней окисления. По восстановительным свойствам актиноиды превосходят лантаноиды и щелочноземельные металлы. На воздухе они покрываются оксидными пленками, легко реагируют с Н₂, 0₂, N₂ и галогенами. В водных растворах существуют гидратированные катионы актиноидов с зарядами +2, +3, +4. Те из актиноидов, у которых наиболее устойчивы степени окисления +5 и +6, в водных растворах существуют в виде гидратированных катионов М0₂ и М0²⁺.

В химии урана, который является основным ядерным горючим, наибольшее значение имеют следующие его соединения: хорошо растворимые в воде сульфат уранила U0₂S0₄ и нитрат ураиила U0₂(N0₃)₂, содержащие катион уранила 1Ю|⁺, диоксид урана 1Ю₂ и газообразный гексафторид урана UF₆, который используют для разделения изотопов урана ^23aU и ²³⁸U.

Производство урана и плутония осуществляется в промышленных масштабах. Изотопы этих элементов ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu расщепляются нейтронами в ядерных реакторах с огромными энергетическими эффектами. Изотопы ^23oU и ^{23Pu используются в ядерном оружии. Плутоний получают в ядерных реакторах-размножителях из 238U.}

Все актиноиды токсичны и радиоактивны. Уран содержится в природных фосфатных рудах. Если при изготовлении фосфорных удобрений не осуществляют отделение урана, то он может рассеиваться вместе с удобрениями и загрязнять окружающую среду.