Металлические элементы 3 -В группы Sc Y La Ac 1
Характеристика элементов по положению в ПС Ме N Ra Ri+3 Ei (1) Эл. ф Ст. ок Δφ3+ Sc 21 0, 164 0, 083 6, 562 3 d 14 s 2 +3 -2, 08 Y 39 0, 181 0, 097 6, 22 4 d 15 s 2 +3 -2, 37 La 75 0, 187 0, 104 5, 58 5 d 16 s 2 +3 -2, 52 Ac 89 0, 203 0, 111 5, 1 6 d 17 s 2 (-1, +5) -2, 6 +3 2
Открытие металлов Металлы в природе n n Очень редкие металлы Не образуют минералов Ме Когда открыт Кем открыт В природе Изотопы Sc 1876 Л. Нильсон 3 • 10 -4 1 Y 1828 Ф. Вёлер 2, 6 • 10 -4 1 La 1839 К. Мосандер 2, 5 • 10 -4 2 Ac 1899 А. Дебьерн 5 • 10 -15 0 3
Получение металлов n n n Скандий, иттрий – из примесей руд других металлов путем обжига, превращения оксида во фторид с последующим восстановлением кальцием Лантан - обработка руд кислотой и разделение полученной смеси на ионообменной колонке и последующим электролизом Актиний – облучением ядер радия в ядерном реакторе 4
Физические свойства металлов tкип ρ(кг/м 3) Особые свойства Серебрис 1541 то-белые металлы 2850 3000 По свойствам близок к алюминию 1528 3322 4470 По свойствам близки к щелочноземельным металлам La 920 3450 6160 Ac 1050 3590 10100 Ме Вн. вид Sc Y tпл В темноте заметно голубое свечение 5
Свойства простых веществ и соединений 6
Скандий 1. 2. 3. 4. 5. 6. Атомная масса – 44 Плотность – 3 Образует оксид Eb 2 O с плотностью 3, 5 Оксид, фосфат и карбонат нерастворимы в воде и щелочах Сульфат труднорастворим 1. Образует двойной сульфат, который не изоморфен квасцам 6. 2. 3. 4. 5. Атомная масса – 44, 96 Плотность – 3, 1 Образует оксид Sc 2 O 3 с плотностью 3, 86 Оксид, фосфат и карбонат нерастворимы в воде и щелочах Сульфат Sc 2(SO 4)3· 6 Н 2 О труднорастворим Двойная соль Sc 2(SO 4)3· 2 К 2 SO 4 не изоморфна квасцам 7
Скандий Самый первый d-элемент n Имеет сходство с кальцием и алюминием n Обладает высокой электропроводностью в сочетании с коррозионной устойчивостью n Очень редкий и дорогой металл, что ограничивает его применение… n 8
Свойства и соединения скандия n n n При небольшом нагревании реагирует с галогенами и другими неметаллами Галогениды получают из кислородсодержащих солей – продуктов обработки руд: Sc(NO 3)3 + 3 HF = Sc. F 3 + 3 HNO 3 [Sc(H 2 O)6]3+ При действии щелочей выпадает осадок гидроксида: Sc (NO 3)3 + 3 КОН = Sc(ОН)3 + 3 КNO 3 Гидроксид проявляет амфотерные свойства: Sc(ОН)3 + 3 КОН = К 3 [Sc(ОН)6] Sc(ОН)3 + 3 HNO 3 = Sc(NO 3)3 + 3 H 2 O Неясен вопрос со степенью окисления +2 (Sc. С 2, Sc. Н 2, Sc. Cl 2) 9
Иттрий n n Название происходит от города Иттербю По свойствам близок к большинству редкоземельных элементов (лантанидов) Труднодоступный и дорогой, изучен недостаточно, возможность применения до конца не ясна По химическим свойствам имеет горизонтальное сходство со стронцием, 5 s и 4 d-орбитали сближены, но находятся дальше от ядра, чем валентные орбитали у скандия 10
Иттрий n n n По прочности почти равен титану, по упругости – алюминию, по электропроводности- ртути На воздухе устойчив, оксидная пленка появляется при 4000 С При 7600 С происходит окисление: 4 Y+3 O 2 = 2 Y 2 O 3 Также активно взаимодействует с другими неметаллами, известны соединения: YN, YGal 3, YH 3, YB 2, YB 4, YB 6, YB 12 Оксид поглощает углекислый газ, превращается в карбонат Гидроксид обладает основными свойствами, но с концентрированными щелочами образует иттраты – КYO 2 11
Лантан n n n n Имеет «рыхлую» электронную структуру – 9 свободных «мест» на пятом уровне и 14 – на четвертом Имеет диагональное сходство по свойствам со стронцием На воздухе покрывается рыхлой пленкой оксида: 4 La + 3 O 2 = 2 La 2 O 3 Взаимодействует с водой: 2 La + 6 Н 2 О = 2 La(ОН)3 + 3 Н 2 Легко растворяется в кислотах Известны соединения практически со всеми неметаллами Комплексные соединения образуются лишь в расплавах 12
Актиний n Крайне редкий – на добычу 1 г необходимо переработать 7000 т руды n Является дочерним продуктом распада урана или тория, наиболее часто - 227 Ас, самый стабильный – 225 Ас, Т=10 дней Несколько мг было получено в 1950 г американскими исследователями: Ac. F 3 + 3 Li = Ac + 3 Li. F По химическим свойствам близок к щелочным металлам n n n Оксид актиния взаимодействует с кислотами и водой: Ас2 О 3 + 3 Н 2 О = 2 Ас(ОН)3 – типичное основание Получено около 10 соединений, изоструктурных соединениям лантана По свойствам резко отличается от металлов семейства актиноидов 13
Ученые тоже шутят… n n Актиний предсказан Д. И. Менделеевым, открыт в 1899 году Через 20 лет Фредерик Содди подвел итог: «Атомный вес – неизвестен; средняя продолжительность жизни – неизвестна; характер излучения – не испускает лучей; материнское вещество – неизвестно; исходным веществом, вероятно, является уран; продукт распада - радиоактиний» 14
Элементы семейства лантана Особенности электронного строения Физические свойства Химические свойства Области возможного применения 15
Общая характеристика элементов n n n Лантан, актиний и еще 14 – в одну клетку… Вынести лантаноиды и актиноиды за пределы основного варианта предложил профессор Пражского университета Богуслав Францевич Браунер Очень редкие элементы, трудно разделить, трудно выделить В свободном состоянии – обычные металлы По свойствам можно разделить на две группы: Се-Gd, Tb-Lu основа – вторичная периодичность 16
Вторичная периодичность n n n Заполняется 4 f-электронный подуровень: - Се-Gd – с 1 по 7 электроны, занимают свободные орбитали -Tb-Lu – новый электрон образует пару У церия сразу 2 электрона поступают на 4 f- подуровень. Далее заполнение электронами 4 f-подуровня первой семерки происходит последовательно до Gd, у которого 1 электрон уходит на 5 d-подуровень. Во второй семерке у Tb 2 новых электрона поступают на 4 f- подуровень, у элементов до Lu на 5 d-подуровне нет электронов. 17
Следствие 1: физические свойства лантаноидов 18
Следствие 2: химические свойства n Подтверждают деление на два семейства: реакционная способность падает в каждом семействе слева направо Cе Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 19
Cвойства соединений n n n n Характер оксидов – основный, изменяется аналогично свойствам простых веществ Гидроксиды – основания, характер меняется от типично основного к амфотерному Практически для всех лантаноидов известны нитриды – Ln. N, галогениды – Ln. Gal 3 Интерес представляют карбиды – электропроводны Возможно существование гидридов – Ln. Н 2 и Ln. Н 3 Получен ряд сульфидов: Ln 2 S 3, Ln 3 S 4, , Ln. S, , Ln 5 S 7 , Ln 2 O 2 S Образуют разнообразные сплавы 20
Отдельные представители лантаноидов: группа церия Ме История Cе 1875, Церера Pr Nd Pm Sm Eu Gd Особенности Применение Пирофорность Сплавы, стекла 1885, светло-зеленый близнец 1885, новый близнец +5, двойственность Абразивные при отдаче ē материалы Цветные соединения Сплавы, абразивные материалы (Карл Ауэр фон Вельсбах) 1947, Прометей Искусственный Атомные микробатарейки 1879, уральский минерал +2, аналог щелочно. Специальная керамика (АЭ) В. Е. Самарский-Быховцев земельных Ме 1901, 1937, Европа +2, большой атом, Цветное малая плотность телевидение 1880, Юхан Гадолин Ферромагнетик Люминофоры 21
Отдельные представители лантаноидов: группа тербия Ме Tb Dy История 1778 -1905, Иттербю 1886 -1906, «труднодоступный» Ho 1878 -1879, Стокгольм (Holmia) Er 1843, Иттербю Tm 1879, Скандинавия (др. Римск. Thule) Yb 1878, Иттербю Lu 1907, Париж (Lutetia) (стр 158) Особенности Применение +4, изменение магнитных свойств Классический лантаноид Сплавы, стекла, люминофоры Катализ и оптикотехника Первый из самых тяжелых… Самый редкий и самый дорогой из Ln Пока только стекла… Полупроводники, излучатели Сходен с Eu Сплавы алюминия Самый, самый… Структура лантана Пока только сплавы хрома… 22
Элементы семейства актиния Особенности электронного строения Физические свойства Химические свойства Области возможного применения 23
Общие свойства элементов n n n Все радиоактивны, атомы неустойчивы, трудно определить электронное строение Торий и лоуренсий можно отнести к d-элементам Можно разделить на две группы: Th-Cm, Bк-Lr Наблюдается вторичная периодичность: заполняется 5 f-электронный подуровень: -Th-Cm - с 1 по 7 электроны, занимают свободные орбитали -Bк-Lr - новый электрон образует пару Заполнение электронами 5 f-подуровня происходит с нарушениями последовательности в обеих семерках: - Th - 5 f – электрона нет -для трансурановых элементов характерно «смешение» 5 f-, 6 d- и 7 р-электронных состояний: нивелирование энергии электронов из -за релятивистского эффекта 24
Физические свойства актиноидов 25
Химические свойства n n n n Свойства до конца не изучены Трудность – изменение физических и химических свойств под действием собственной радиоактивности Возможны степени окисления +7 и +8 Известны соединения со степенями окисления +1 и +2 Наиболее характерны степени окисления +3 Получены в очень малых количествах Применение – не совсем ясно… 26
Отдельные представители актиноидов: группа тория Ме История Особенности Применение Th 1829, скандинавский Активный металл АЭ, сплавы Pa 1917, «первый луч» Ядерная изомерия (О. Ган) Типичный металл, три модификации - α, β, γ По свойствам сходен с ураном Типичный металл ? бог Тор U Np Pu Am 1789, 1842, планета Уран 1940, планета Нептун 1940, планета Плутон 1945, Америка Cm 1944, П. И М. Кюри Металл, две модификации Изучению свойств препятствует радиоактивность АЭ, ВП ? АЭ, Источники тепла 27
Отдельные представители актиноидов: группа берклия Ме Bk 1949 Cf 1952 История, получение Применение ЯФ ЯФ, точечные взрывы Es 1952 Fm 1952 ЯФ Md 1955 No 1957 ЯФ Lr 1960 ЯФ ЯФ ЯФ 28
А сколько может быть элементов? n n Ю. С. Черкинский – не может быть больше 10 миллиардов Существующий элемент – время «жизни» больше того промежутка, за который бомбардирующая частица пролетит сквозь ядро Устойчивость определяется соотношением протонов и нейтронов: для возможного десятимиллиардного – N/Z=25 млн Это ядро: R=0, 01 мм, m=1 т 29
Какие ближайшие устойчивы? № 126: 126 протонов и 184 нейтрона, элемент восьмого периода, тяжелый, трехвалентный металл, похожий на актиний n № 184 – возможно, также устойчив НО! n Существует мнение, что при числе протонов 170 -180 электроны первого слоя поглотятся ядром, уменьшив его заряд, следовательно, больше № 180 невозможно… 30
Каким будет восьмой период? Сверхбольшой – 50 элементов; кроме s-, p-, d-, f- подуровней, появится g-подуровень, содержащий 18 элементов (октадеканиды) n Сходство свойств у октадеканидов должно быть больше, чем у лантаноидов и актиноидов n Вероятно – аналоги актиния n № 126 должен войти в семейство октадеканидов, вероятная электронная формула n n Девятый период должен также содержать октадеканиды, по аналогии с лантаноидами и актиноидами 31
Что дает ядерный синтез? n n n Возможно ли существование ядер со сверхизбыточным числом нейтронов? Возможно: в г Серпухов получен Пример, уже известный – изотопы водорода Полученные ранее элементы используются в качестве мишеней для получения сверхтяжелых ядер Установлено, что вспышки сверхновых – появление изотопов калифорния… 32
А что, если…? ? ? Академик В. И. Гольданский вычислил, что если элементов будет 10 млрд, то: n ПС будет содержать 3910 периодов n Последний будет содержать 7 659 698 элементов, 8000 элементов-близнецов n В семействе благородных газов – несколько жидких, остальные твердые n 3910 период начнется газообразным «щелочным металлом» , закончится – твердым «благородным газом» 33
Спасибо за внимание! Не проспите новые открытия! 34