Ταξινόμηση στοιχείων F-Block
Τα στοιχεία f-μπλοκ αποτελούνται από τα στοιχεία 4f και 5f των οποίων τα τροχιακά γεμίζουν συνεχώς. Τα στοιχεία της ομάδας 3 είναι τα μέλη των στοιχείων f μπλοκ.
Αποτελούνται από δύο σειρές:λανθανίδες και ακτινίδες. Οι λανθανίδες μοιάζουν μεταξύ τους περισσότερο από οποιαδήποτε άλλα μεταβατικά στοιχεία της σειράς επειδή περιέχουν μόνο μία κατάσταση οξείδωσης. Η εξαιρετική ευκαιρία να συγκαλυφθεί η επίδραση των μικρών αλλαγών στο μέγεθος και το πυρηνικό φορτίο παρέχεται από τις χημικές τους ιδιότητες και παρόμοια στοιχεία.
Σε αντίθεση με τα λανθανοειδή, οι ακτινίδες είναι πολύ πιο πολύπλοκα στοιχεία και η επιπλοκή τους οφείλεται στην παρουσία αρκετών καταστάσεων οξείδωσης και στη ραδιενεργή φύση τους.
Λανθανίδες (σειρά 4f)
Στα στοιχεία αυτής της ενότητας, το τελευταίο ηλεκτρόνιο εισέρχεται στα τροχιακά 4f.
Γενικά χαρακτηριστικά
- Ηλεκτρονική διαμόρφωση
Γενική διαμόρφωση λανθανοειδών
[Xe] 4f¹-14 5dº-1 6s²
Περιέχουν τρία ημιτελή κελύφη
- Καταστάσεις οξείδωσης
- Η κατάσταση οξείδωσης όλων των στοιχείων της σειράς λανθανιδών είναι +3. Ορισμένα μέταλλα (σαμάριο, ευρώπιο και υττέρβιο) θεωρούνταν παλαιότερα ότι είχαν καταστάσεις οξείδωσης +2. Περαιτέρω έρευνα σε αυτά τα μέταλλα και τα παράγωγά τους αποκάλυψε ότι όλα τα μέταλλα της κατηγορίας των λανθανιδών έχουν κατάσταση οξείδωσης +2 στο διάλυμα.
- Η χρήση δύο εξώτατων ηλεκτρονίων (6s²) και ενός εσωτερικού ηλεκτρονίου. Το εσωτερικό ηλεκτρόνιο που χρησιμοποιείται είναι ένα ηλεκτρόνιο 5d, αλλά το ηλεκτρόνιο 4f μπορεί να χρησιμοποιηθεί εάν δεν υπάρχει.
- Όλα τα λανθανίδια έχουν οξείδωση +3 εκτός από το δημήτριο, το πρεϊσοδύμιο και το τέρβιο, τα οποία περιέχουν κατάσταση οξείδωσης +4.
- Οι καταστάσεις οξείδωσης +2 και +4 εμφανίζονται μόνο όταν:
- Διαμόρφωση ευγενούς αερίου, π.χ. Ce⁴⁺(f⁰)
- Ένα μισογεμάτο τροχιακό f, π.χ., Eu²⁺, Tb4⁺(f7)
- Πλήρως γεμάτο f τροχιακό, π.χ., Yb²⁺(f¹4)
Ως εκ τούτου, δρουν ως οξειδωτικός παράγοντας σε υψηλότερη κατάσταση οξείδωσης και ως αναγωγικός παράγοντας σε χαμηλότερη κατάσταση.
- Pr, Nd, Dy και Tb εμφανίζουν κατάσταση οξείδωσης +4 αλλά μόνο στα οξείδια
Εξαιρέσεις:ορισμένα στοιχεία εμφανίζουν κατάσταση οξείδωσης +2 και +4 χωρίς διαμόρφωση fº, f7, f14, π.χ., Pr4+, Nd², Nd+4, Sm+2 Dy+4, Tm+²⁺
- Μαγνητικές ιδιότητες
Στα τρι-θετικά ιόντα, στο υποκέλυφος 4f, ο αριθμός των ασύζευκτων ηλεκτρονίων συνεχίζει να αυξάνεται από λανθάνιο σε γαδολίνιο. Έτσι, το λανθάνιο και το λουτέτιο είναι διαμαγνητικά και άλλα είναι παραμαγνητικά.
- Χρώμα
Λόγω των ελλιπών τροχιακών 4f, τα ιόντα λανθανίδης έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια, και έτσι απορροφούν την ενέργεια της ορατής περιοχής του φωτός, υφίστανται μετάβαση f-f και παρουσιάζουν χρώμα. Το εύρος χρώματος εξαρτάται από τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στην περιοχή 4f.
- Άλλες ιδιότητες
- Αυτή η ομάδα αποτελείται από μέταλλα υψηλής πυκνότητας με υψηλό σημείο τήξης.
- Ενέργεια ιονισμού – πρώτον, δηλαδή, είναι 600 KJ/mole, το δεύτερο είναι 1200 KJ/mole, τρίτον είναι χαμηλό εάν οδηγεί σε ένα στάβλο που είναι άδειο, μισογεμάτο ή γεμάτο τροχιακό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα la, gd, lu έχουν χαμηλό τρίτο I.E.
- Ο ηλεκτροθετικός χαρακτήρας είναι υψηλός λόγω του χαμηλού i.p
- Λόγω του μεγάλου μεγέθους τους, έχουν χαμηλή φόρτιση και επομένως δεν έχουν μεγάλη τάση να σχηματίζουν σύμπλοκα.
- Καλοί αναγωγικοί παράγοντες
- Χημική συμπεριφορά
Τα προηγούμενα μέλη αυτής της σειράς είναι αρκετά αντιδραστικά. συμπεριφέρονται περισσότερο σαν αλουμίνιο με τον αυξανόμενο ατομικό αριθμό.
Ln³⁺ (aq) + 3e⁻ → Ln(s)
Οι καύσεις Ln στο O2 γίνονται Ln2O3
Το Ln που θερμαίνεται με S γίνεται Ln2S3
Χρησιμοποιήσεις
Χρησιμοποιούνται στην παραγωγή κραματοποιημένων χάλυβων για πλάκες και σωλήνες. Για παράδειγμα, το mischmetal είναι ένα κράμα μετάλλου λανθανίδης που χρησιμοποιείται σε κράμα με βάση τα mg για την παραγωγή σφαιρών και κελυφών.
Συστολή λανθανοειδούς
Λόγω του αυξημένου πυρηνικού φορτίου και των ηλεκτρονίων που εισέρχονται στα εσωτερικά (n-2) f τροχιακά, το ατομικό μέγεθος των ιοντικών ακτίνων των τρι θετικών ιόντων λανθανίδης πέφτει συνεχώς από το La στο Lu. Η συστολή της λανθανίδης είναι η προοδευτική μείωση του μεγέθους καθώς αυξάνεται ο ατομικός αριθμός.
Συνέπειες της συστολής της λανθανίδης
- Οι λανθανίδες είναι δύσκολο να διαχωριστούν λόγω μικρών διαφορών στις ατομικές τους ακτίνες.
- Αυτό εξηγεί επίσης διαφορές στις ιδιότητες, όπως η έντονη τάση για υδρόλυση και σχηματισμός σύμπλοκων αλάτων και η μειωμένη θερμική σταθερότητα και διαλυτότητα των αλάτων.
- Το δεύτερο και το τρίτο στοιχείο της σειράς μετάβασης έχουν παρόμοιο μέγεθος.
Εφαρμογές λανθανιδών
- Το δημήτριο είναι το πιο χρήσιμο στοιχείο στο λανθανοειδές.
Το CeO, La2O3, Nd2O3 και Pr2P3 χρησιμοποιείται ως αποχρωματιστικό για γυαλιά
- Οι λανθανοειδείς ενώσεις όπως το βολφραμικό δημητρίου μολυβδαινικό δημητρίου χρησιμοποιούνται ως βαφές και βαφές
Ακτινοειδή
Οι ακτινίδες είναι στοιχεία των οποίων το τελευταίο ηλεκτρόνιο εισέρχεται στο τροχιακό 5f του αντιπροτελευταίου κελύφους. Τα φυσικά ακτινοειδή- Th, Pa και U, τα υπόλοιπα 11 είναι τεχνητά.
Γενικά χαρακτηριστικά
- Ηλεκτρονική διαμόρφωση
Γενική διαμόρφωση – [Rn] 5f¹-14 6d⁰-1 7s²
- Καταστάσεις οξείδωσης
- Τυπική κατάσταση οξείδωσης – +3 καθώς αυξάνεται ο ατομικός αριθμός, η κατάσταση οξείδωσης γίνεται πιο σταθερή.
- Δείχνουν σημαντικότερο αριθμό ο.σ από τις λανθανίδες.
- Άλλα χαρακτηριστικά
- ασημί στην εμφάνιση και έχουν διάφορες δομές
- όταν μοιράζονται λεπτά, είναι εξαιρετικά αντιδραστικά
- οι μαγνητικές ιδιότητες είναι πιο περίπλοκες από τις λανθανίδες. Δηλαδή, χαμηλότερο από τα πρώιμα λανθανίδια, επειδή τα ηλεκτρόνια 5f προστατεύονται πιο αποτελεσματικά από το πυρηνικό φορτίο από τα ηλεκτρόνια 4f των αντίστοιχων λανθανιδών.
Συμπέρασμα
- Οι λανθανίδες είναι στοιχεία της σειράς 4f, ενώ οι ακτινίδες είναι στοιχεία της σειράς 5f.
- Η γενική διαμόρφωση των Λανθανίδων είναι [Xe] 4f1-14 5dº-1 6s².
- Από την άλλη πλευρά, η γενική διαμόρφωση των ακτινιδών είναι [Rn] 5f1-14 6d⁰-1 7s².
- Η πιο κοινή κατάσταση οξείδωσης των λανθανιδών είναι +3 και οι ακτινίδες είναι +3.
- Οι λανθανίδες έχουν διαφορετικά χρώματα λόγω των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων, ενώ οι ακτινίδες έχουν ασημί χρώμα.
