لانتانیدها و اکتینیدها ( عناصر واسطه داخلی)

در تناوب ششم و هفتم جدول تناوبی خانه های لانتان 57 و اکتینیم 89 باید جایگاه لانتانیدها و اکتینیدها باشد ولی به دلیل کمی جا این دو گروه از عناصر در دو ردیف 14 تایی در پایین جدول قرار می گیرند.

لانتانیدها عنصرهایی با عدد اتمی 58 تا 71 در جدول هستند که اوربیتال 4f آن ها در حال پر شدن است و اکتینیدها عدد اتمی 90 تا 103 را دارند که اوربیتال 5f آن ها در حال پرشدن می باشند. به لانتانیدها و اکتینیدها عناصر واسطه داخلی می گویند.

1- آرایش الکترونی لانتانیدها و اکتینیدها:
در تناوب ششم اوربیتال 6s روی اوربیتال های 4f اثر پوششی کمی دارد. پس وقتی این اوربیتال از الکترون پر می شود اوربیتال 4f و 5d با تأثیرپذیری از بار مثبت هسته به سطح پایین تری از انرژی می رسند. پس ترازهای انرژی این سه اوربیتال نزدیک هم خواهد بود.

الکترون بعدی در لانتان با عدد اتمی 57 به اوربیتال 5d اضافه می شود. اما برخلاف انتظار در عناصر بعدی الکترون به جای اوربیتال 5d به اوربیتال 4f (به دلیل پایداری بیشتر در این حالت) اضافه می شود. عنصرپایانی این دوره یعنی Lu آرایش الکترونی 6s24f145d1 را دارد. بعد ازLu (لوتسیم) خانه 72 را داریم که اضافه شدن الکترون به اوربیتال 5d تا عنصر جیوه ادامه پیدا می کند.

در اکتینیدها هم همین ترتیب پرشدن الکترون را منتها در دوره هفتم و با شروع از عنصر اکتینیم 89 و با پرشدن اوربیتال 5f داریم. البته چون ترازهای انرژی 5f و 6d بسیار به هم نزدیک هستند. به طور یقین نمی توان گفت کدام یک از این ترازها در هنگام وارد کردن الکترون ها در عناصر مختلف مانند Pa اول پر می شود. اما در کل پرشدن اوربیتال ها در این ردیف به ترتیب 5f و بعد 6d انجام می شود. بعد از آخرین عنصر یعنی Lr به خانه 104 جدول برمی گردیم.

2- خواص لانتانیدها:
به لانتانیدها خاک های کمیاب می گویند. علت این نام گذاری این است که اولین اعضای لانتانیدها که به صورت اکسید جمع آوری شد شبیه به اکسیدهای کلسیم و منیزیم ( بعدها در گروه فلزات قلیایی خاکی قرار گرفتند) بودند. ولی باید این نکته را در نظر داشت که سریم و ایتریم بسیار بیشتر از سرب و قلع هستند. در طبیعت لانتانیدها را به صورت کانی هایی چون مونازیت، زنوتیم و گادولینیت می توان یافت.

لانتانیدها فلزاتی براق با واکنش پذیری بالا هستند که خواصی مشابه لانتان 57 دارند. این ردیف از عناصر نمک های سه ظرفیتی محلول در آب با خواص شیمیایی یکسان تولید می کنند.

این عناصر را می توان احیا کرد. یکی با استفاده از اثر کلسیم و لیتیم بر هالید بدون آب آن ها این کار را انجام داد و در مرحله بعد آن را در خلأ ذوب مجدد می کنند تا باقیمانده مواد احیا کننده تبخیر شود. همچنین آن ها را می توان از حمام های نمک ذوب شده به صورت الکترولیتی احیا کرد. لانتانیدها می توانند با بعضی ترکیبات آلی املاح آلی تشکیل می دهند.

3- کاربرد لانتانیدها:
از کاربردهای عناصری مثل نئودمیم، اربیم و ایتربیم در لیزرهای حالت جامد می توان نام برد. این عناصر در دستگاه های سرماساز به عنوان خنک کننده استفاده می شوند چون ظرفیت گرمایی ویژه پایینی دردماهای کم دارند. همچنین از آن ها به عنوان تصفیه کننده استفاده می شود چون با ناخالصی های غیر فلزی مثل کربن، هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن راحت ترکیب می شوند.

از این عناصر در لامپ های تصویر تلویزیون رنگی به کار گرفته می شود چون وقتی در مقابل گرما قرار می گیرند طیف پیچیده ای که نور سفیدی منتشر می کند نمایش می دهد. در سوزاندن سموم حاصل از راکتورهای هسته ای و سیستم MRI نیز از این عناصر استفاده می شود.

4- خواص اکتینیدها:
نام این عنصرها از اکتینیم گرفته شده است. اکتینیم نقره ای رنگ است ودر تاریکی با نور آبی می درخشد. همه اکتنیدها به جز لورنسیم که از بلوک d می باشد جزء بلوک f با خصوصیات شیمیایی مشابه هستند. سه عنصر توریم، پروتاکنینیوم و اورانیوم در طبیعت وجود دارند. اما بقیه عناصر این دوره رادیواکتیوند و هسته ناپایداری داشته جزء عنصرهای پرتوزا هستند. این عناصر که ترانس اورانیوم نام دارند در طبیعت وجود ندارند.

اکتینیدها فلزات متراکم و الکتروپوزیتیو هستند و آلوتروپ های زیادی تشکیل می دهند. نرم و انعطاف پذیرند و خاصیت پارامغناطیسی دارند. این فلزات با آب جوش و اسیدهای رقیق هیدروژن آزاد می کنند. در دمای اتاق جامدند و در هوا خود به خود آتش می گیرند.

در سال های اخیر اورگانواکتینیدها (ترکیبات آلی فلزی) بسیاری شناسای شدند. در این ترکیبات اکتینیدها می توانند با اتم کربن پیوند کووالانسی برقرار کنند.بعضی از اکتینیدها عبارتند از: اکتینیوم (Ac)، لارنسیم (Lr)، نوبلیوم (No)، فرمیم (Fm)، کالیفرنیم (Cf)، برکلیوم (Bk) و کوریم (Co).

5- اورانیوم:
اورانیوم با نماد شیمیایی U فلز و به رنگ نقره ای- خاکستری می باشد. متداول ترین صورت آن اورانیوم-238 است که 99% اورانیوم موجود در زمین را تشکیل می دهد. همچنین این ایزوتوپ پایدارترین ایزوتوپ و منتشر کننده ذرات آلفا است. اورانیوم-238 خودش شکاف پذیر نیست ولی می تواند به ایزوتوپ شکاف پذیر پلوتونیوم-239 با فعال سازی نوترونی تبدیل شود. پلوتونیوم-239 اولین بار در انفجار بمب اتمی در 1945 در نیومکزیکو مورد استفاده قرار گرفت.

ایزوتوپ دیگر:
صورت بعدی آن اورانیوم-235 به مقدار بسیار اندکی روی زمین موجود می باشد. اورانیوم-235 تنها عنصر روی کره زمین است که ایزوتوپ شکاف پذیر دارد وبا نوترون های حرارتی شکافته می شود. همین خصلت هسته ای باعث استفاده آن در نیروگاه هسته ای و سلاح های هسته ای شده است.

چون در واکنش های هسته ای انرژی فراوانی تولید می کنند. چون فراوانی اورانیوم-235 بسیار اندک است با فرایندی به نام غنی سازی اورانیوم غلظت آن را برای استفاده در نیروگاه های هسته ای مناسب می کنند.

6- کاربرد اکتینیدها:
اکتینیم در پزشکی به عنوان منبع گاما و منبع پروتون استفاده می شود. اکتینیدها در ساخت شیشه و کریستال کاربرد دارد. توریوم در مانتوهای گازی وجود دارد. همچنین توریوم در گذشته برای ظاهر کردن عکس های پزشکی اشعه X استفاده می شد ولی امروزه می دانند که این عنصر به شدت سرطان زاست.