لانتانیدها و اکتینیدها ( عناصر واسطه داخلی) 

در تناوب ششم و هفتم جدول تناوبی خانه های لانتان ۵۷ و اکتینیم ۸۹ باید جایگاه لانتانیدها و اکتینیدها باشد ولی به دلیل کمی جا این دو گروه از عناصر در دو ردیف ۱۴ تایی در پایین جدول قرار می گیرند. لانتانیدها عنصرهایی با عدد اتمی ۵۸ تا ۷۱ در جدول هستند که اوربیتال ۴f آن ها در حال پر شدن است و اکتینیدها عدد اتمی ۹۰ تا ۱۰۳ را دارند که اوربیتال ۵f آن ها در حال پرشدن می باشند. به لانتانیدها و اکتینیدها عناصر واسطه داخلی می گویند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی برخی خواص این دو ردیف در جدول تناوبی می پردازد.

آرایش الکترونی لانتانیدها و اکتینیدها

در تناوب ششم اوربیتال ۶s روی اوربیتال های ۴f اثر پوششی کمی دارد. پس وقتی این اوربیتال از الکترون پر می شود اوربیتال ۴f و ۵d با تاثیرپذیری 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 ۵۷ به اوربیتال ۵d اضافه می شود. اما برخلاف انتظار در عناصر بعدی الکترون به جای اوربیتال ۵d به اوربیتال ۴f (به دلیل پایداری بیشتر در این حالت) اضافه می شود. عنصرپایانی این دوره یعنی Lu آرایش الکترونی ۶s^۲۴f^۱۴۵d^۱ را دارد. بعد ازLu (لوتسیم) خانه ۷۲ را داریم که اضافه شدن الکترون به اوربیتال ۵d 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 ۸۹ و با پرشدن اوربیتال ۵f داریم. البته چون ترازهای انرژی ۵f و ۶d 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 ۵f و بعد ۶d انجام می شود. بعد از آخرین عنصر یعنی Lr به خانه ۱۰۴ جدول برمی گردیم.

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 ۵۷ 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.

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.

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).

اورانیوم

اورانیوم با نماد شیمیایی U فلز و به رنگ نقره ای- خاکستری می باشد. متداول ترین صورت آن اورانیوم-۲۳۸ است که ۹۹% اورانیوم موجود در زمین را تشکیل می دهد. همچنین این ایزوتوپ پایدارترین ایزوتوپ و منتشر کننده ذرات آلفا است. اورانیوم-۲۳۸ خودش شکاف پذیر نیست ولی می تواند به ایزوتوپ شکاف پذیر پلوتونیوم-۲۳۹ با فعال سازی نوترونی تبدیل شود. پلوتونیوم-۲۳۹  اولین بار در انفجار بمب اتمی در ۱۹۴۵ در نیومکزیکو مورد استفاده قرار گرفت.

صورت بعدی آن اورانیوم-۲۳۵ به مقدار بسیار اندکی روی زمین موجود می باشد. اورانیوم-۲۳۵ 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-۲۳۵ بسیار اندک است با فرایندی به نام غنی سازی اورانیوم غلظت آن را برای استفاده در نیروگاه های هسته ای مناسب می کنند.

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.

لانتانیدها و اکتینیدها در کنکور

لانتانیدها و اکتینیدها در طبیعت رادیواکتیو هستند. آنها در مجموع از ۳۰ عنصر تشکیل شده اند. آنها حاوی عناصر رادیواکتیو مانند اورانیوم هستند. این عناصر در سری لانتانید و اکتینید جدول تناوبی نگهداری می شوند. لانتانیدها حاوی عناصری از اعداد اتمی ۵۷ تا ۷۱ هستند. نام این عناصر از اولین عنصر در گروه به نام لانتانیم گرفته شده است، زیرا خواص شیمیایی مشابهی با سایر عناصر این گروه از خود نشان می دهد.حاوی ۱۵ عنصر است و شیمیدانان به آن Ln می گویند. عناصر این گروه شامل لانتانیم، سریم، پراسئودیمیم، نئودیمیم، پرومتیم، ساماریم، یوروپیوم، گادولینیم، تربیوم، دیسپروزیم، هولمیوم، اربیوم، تولیم، ایتربیوم و لوتتیوم است. -فلزات جامد واکنش پذیر سفید رنگ که از همان سنگ معدن به دست می آیند.

اینها ۱۵ عنصر هستند که با عدد اتمی ۸۹ شروع می شوند و تا عدد اتمی ۱۰۳ می روند. آنها اکتنیدها نامیده می شوند زیرا همه آنها خواص شیمیایی مشابه اولین عنصر از گروه اکتنیدها دارند. نماد An برای اشاره به اکتینیدها استفاده می شود. این گروه عمدتاً شامل عناصر ساخته شده توسط انسان غیر از تعداد معدودی است که به طور طبیعی وجود دارند. این شامل اکتینیم، توریم، پروتاکتینیم، اورانیوم، نپتونیم، پلوتونیوم، آمریکیوم، کوریم، برکلیوم، کالیفرنیوم، انیشتینیوم، فرمیوم، مندلویوم، نوبلیوم و لارنسیم است.