Dlaczego metale ziem rzadkich są podobne?

Dlaczego dwa różne pierwiastki w tablicy Mendelejewa zwykle tak bardzo różnią się od siebie i dlaczego metale ziem rzadkich są wyjątkiem?

Jeżeli wziąć sąsiadujące ze sobą w tablicy Mendelejewa na przykład węgiel i azot lub tellur i jod, to nie tylko łatwo je od siebie odróżnić, ale pierwiastki te mają zupełnie inne własności chemiczne. W ogóle są do siebie niepodobne. Istotny wyjątek stanowią metale ziem rzadkich, czyli lantanowce i aktynowce. Nawet mają one swoje specjalne miejsce w tablicy Mendelejewa (lantanowce i aktynowce wydają się mieścić w jednej kratce, jakby były jednym pierwiastkiem, a jest ich przecież po 15).

Metale ziem rzadkich mają bardzo podobne właściwości chemiczne i do niedawna bardzo trudno było je nawet wyizolować w czystej postaci. Na dodatek metale ziem rzadkich często mogą być stosowane zamienne w różnych zastosowaniach praktycznych. Dlaczego tak się dzieje?

Zgodnie z mechaniką kwantową elektrony można sobie wyobrażać jako obiekty rozmyte na powłokach. Co to znaczy rozmyte? To elektron nie jest cząsteczką (kuleczką) zlokalizowaną w danym punkcie? Mechanika kwantowa nie pozwala ich zlokalizować w jednym, konkretnym miejscu. Pozwala nam lokalizować elektrony w atomie w pewnym obszarze, który tworzy jakby chmurę wokół jądra atomu. To przestrzeń prawdopodobieństwa znalezienia konkretnego elektronu w atomie i ta przestrzeń może mieć kształt sfery lub inny, czasem bardzo zaskakujący (zobacz sam/sama).

Na danej powłoce na dodatek nie może się znajdować dowolnie duża liczba elektronów. Każda powłoka może zmieścić ściśle określoną ich liczbę. Można przyjąć, że im więcej elektronów ma atom pierwiastka, tym więcej ma powłok oddalonych od jądra. Im dalej elektron znajduje się od jądra, tym mniej jest z nim związany.

Dla własności chemicznych kluczowe są najmniej związane elektrony na ostatniej powłoce — powłoce walencyjnej. To tak zwane elektrony walencyjne. Pierwiastki o takiej samej liczbie elektronów walencyjnych mają podobne własności chemiczne. Są to pierwiastki z takiej samej kolumny w układzie okresowym. To dlatego wszystkie gazy szlachetne, fluorowce, litowce mają podobne chemiczne cechy. Oczywiście wraz ze zwiększaniem się pozycji pierwiastka w danej kolumnie (grupie) zmieniają się inne jego cechy, jak masa, promień atomu, promieniotwórczość itp, gdyż drastycznie wzrasta liczba atomowa.

Kolejna pozycja pierwiastka w układzie okresowym w rzędach zmienia się wraz z liczbą elektronów w atomie o jeden. Zwykle każdy dodatkowy elektron zajmuje ostatnią powłokę. Zwykle ... z wyjątkiem właśnie metali ziem rzadkich (i kilku innych wyjątków).

W przypadku metali ziem rzadkich elektrony zamiast w powłoce walencyjnej wolą się zlokalizować w powłoce wewnętrznej. Wszystkie lantanowce mają na orbitalu 6s tyle samo elektronów walencyjnych, a kolejne pierwiastki z tego szeregu różni liczba elektronów na orbitalu 4f.

Ta przypadłość metali ziem rzadkich wynika z faktu, że akurat dla danej liczby elektronów korzystniej pod względem energetycznym jest zajmować właśnie takie, a nie inne orbitale. Wchodząc w szczegóły, na wyższych powłokach energia elektronów zależy od głównej liczby kwantowej n, ale i w istotny sposób od pobocznej liczby kwantowej l. W związku z tym niektóre z poziomów energetycznych d czy f o niższej głównej liczbie kwantowej będą charakteryzowały się wyższą energią od poziomów o wyższej głównej liczbie kwantowej. Dlatego u lantanowców elektrony "odchodzą od regularnego” zapełniania kolejnych orbitali.

Zatem kolejne pierwiastki metali ziem rzadkich, mając taką samą liczbę elektronów walencyjnych, zachowują podobne własności chemiczne. A ponieważ znajdują się w jednym szeregu, ich liczby atomowe nie różnią się także znacznie od siebie jak w przypadku pierwiastków z jednej grupy w układzie okresowym, zatem ich inne własności również są do siebie zbliżone.

Wprawdzie własności chemiczne są podobne, za to ujawniają się tu bardzo ciekawe własności magnetyczne. Ale to jest już materiał na inny pytajnik.




Ostatnio opublikowane w Pytajniku

Czy ptaki się kąpią?
Zimą często dokarmiamy nasze ptaki. Czy jednak równie dobrze pamiętamy o nich latem? Wówczas również można im pomóc przetrwać trudne okresy suszy i wysokich temperatur.
Krokodyle łzy - czy krokodyl płacze?
Czy krokodyle płaczą? Co to znaczy wylewać krokodyle łzy? Co to wszystko ma wspólnego ze szczerością?
Indyki — czego o nich nie wiecie?
Indyki są znane przede wszystkim jako ptaki hodowlane. Czy można je spotkać w naturze?
Zobacz więcej
Przeglądaj wszystkie artykuły dotyczące ciekawostek ze świata nauki.

Zobacz też

Układ okresowy pierwiastków


Układ okresowy pierwiastków - dynamiczna tablica Mendelejewa.

Lantan


Lantan (Li) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 57, srebrzystobiały metal ziem rzadkich, rozpoczynający grupę lantanowców.

Cer


Cer (Ce) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 58, metal ziem rzadkich z grupy lantanowców.

Prazeodym


Prazeodym (Pr) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 59, metal ziem rzadkich z szeregu lantanowców.

Neoodym


Neodym (Nd) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 60, metal ziem rzadkich z szeregu lantanowców. Pierwiastek ten znany jest powszechnie ze swoich właściwości magnetycznych.

Promet


Promet (Pm) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 61, należący do lantanowców. Pierwiastek ten otrzymano sztucznie w 1945 roku. Pierwiastek ten nie posiada stabilnych izotopów.

Samar


Samar (Sm) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 62 z szeregu lantanowców.

Europ


Europ (Eu) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 63 z szeregu lantanowców.

Gadolin


Gadolin (Gd) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 64, należący do szeregu lantanowców.

Terb


Terb (Tb) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 65 z szeregu lantanowców.

Dysproz


Dysproz (Dy) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 66 z szeregu lantanowców.

Holm


Holm (Ho) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 67 z szeregu lantanowców.

Erb


Erb (Er) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 68 z szeregu lantanowców.

Tul


Tul (Tm) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 69 z szeregu lantanowców. Jest najrzadszym lantanowcem na Ziemi.

Iterb


Iterb (Yb) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 70 z szeregu lantanowców.

Lutet


Lutet (Lu) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 71, ostatni pierwiastek z szeregu lantanowców.

Fizyka kwantowa


Fizyka kwantowa – to dział fizyki, który powstał w końcu XIX w. W odróżnieniu od fizyki klasycznej, fizyka kwantowa zaczęła uwzględniać w opisywaniu świata efekty, które pojawiają się w przypadku badania niezmiernie małych obiektów.

Konfiguracja elektronowa


Zasady opisu konfiguracji elektronowej. Pojęcie powłoki, podpowłoki i orbitalu.

Aktyn


Aktyn (Ac) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 89, rozpoczynający szereg aktynowców.

Tor


Tor (Th) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 90, należący do aktynowców.

Protaktyn


Protaktyn (Pa) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 91 z szeregu aktynowców.

Uran


Uran (U) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 92, należący do szeregu aktynowców.

neptun


Neptun (Np) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 93, należący do szeregu aktynowców. Należy do transuranowców.

pluton


Pluton (Pu) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 94, należący do aktynowców i transuranowców.

ameryk


Ameryk (Am) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 95, należący do aktynowców.

kiur


Kiur (Cm) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 96, należący do aktynowców.

berkel


Berkel (Bk) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 97, należący do aktynowców.

kaliforn


Kaliforn (Cf) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 98, należący do aktynowców.

einstein


Einstein (Es) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 99.

Ferm


Ferm (Fm) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 100, należący do aktynowców.

Mendelew


Mendelew (Md) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 101, należący do aktynowców.

Nobel


Nobel (No) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 102, należący do aktynowców.

Lorens


Lorens (Lr) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 103, należący do aktynowców.


© medianauka.pl, 2020-06-11, A-3869



Udostępnij
©® Media Nauka 2008-2023 r.