Logo Media Nauka

Facebook

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?

lantanowce
Lantan © Björn Wylezich - stock.adobe.com

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 rożnych 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.


© medianauka.pl, 2020-06-11, ART-3869

 




Ostatnio opublikowane w Pytajniku ...

Czy wirusy to istoty żywe?
Czy wirusy to istoty żywe?

Mnożą się, są zbudowane z białek, mają własny kod genetyczny, wywołują groźne choroby, często niebezpieczne dla życia. Czym są wirusy i czy to w ogóle istoty żywe?

Jakie zwierzęta są najbardziej wytrzymałe?
Jakie zwierzęta są najbardziej wytrzymałe?

W jak ekstremalnych warunkach może żyć organizm zwierzęcia? Czy jakiekolwiek zwierzę może przeżyć w ekstremalnie niskich lub wysokich temperaturach? Odpowiedź może zaskoczyć.

Czy można żyć wiecznie?
Czy można żyć wiecznie?

Czy śmierć jest nieodzownym elementem każdego organizmu, podobnie jak jego narodziny? Czy istnieją na Ziemi organizmy, które nie umierają i mogą żyć wiecznie?



Zobacz też

Układ okresowy pierwiastkówUkład okresowy pierwiastków
Układ okresowy pierwiastków - dynamiczna tablica Mendelejewa.
LantanLantan
Lantan (Li) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 57, srebrzystobiały metal ziem rzadkich, rozpoczynający grupę lantanowców.
CerCer
Cer (Ce) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 58, metal ziem rzadkich z grupy lantanowców.
PrazeodymPrazeodym
Prazeodym (Pr) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 59, metal ziem rzadkich z szeregu lantanowców.
NeoodymNeoodym
Neodym (Nd) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 60, metal ziem rzadkich z szeregu lantanowców. Pierwiastek ten znany jest powszechnie ze swoich właściwości magnetycznych.
PrometPromet
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.
SamarSamar
Samar (Sm) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 62 z szeregu lantanowców.
EuropEurop
Europ (Eu) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 63 z szeregu lantanowców.
GadolinGadolin
Gadolin (Gd) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 64, należący do szeregu lantanowców.
TerbTerb
Terb (Tb) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 65 z szeregu lantanowców.
DysprozDysproz
Dysproz (Dy) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 66 z szeregu lantanowców.
HolmHolm
Holm (Ho) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 67 z szeregu lantanowców.
ErbErb
Erb (Er) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 68 z szeregu lantanowców.
TulTul
Tul (Tm) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 69 z szeregu lantanowców. Jest najrzadszym lantanowcem na Ziemi.
IterbIterb
Iterb (Yb) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 70 z szeregu lantanowców.
LutetLutet
Lutet (Lu) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 71, ostatni pierwiastek z szeregu lantanowców.
Fizyka kwantowaFizyka 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 elektronowaKonfiguracja elektronowa
Zasady opisu konfiguracji elektronowej. Pojęcie powłoki, podpowłoki i orbitalu.
AktynAktyn
Aktyn (Ac) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 89, rozpoczynający szereg aktynowców.
TorTor
Tor (Th) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 90, należący do aktynowców.
ProaktynProaktyn
Proaktyn (Pa) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 91 z szeregu aktynowców.
UranUran
Uran (U) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 92, należący do szeregu aktynowców.
neptunneptun
Neptun (Np) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 93, należący do szeregu aktynowców. Należy do transuranowców.
plutonpluton
Pluton (Pu) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 94, należący do aktynowców i transuranowców.
amerykameryk
Ameryk (Am) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 95, należący do aktynowców.
kiurkiur
Kiur (Cm) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 96, należący do aktynowców.
berkelberkel
Berkel (Bk) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 97, należący do aktynowców.
kalifornkaliforn
Kaliforn (Cf) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 98, należący do aktynowców.
einsteineinstein
Einstein (Es) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 99.
FermFerm
Ferm (Fm) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 100, należący do aktynowców.
MendelewMendelew
Mendelew (Md) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 101, należący do aktynowców.
NobelNobel
Nobel (No) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 102, należący do aktynowców.
LorensLorens
Lorens (Lr) to promieniotwórczy pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 103, należący do aktynowców.



Polecamy w naszym sklepie

laboratorium w szufladzie Fizyka
Astronomia ogólna
W STRONĘ NIEBA INTERAKTYWNA SZKOŁA ASTRONOMII
Fizyka wokół nas
Astronomia
Niektóre treści nie są dostosowane do Twojego profilu. Jeżeli jesteś pełnoletni możesz wyrazić zgodę na przetwarzanie swoich danych osobowych. W ten sposób będziesz miał także wpływ na rozwój naszego serwisu.
© ® Media Nauka 2008-2020 r.