f-Элементы

(лантаноиды 58—71 и актиноиды 90—103). У лантаноидов пополняется электронами 4f-подуровень, а у актиноидов 5f-подуровень, т. е. в их атомах происходит заполнение (n — 2) f-оболочек (третьего снаружи квантового уровня). На внешнем уровне у них имеется 2 электрона ( — у лантаноидов и — у актиноидов); на предпоследнем уровне 8( — у лантаноидов и — у актиноидов) или реже 9( — у лантаноидов и — у актиноидов). Всего этих элементов 28 (14 лантаноидов и 14 актиноидов).

В табл. 24 показано заполнение 4f-подуровня у лантаноидов и 5f-подуровня у актиноидов.

У лантаноидов и актиноидов валентными являются 2 электрона s-подуровня внешнего уровня, 1 электрон d-подуровня соседнего с наружным квантовым уровнем и для некоторых из них ограниченное число f-электронов (табл. 25).

Для лантаноидов характерна валентность и степень окисления +3. Но Ce, Pr, Tb (и Dy) в некоторых соединениях проявляют степень окисления +4, так как кроме двух электронов с внешнего s-подуровня, отдают с 4f-подуровня еще два электрона. Следовательно, f-электроны 4-ого квантового уровня у них являются лабильными.

Таблица 24. Лантаноиды

Актиноиды

Элементы Sm, Eu, (Tu) и Yb в зависимости от условий могут проявлять степень окисления +2 отдавая 2 электрона с внешнего s-подуровня, или степень окисления +3, отдавая 2 электрона с внешнего s- подуровня и 1 электрон с 4f-подуровня.

У Gd и Lu на внешнем квантовом уровне (s-подуровне) по 2 электрона, на предпоследнем квантовом уровне (8+1) электронов, а на f-подуровне по 7 и 14 электронов, этим объясняется, что их единственная степень окисления равна +3.

Актиноиды проявляют различную валентность и степень окисления от +2 до +6.

Однако с увеличением порядкового номера характерная степень окисления вначале повышается от +4 до +6 а затем становится характерной +3 как и у лантаноидов.

Подробные данные о степени окисления и валентности лантаноидов и актиноидов приведены в табл. 14 и 25.

Вступающие на f-подуровень первые электроны могут еще быть валентными (особенно у актиноидов), затем по мере его заполнения они становятся неактивными. При этом конфигурация с семью f-электронами наполовину заполненная) обладает особой прочностью.

Таблица 25. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням у некоторых f-элементов

Продолжение табл. 25

Продолжение табл. 25

Сверх семи первые f-электроны снова еще могут быть валентными, но по мере их увеличения становятся недеятельными. Электронная структура с электронами (целиком заполненная f-группа) снова обладает особой прочностью. Поэтому гадолиний , лютеций и кюрий обладают особой устойчивостью в 3-валентном состоянии.

Лантаноиды отличаются высокой химической активностью. Как у лантаноидов, так и у актиноидов восстановительная активность по мере роста заряда ядра (и уменьшения радиуса атома) ослабевает. В этом же направлении уменьшается оснцвной характер оксидов и гидроксидов. Причем у актиноидов эти свойства выражены ярче.

В атомах актиноидов заполняется 5f-подуровень и, следовательно, отстоит от ядра дальше, чем в атомах лантаноидов 4f-подуровень. Поэтому связь электронов 5f-подуровня с ядром слабее и они могут проявлять роль валентных электронов. По своим свойствам актиноиды, подобно лантаноидам, похожи друг на друга, но их различие между собой проявляется в большей степени.

Актиноиды должны быть более сильными восстановителями, нежели лантаноиды. Таким образом, у лантаноидов и актиноидов на наружном и втором снаружи квантовом уровне имеется почти одинаковое число электронов, чем и объясняется сходство свойств этих семейств. Кроме того, лантаноиды и актиноиды следует рассматривать как 14 подгрупп сходных элементов (один лантаноид и один актиноид), так как у них электронная структура трех наружных слоев почти идентична.