Соединения d-элементов с легкими неметаллами

Из огромного числа соединений d-элементов рассмотрим лишь те, которые образуются при взаимодействии металлов с легкими неметаллами – водородом, азотом, кислородом, кремнием, углеродом и бором. Гидриды d-элементов – темные порошки или хрупкие кристаллы с высокой электро- и теплопроводностью. В большинстве своем это соединения переменного состава с общей формулой MH_1–x, MH_3–x, где x меняется в широких пределах. Синтез гидридов IIIB–VB подгрупп сопровождается значительным выделением тепла. Металлы VIВ–VIIIВ подгрупп образуют с водородом только твердые растворы с небольшим экзотермическим эффектом растворения. Исключение составляет Pd, для которого известно соединение PdH_0,59–0,60 (Pd₄H₃).

Металлоподобные гидриды используются как восстановители, катализаторы, накопители водорода и для получения мелкодисперсных порошков металлов.

Оксиды d-элементов – твердые кристаллические вещества (исключение составляют некоторые оксиды высших степеней окисления: OsO₄ – летучие кристалы, t_кип = 130 °C, Mn₂O₇ – жидкость).

Среди твердых оксидов много соединений переменного состава. Например, для Mn это MnO_1,0–1,5, для Fe – FeO_1,04–1,12.

Известны гомологические ряды кислородных соединений d-элементов Ti_nO_2n–1, V_nO_2n–1, W_nO_2n–1, где n меняется от 4 до 10.

Способность d-элементов образовывать соединения переменного состава приводит к тому, что в пределах одной системы металл–кислород свойства оксидов варьируются в широких пределах. Например, в системе Ti–O фазы TiO_0,88–TiO_1,12 обладают металлическими электропроводностью и блеском: при повышении температуры их электропроводность понижается.

Фазы TiO_1,5–Ti₃O₅ и оксиды гомологического ряда Ti_nO_2n–1 являются полупроводниками, а TiO₂ – типичный диэлектрик. Это свидетельствует об изменении природы химической связи: в ряду Ti₂O₃ – Ti₃O₅ – Ti₅O₉ – Ti₁₀O₁₉ – TiO₂ связь меняется от металлической до почти ковалентной.

Окислительно-восстановительные свойства соединений d-элементов подобны таковым для соединений главных подгрупп: высшие оксиды – окислители, низшие – восстановители, промежуточные проявляют окислительно-восстановительную двойственность.

В соответствии с кислотно-основными свойствами гидроксидов d-элементов, которые были рассмотрены ранее, низшие оксиды обычно проявляют основные свойства, высшие – кислотные свойства, а промежуточные нередко бывают амфотерными. Например, MnO является основным оксидом (Mn(OH)₂, MnCl₂ и т. д.), Cr₂O₃ и MnO₂ – амфотерны (CrCl₃ и KCrO₂ – хромит, MnCl₄ и CaMnO₃ – манганит), а для CrO₃ и Mn₂O₇ характерны исключительно кислотные свойства (K₂CrO₄ – хромат, KMnO₄ – перманганат).

Кислородные соединения d-элементов представляют большой практический интерес, так как получение свободных металлов часто осуществляется через их оксиды. Многие оксиды – тугоплавкие вещества. Из оксида циркония (T_пл = 2550 ºC) изготовляют жаропрочные изделия: тигли, трубки, футеровку высокотемпературных печей. Среди высших оксидов встречаются диэлектрики, полупроводники и твердые электролиты. Некоторые сложные комбинации оксидов d-элементов применяются как ферромагнетики, выгодно отличающиеся от ферромагнитных сплавов металлов гораздо меньшей электропроводностью.

Бориды, нитриды, карбиды и силициды получаются при термическом взаимодействии металлов с бором, углеродом, азотом и кремнием. Это металлоподобные соединениея внедрения. Они имеют переменный состав. Их формулы принято писать в виде: TaC_1,0–0,40; ZrC_1,00–0,56; NbC_0,94–0,79; TiC_1,00–0,60; TiN_1,00–0,45; VC_1,00–0,59. Все эти соединения находят широкое применение в технике благодаря своей высокой тугоплавкости (конструкционные материалы в ракетной технике, абразивы – сплавы типа «победит»). Некоторые соединения – катализаторы и сверхпроводники (NbC, TaN, MoC, NbN, WC). Их химическая инертность используется для изготовления химической аппаратуры. Обработка поверхности металла метаном, бороводородами, аммиаком, позволяющая создать карбидный, боридный или нитридный слой, повышает коррозионную стойкость и механическую прочность изделия.

F-Элементы

f-Элементы делятся на лантаноиды и актиноиды.

Лантаноиды. Семейство из 14 элементов (4f-элементы), следующих за La, общий символ Ln. Электронные конфигурации Ln отражают внутреннюю периодичность, проявляющуюся в некоторых свойствах Ln³⁺, у которых 4f-орбитали заполняются сначала по одному (подсемейство церия: Ce – Gd), а потом по второму электрону (подсемейство тербия: Tb – Lu). Уменьшение атомных и ионных радиусов приводит к лантаноидному сжатию, вследствие которого элементы, следующие за Lu, по своим свойствам оказываются очень похожими на своих предшественников по группам (Zr и Hf, Nb и Ta, Mo и W, Tc и Re). Cеребристо-белые металлы, тускнеющие во влажном воздухе, при нагревании разлагают воду, взаимодействуют со всеми кислотами (кроме H₃PO₄ и HF), образуя преимущественно ионы Ln³⁺, другие степени окисления свойственны Ce, Pr, Tb, Dy (4+), Sm, Eu, Tm, Yb (2+). С H, B, C, N, O, халькогенами, галогенами образуют вполне устойчивые соединения. По химическим свойствам достаточно схожи, разделяют ионообменной хроматографией и экстракцией. Разделенные Ln³⁺ используют для получения химических соединений с нужными люминесцентными, спектроскопическими и магнитными свойствами, изготовления неодимовых стекол (лазеры), люминесцентных преобразователей (приборы ночного видения), изготовления постоянных магнитов (SmCo⁵). Основная доля используется в виде смесей металлов или оксидов и других соединений с природным содержанием Ln для изготовления катализаторов, легирующих добавок в металлургии, полировочных паст, аккумуляторов газообразного водорода (LnNi₅) и др.

Актиноиды. Семейство из 14 элементов, следующих за Ac, (5f-семейство), общий символ An. Первые три – Th, Pa, U – встречаются в природе, их наиболее долгоживущие изотопы – ₂₃₂Th (T_1/2 = 1,4·10¹⁰ лет), ₂₃₁Pa (T_1/2 = 3,43·10⁴ лет), ₂₃₈U (T_1/2 = 4,5·10⁹ лет). Остальные An были получены ядерным синтезом в лабораториях США и России, все радиоактивны. Делятся на два подсемейства Th – Cm (цискюриды) и Bk – Lr (транскюриды). Первое подсемейство во многом отличается от соответствующих лантаноидов, проявляя помимо An³⁺ и более высокие степени окисления An⁴⁺ (Th, Pa, Am, Cm), An^{4+, 5+, 6+} (U, Np, Pu) и даже Pu⁷⁺. Второе подсемейство по химическим свойствам ближе к соответствующим лантаноидам, хотя для менделевия известны соединения Md¹⁺, а для лоуренсия – Lr⁴⁺.

В свободном состоянии лантаноиды – весьма активные металлы. В ряду напряжений они находятся значительно левее водорода (электродные потенциалы лантаноидов составляют около –2,4 В). Поэтому все лантаноиды взаимодействуют с водой с выделением водорода:

Соединения лантаноидов со степенью окисления IV проявляют окислительные свойства (Ce, Tb):

а соединения со степенью окисления II (Eu, Sm, Yb) – восстановительные, причем окисляются даже водой:

 

Лантаноиды очень реакционноспособны и легко взаимодействуют со многими элементами периодической системы: в кислороде сгорают при 200–400 °С с образованием Э₂O₃, а в атмосфере азота при 750–1000 °С образуют нитриды. Церий в порошкообразном состоянии легко воспламеняется на воздухе, поэтому его используют при изготовлении кремней для зажигалок. Лантаноиды взаимодействуют с галогенами, серой, углеродом, кремнием и фосфором. Химическая активность элементов в ряду Ce–Lu несколько уменьшается из-за уменьшения их радиусов. С водородом лантаноиды образуют солеобразные гидриды ЭH₂ и ЭH₃, которые по свойствам более близки к гидридам щелочно-земельных металлов, чем к гидридам d-элементов. С кислородом все лантаноиды образуют оксиды типа Э₂O₃, являющиеся химически и термически устойчивыми; так, La₂O₃ плавится при температуре 2000 °С, а CeO₂ – около 2500 °С. Самарий, европий и иттербий, кроме оксидов Э₂O₃, образуют также монооксиды EuO, SmO, YbO. Церий легко образует оксид CeO₂. Оксиды лантаноидов в воде нерастворимы, но энергично ее присоединяют с образованием гидроксидов:

Гидроксиды лантаноидов по силе уступают лишь гидроксидам щелочно-земельных металлов. Лантаноидное сжатие приводит к уменьшению ионности связи Э–ОН и уменьшению основности в ряду Ce(OH)₃ – Lu(OH)₃.

Лантаноиды используют в металлургии для легирования сталей, что повышает прочность, жаростойкость и коррозийную устойчивость последних. Такие стали применяют для изготовления деталей сверхзвуковых самолетов и оболочек искусственных спутников Земли.

Добавление оксида лантана в стекла повышает их показатель преломления (так называемая лантаноидная оптика). Радиационно-оптическую устойчивость стекол повышает CeO₂. Стекла с неодимом используются в оптических квантовых генераторах. Оксиды гадолиния, самария и европия входят в состав защитных керамических покрытий от тепловых нейтронов в ядерных реакторах. Соединения лантаноидов используются в качестве катализаторов. Способность их соединяться с атмосферными газами используется для создания высокого вакуума.

Отличия актиноидов и лантаноидов обусловлены тем, что у актиноидов энергетические уровни 5f и 6d стабилизируются по мере возрастания атомного ядра несколько иным способом, чем у лантаноидов: у легких актиноидов более устойчивы 6d-орбитали, а у тяжелых – 5f (рис. 8.16).

Для элементов с атомными номерами 90–95 энергия 5f- и 6d-подуровней примерно одинакова. Последнее затрудняет однозначное определение электронной конфигурации элемента. Так для Np одинаково вероятны и 5f⁴6d¹7s², и 5f⁵6d⁰7s² электронные состояния.

Этим объясняются различия в химии актиноидов и лантаноидов. У элементов с атомными номерами 91–95 (Th–Am) электронные переходы происходят легко. Эти элементы поливалентны и в этом подобны d-элементам. Более того, для них степень окисления III вообще мало характерна. Получен семивалентный нептуний, уран легко может быть переведен в шестивалентное состояние, протактиний проявляет степень окисления пять, а для тория трудно получить соединения, в которых он имел бы степень окисления ниже четырех.

Однако по мере заполнения 5f-уровней электронные конфигурации атомов стабилизируются, переход 5f-электронов в 6d-состояние становится все более затрудненным. Поэтому элементы Bk–Lr, ведут себя как типичные f-элементы, а по свойствам близки к лантаноидам. Для них основной степенью окисления является III.

Поскольку наиболее долгоживущими элементами являются первые 5f-элементы (Th–Am), их химические свойства изучены лучше, а многообразие проявляемых степеней окисления в значительной мере отличает их от типичных 4f-элементов и тяжелых 5f-элементов.

С водородом актиноиды образуют гидриды переменного состава (ThH₂, Th₄H₁₅; PaH_2–2,7; AmH_2–2,7), но для урана можно получить и стехиометрический гидрид UH₃. В общем случае гидриды этих элементов термически менее устойчивы, чем гидриды 4f-элементов. С кислородом актиноиды образуют оксиды, соответствующие их наиболее устойчивым степеням окисления (ThO₂, PaO₂, Pa₂O₅, NpO₂ и др.). К исключительно сложным следует отнести систему уран–кислород. Характерными для урана являются оксиды UO₂ – UO_2,25; U₃O₈ и UO₃, из них наиболее устойчив U₃O₈ (UO₂∙2UO₃) – урановая смолка.

Отличительной особенностью кислородсодержащих соединений актиноидов в высших степенях окисления V, VI является наличие катионных группировок и или PaO₂(OH), UO₂(OH)₂. Эти группировки называются иловыми оксоионами. Например, – уранил, – протактинил. Оксоионы устойчивы и сохраняются без изменения в разнообразных химических реакциях:

 

Особая устойчивость оксоионов объясняется тем, что связь между атомами актиноида и кислорода формально можно рассматривать как тройную:

Для ионов прочность связи увеличивается в ряду Am < Pu < Np.

С галогенами актиноиды образуют многообразные галогениды ЭГ_n, где n = 3, 4, 5, 6. Фториды элементов в высших степенях окисления летучи, что позволило разделить изотопы урана ²³⁵U и ²³⁸U. Взаимодействие актиноидов с B, Si, C, N, P, S и Se приводит к образованию соединений нестехиометрического состава вследствие возможного присутствия элемента в разных степенях окисления.

Уменьшение радиусов элементов в ряду Th–Lr приводит к ослаблению основных свойств соединений.

Соединения актиноидов склонны к диспропорционированию. Например:

Свойства тяжелых 5f-элементов (Bk, Cf, Es, Md, No, Fm, Lr) изучены мало, поскольку они получены в виде короткоживущих радиоактивных изотопов в очень малых количествах. Однако есть основания полагать, что они подобны лантаноидам.

Актиноиды и их соединения используются в атомной энергетике. Торий используется как легирующая добавка в жаропрочных сталях, катализаторах при синтезе многих соединений, вакуумной электронике. Соли урана применяются как красители для стекла и глазурей, аналитические и фотографические препараты.