Лантаноиды и актиноиды

Лантаноиды (лантаниды) — семейство из 14 химических элементов, следующих за лантаном в 6-м периоде периодической таблицы, с атомными номерами от 58 (церий) до 71 (лютеций). Актиноиды (актиниды) — семейство из 14 радиоактивных элементов, следующих за актинием в 7-м периоде, с атомными номерами от 90 (торий) до 103 (лоуренсий). Оба семейства относятся к f-элементам, у которых происходит заполнение 4f- и 5f-подуровней соответственно. Вместе с лантаном и актинием они образуют две группы, традиционно выносимые под основную таблицу Менделеева.

История открытия

Лантаноиды

Первым открытым лантаноидом стал церий (1803, Й. Я. Берцелиус и В. Хизингер, независимо М. Г. Клапрот). В 1839 году К. Г. Мосандер выделил лантан, а в 1842 — дидим (смесь празеодима и неодима). Разделение дидима на чистые элементы удалось лишь в 1885 году австрийскому химику К. Ауэру фон Вельсбаху. К концу XIX века были открыты все лантаноиды, кроме прометия, который был синтезирован искусственно в 1945 году (Дж. Маринский, Л. Гленденин, Ч. Кориелл). Последним природным лантаноидом стал лютеций (1907, Ж. Урбен, К. Ауэр фон Вельсбах).

Актиноиды

Первым открытым актиноидом стал уран (1789, М. Г. Клапрот), но его радиоактивность была доказана А. Беккерелем в 1896 году. Торий открыт Й. Я. Берцелиусом в 1828 году, протактиний — в 1917 году (О. Ган, Л. Майтнер, Ф. Содди). Все актиноиды после урана (трансурановые элементы) были получены искусственно в ходе ядерных реакций. Первым из них стал нептуний (1940, Э. Макмиллан, Ф. Абельсон). Плутоний открыт в 1940 году (Г. Сиборг, Э. Макмиллан). Кюрий и америций синтезированы в 1944 году. Последний актиноид — лоуренсий (1961, группа А. Гиорсо). Элементы с номерами 95–103 получены в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) и Объединённом институте ядерных исследований в Дубне (СССР/Россия).

Положение в периодической системе

Лантаноиды и актиноиды располагаются в III группе периодической таблицы (подгруппа скандия, иттрия, лантана и актиния). Формально они являются аналогами друг друга по строению внешних электронных оболочек. У лантаноидов заполняется 4f-подуровень (от 4f¹ у церия до 4f¹⁴ у лютеция), у актиноидов — 5f-подуровень (от 5f⁰ у тория до 5f¹⁴ у лоуренсия). Валентные электроны (6s² для лантаноидов, 7s² для актиноидов) определяют их химическое сходство.

Из-за близости атомных радиусов и ионных радиусов лантаноиды (III) химически очень похожи, что затрудняет их разделение. Актиноиды демонстрируют большее разнообразие степеней окисления из-за меньшей энергии связи 5f-электронов.

Физические и химические свойства

Лантаноиды

Лантаноиды — серебристо-белые металлы, ковкие и пластичные. Их плотность возрастает от 6,15 г/см³ (лантан) до 9,84 г/см³ (лютеций). Температуры плавления варьируются от 798 °C (церий) до 1663 °C (лютеций). Все лантаноиды парамагнитны, некоторые (гадолиний, диспрозий, эрбий) обладают ферромагнитными свойствами при низких температурах.

Химически лантаноиды активны: легко окисляются на воздухе, реагируют с водой (особенно при нагревании), растворами кислот. Типичная степень окисления — +3, хотя церий может быть +4, европий и иттербий — +2. Соединения лантаноидов часто окрашены (например, ионы неодима — фиолетовые, празеодима — зелёные, эрбия — розовые).

Актиноиды

Актиноиды — радиоактивные металлы. Их физические свойства изучены хуже из-за высокой радиоактивности и короткого времени жизни многих изотопов. Уран, торий и плутоний — серебристые, плотные металлы (плотность урана — 19,1 г/см³, плутония — 19,8 г/см³). Температуры плавления: уран — 1132 °C, торий — 1750 °C, плутоний — 640 °C. Плутоний известен шестью аллотропными модификациями.

Химически актиноиды более разнообразны. Для тория характерна степень +4, для урана — +4 и +6, для нептуния и плутония — от +3 до +7. Все актиноиды образуют оксиды, гидроксиды, галогениды. Многие соединения окрашены (например, уранил-ион UO₂²⁺ — жёлтый). Актиноиды склонны к гидролизу и комплексообразованию.

Радиоактивность

Все актиноиды радиоактивны. Природные изотопы тория-232, урана-238 и урана-235 имеют периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли (4,5–14 млрд лет). Протактиний-231 и нептуний-237 встречаются в природе в следовых количествах как продукты распада урана. Трансурановые элементы (плутоний, америций, кюрий и далее) получают искусственно в ядерных реакторах или на ускорителях. Короткоживущие изотопы (периоды полураспада от секунд до лет) используются в научных исследованиях.

Лантаноиды, за исключением прометия, стабильны. Прометий-147 (период полураспада 2,62 года) встречается в природе в ничтожных количествах и получается искусственно.

Применение

Лантаноиды

Лантаноиды широко применяются в промышленности и технологиях:

• Магниты: сплавы неодима, железа и бора (NdFeB) — самые сильные постоянные магниты, используются в электродвигателях, генераторах, жёстких дисках, наушниках.
• Люминофоры: европий, тербий, иттрий (в составе оксидов) — для цветных экранов, светодиодов, люминесцентных ламп.
• Катализаторы: церий (в каталитических нейтрализаторах автомобилей), лантан (в крекинге нефти).
• Стекла и керамика: оксиды церия, лантана, неодима — для оптических стёкол, лазерных материалов, абразивов.
• Металлургия: добавки лантана, церия, мишметалла (смесь лантаноидов) улучшают свойства чугуна, стали, магниевых сплавов.
• Медицина: гадолиний — контрастное вещество для МРТ; лютеций-177 — радиоизотоп для терапии рака.

Актиноиды

Основное применение актиноидов связано с ядерной энергетикой и военными технологиями:

• Ядерное топливо: уран-235 и плутоний-239 — делящиеся изотопы для атомных электростанций и ядерного оружия. Торий-232 — перспективное сырьё для реакторов-размножителей.
• Радиоизотопные источники: плутоний-238 используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (космические аппараты, кардиостимуляторы).
• Научные исследования: америций-241 — в детекторах дыма; кюрий-244 — в нейтронных источниках.
• Медицина: актиний-225 — альфа-излучатель для таргетной терапии рака; уран-233 — экспериментальный радиоизотоп.

Добыча и производство

Лантаноиды

Основные минералы лантаноидов — монацит, бастнезит, ксенотим. Крупнейшие месторождения находятся в Китае (провинция Цзянси, Внутренняя Монголия), США (Маунтин-Пасс, Калифорния), Австралии, Бразилии, Индии. В России значительные запасы сосредоточены в Мурманской области (Ловозерский массив, Хибины) и Красноярском крае. Добыча ведётся открытым и подземным способами, руды обогащаются флотацией, затем разделяются методами ионного обмена и экстракции. Китай производит более 60% мирового объёма редкоземельных элементов.

Актиноиды

Уран добывается из руд (уранинит, карнотит) в Казахстане, Канаде, Австралии, Намибии, России (Забайкалье, Курганская область). Торий — из монацитовых песков. Трансурановые элементы получают в ядерных реакторах: плутоний-239 — путём облучения урана-238 нейтронами; америций и кюрий — из плутония. Разделение актиноидов осуществляется методами экстракции (PUREX-процесс) и ионного обмена.

Экологические и радиационные аспекты

Добыча и переработка лантаноидов связаны с образованием радиоактивных отходов (монацит содержит торий и уран). В Китае это привело к загрязнению почв и вод в районах добычи. Производство актиноидов несёт риски ядерной безопасности: аварии на АЭС (Чернобыль, 1986; Фукусима-1, 2011), утечки радиоактивных материалов, проблема захоронения отработанного ядерного топлива. В России действуют федеральные программы по обращению с радиоактивными отходами (ФГУП «РАДОН», ПО «Маяк»).

Интересные факты

• Лантаноиды называют «редкоземельными элементами», хотя церий распространён больше, чем свинец, а неодим — больше, чем кобальт. Термин отражает трудность их разделения, а не редкость.
• Прометий — единственный лантаноид без стабильных изотопов; его назвали в честь Прометея, похитившего огонь у богов.
• Плутоний-239 используется в ядерных боеголовках; его критическая масса — около 10 кг.
• Уран-235 — единственный природный делящийся изотоп; его доля в природном уране — 0,72%.
• В 2020 году российские учёные из Объединённого института ядерных исследований в Дубне синтезировали новый изотоп лоуренсия-252.

Источники

• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
• Сиборг Г. Трансурановые элементы. — М.: Атомиздат, 1965.
• «Редкоземельные элементы: сырьевая база, технологии, рынок» / под ред. В. В. Иванова. — М.: Изд-во МГУ, 2015.
• Данные Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), 2023.
• Материалы Министерства природных ресурсов и экологии РФ, 2022.