+4
Для цезия Се стабильной является степень окисления +4. В этой степени окисления образуют соединения элементы Pr и Tb. Их соединения являются сильными окислителями.
2СеО2 + 8HCl = 2CeCl3 + Cl2 + 4H2O
Эта реакция подтверждает окислительные свойства.
Химия Се4+ подобна химии Zr и Hf.
Для СеО2 характерны амфотерные свойства, это подтверждают реакции.
CeO2 + 2NaOH = Na2CeO3 + H2O
CeO2 + 4HNO3 = Ce(NO3)4 + 2H2O
Также в этой степени окисления образуются комплексные соединения. Например, (NH4)2[Ce(NO3)6] и
CeF4 + 2KF = K2[CeF6]
+2
Для Sm, Eu, Tb свойственны соединения в степени окисления +2. По свойствам они напоминают соединения Са: ЭО, Э(ОН)2, ЭSO4.
В химическом отношении соединения в степени окисления +2 являются восстановителями.
4Э(ОН)2 + О2 + 2Н2О = 4Э(ОН)3
Комплексные соединения не характерны.
Актиноиды.
Семейство актиноидов относится к 5f-элементам. Большинство актиноидов было получено искусственным путем. Все эти элементы являются радиоактивными.
Семейство актиноидов также делят на две подгруппы:
семейство тория - Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm
семейство берклия – Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr.
Семейство тория в равной степени относится к d и к f-элементам. В связи с этим им свойственно проявлять переменную валентность от +3 до +7, а для Pu, Np получены соединения в степени окисления +8. По соответствующим степеням окисления химия элементов подгруппы тория подобна d-элементам подгрупп Ti, V, Cr, Mn. Стабильными степенями окисления являются: для Th - +4, для Pa - +5, для U - +6, для Np - +7, для Pu - +7, для Am - +6, для Cm - +4.
В семействе Bk все элементы, кроме самого Вk, стабильны в степени окисления +3. В химическом отношении это семейство подобно лантаноидам.
Несмотря на большие количества в природе Th и U, эти элементы являются рассеянными элементами. Ра относится к редким элементам.
|
|
Th и U образуют отдельные минералы: ThSiО4, ураниты - соединения с ионом [UO2]2+ (уранил-ион).
Остальные элементы в природе не содержатся, были получены искусственным путем. Все они радиоактивны с различными периодами полураспада. Например, для U период полураспада 1016 лет, а для Cf – 1 год, для No – 1500 сек.
Прослеживается закономерность: чем тяжелее ядро, тем быстрее идет его распад. Количества полученных изотопов колеблется от 1г (Am, Cm) до нескольких штук (Md, Fm). Поэтому химия этих элементов изучена слабо.
Физические свойства.
Элементы подгруппы тория – это серебристо-белые металлы с высокой плотностью и с относительно высокими температурами кипения и плавления. Например, плотность Cm 13,5 г/см3.
Химические свойства.
В химическом отношении актиноиды являются активными металлами. Легко соединяются с кислородом и с азотом воздуха. При горении на воздухе идут реакции:
Th + O2 = ThO2 и 3Th + 2N2 = Th3N4
4Pa + 5O2 = 2Pa2O5 и 6Pa + 5N2 = Pa3N5
3U + 4O2 = U3O8 (UO2 + 2UO3)
Особая способность этих элементов – это взаимодействие с водородом, в результате которого образуются гидриды, т.е. вещества поглощают водород и частично взаимодействуют с ним.
В ряду напряжений актиноиды стоят левее водорода, поэтому выделяют водород из обычных минеральных кислот и растворяются в воде, разлагая ее.
Э + nH+ → Эn+ + H2
Актиноиды образуют комплексные соединения анионного типа с кислородсодержащими кислотными остатками.
На основании химических свойств, можно объяснить тот факт, что получают актиноиды электролизом расплава:
|
|
1. K[ЭF5];
2. Восстанавливают из расплава барием, калием, натрием:
ЭF4 + 2Ba = Э + 2BaF2, лучше использовать барий, т.к. фторид бария является труднорастворимой солью.
3. термическим разложением:
2PaCl5 
5Cl2 + 2Pa
Торий применяют как легирующую добавку к сталям, которые обладают высокой жаропрочностью и коррозионной устойчивостью. Актиноиды так же применяют в атомной энергетике.
Соединения актиноидов.
+3
Это соединения состава: Э2О3, Э(ОН)3, ЭХ3·nН2О. Соответствующие оксиды и гидроксиды малорастворимы и проявляют основные свойства. Они легко растворяются в кислотах (искл. фосфорная и плавиковая кислоты):
Э(ОН)3, + Н+ = [ Э(Н2О)n]3+ + H2, где n = 6, …, 12
В химическом отношении Th, Pa, Np, для которых стабильны степени окисления +4, +5, +6, +7 соответственно, являются сильными восстановителями. Например, соединения U3+:
+4
Эта степень окисления наиболее стабильна для тория и протактиния. Их химия подобна химии Ti4+, Zr4+, Hf4+.
При горении на воздухе идут процессы:
Th + O2 = ThO2
3Th + 2N2 = Th3N4
ThO2 – белого цвета
UO2 – коричневого цвета
BkO2 – черного цвета
Появление окраски объясняется возможностью f-f перехода.
Э(ОН)4 в отличии от элементов подгруппы Ti обладают основными свойствами. Это труднорастворимые соединения, студенистые осадки.
Наиболее широко применяются соединения тория. Хлорид тория получают:
ThO2 + 2Cl2 + C = ThCl4 + CO2
ThCl4 является исходной солью для получения других соединений тория:
Th(NO3)4·12H2O, фактически это комплексная соль [Th(H2O)12](NO3)4 и другие.
Ра+4, U+4, Am+4 в химическом отношении являются сильными окислителями. Это подтверждается реакциями:
|
|
2AmO2 + 8HCl = Cl2 + 2AmCl3 + 4H2O
легко идет реакция с азотной кислотой:
3UO2 + 8HNO3 = 3UO2(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Таким образом, в зависимости от характерных стабильных степеней окисления, актиноиды могут проявлять окислительные и восстановительные свойства.
+5
Эта степень окисления наиболее характерна для Ра, также стабильны соединения Np+5.
Образуют оксиды Pa2O5, Np2O5. Химия этих элементов подобна химии элементов подгруппы ванадия, для которых тоже характерной степенью окисления является +5.