Актиноиды

Актиноиды, актиниды, семейство из 14 химических элементов с атомными номерами Z 90-103, расположенных в 7 периоде системы Менделеева за актинием Ас и относящихся, как и актиний, к III группе системы. К Актиноидам принадлежат: торий Th (Z = 90), протактиний Ра (91), уран U (92), нептуний Np (93), плутоний Pu (94), америций Am (95), кюрий Cm(96), берклий Bk (97), калифорний Cf (98), эйнштейний Es (99), фермий Fm (100), менделевий Md (101), нобелий No (102) и лоуренсий Lr (103). Все Актиноиды радиоактивны, то есть не имеют стабильных изотопов. Th, Pa и U принадлежат к естественно-радиоактивным элементам, встречающимся в природе, и открытым ранее других Актиноидов. Остальные Актиноиды, часто называемые трансурановыми элементами, получены в 1940-63 искусственным путем при помощи ядерных реакций. Из них только Np и Pu обнаружены в ничтожно малых количествах в некоторых радиоактивных рудах, более "тяжелые" Актиноиды (т. е. Актиноиды с большими атомными номерами) в природе не найдены. Огромная заслуга в изучении Актиноидов принадлежит американскому химику Г. Т. Сиборгу, который выдвинул гипотезу о существовании группы Актиноидов (1942) и под руководством или при участии которого было впервые синтезировано девять Актиноидов. Выделение Актиноидов в специальное семейство связано со схожестью химических свойств этих элементов между собой и с актинием, что объясняется сходным строением наружных электронных оболочек их атомов (см. ниже).

Название Актиноиды (от актиний и греч. eidos - вид) означает - подобные актинию. Оно дано Актиноидам по аналогии с лантаноидами - семейством из 14 элементов, также относящихся к III группе системы Менделеева и следующих в шестом периоде за лантаном. Свойства элементов обоих семейств во многом сходны друг с другом.

Близость химических свойств Актиноидов между собой и их сходство с лантаноидами связаны с особенностями строения электронных оболочек атомов этих семейств. Как известно, атом состоит из ядра и электронных оболочек, число которых равно номеру периода элемента в таблице Менделеева (у Актиноидов электронных оболочек 7). Отличие Актиноидов (и соответственно лантаноидов) от других элементов состоит в том, что при переходе от первого Актиноида - Th (Z = 90) ко второму - Ра (Z = 91) и т. д. вплоть до последнего Актиноида - Lr (Z = 103), каждый новый электрон, появляющийся в атомах параллельно с увеличением атомного номера (Z), попадает не на внешние оболочки (6-ю и 7-ю от ядра), как это бывает обычно, а заполняет более близкую к ядру 5-ю оболочку. У лантаноидов (число оболочек 6) также заполняется электронами более близкая к ядру 4-я оболочка (а не наружные - 5-я и 6-я). Таким образом, у элементов обоих семейств происходит заполнение 3-й снаружи электронной оболочки, а строение 2 наружных оболочек оказывается сходным. Число электронов на этих наружных оболочках у Актиноидов и лантаноидов, как правило, не отличается более чем на 1, причем почти во всех случаях представители каждого из семейств, равноудаленные соответственно от лантана и актиния, содержат на 2 наружных оболочках строго одинаковое число электронов. (Здесь изложен лишь принцип заполнения электронных оболочек у атомов обоих семейств; во многих случаях, особенно у Актиноидов, порядок заполнения сложнее. Электронные конфигурации атомов Актиноиды даны в таблице.

То обстоятельство, что при переходе от Th к Lr число электронов на 2 внешних оболочках, как правило, не изменяется, а положительный заряд ядра постепенно возрастает, вызывает более сильное притяжение внешних электронов к ядру и приводит к так называемому актиноидному сжатию: у нейтральных атомов и ионов Актиноидов одинаковой валентности при увеличении атомного номера радиусы не увеличиваются, как это обычно бывает, а даже несколько уменьшаются (например, радиус U³⁺ равен 1,03 Å, Np³⁺ - 1.01 Å, Pu³⁺ - 1,00 Å, Am³⁺- 0,99 Å и т. д.).

Химические свойства элемента зависят в основном от числа электронов на наружных слоях и размера атомных и ионных радиусов, поэтому не удивительно, что во-первых, свойства Актиноидов близки между собой, и, во-вторых, химическое поведение Актиноидов и лантаноидов обладает большим сходством. Это сходство особенно заметно тогда, когда элементы находятся в одинаковом валентном состоянии. Так, 3-валентные Актиноиды образуют те же нерастворимые соединения (гидрооксиды, фториды, карбонаты, оксалаты и др.), что и 3-валентные лантаноиды; трифториды, трихлориды и другие аналогичные соединения 3-валентных Актиноидов образуют изоструктурные ряды [другими словами, соединения, входящие в такие ряды, например в ряд MeCl₃, где Me - атом Актиноидов, обладают сходными кристаллическими решетками, параметры которых постепенно уменьшаются по мере роста атомного номера (Z) атома Актиноидов]. Такие же изоструктурные ряды образуют оксиды (IV), тетрафториды, гексафториды и другие соединения Актиноидов. По склонности к гидролизу соединения 5-валентных Актиноидов, например пентахлориды, очень близки между собой. В растворах 6-валентные Актиноиды существуют в виде МеО₂²⁺-ионов и т. д. Приведенные примеры далеко не исчерпывают всех случаев сходства Актиноидов, но и на них можно убедиться в его наличии.

Однако, кроме общих черт, между Актиноидами и лантаноидами имеется и существенная разница. Так, Актиноиды часто образуют соединения в состояниях окисления, значительно более высоких, чем +3, что не характерно для лантаноидов. В своих соединениях Актиноиды проявляют следующие валентности: Th (3, 4), Pa (3, 4, 5), U (3, 4, 5, 6), Np (3, 4, 5, 6, 7), Pu (3,4,5, 6, 7), Am (3, 4, 5, 6), Cm (3, 4), Bk (3,4), Cf (2, 3), Es (3), Fm (3), Md (2, 3), No (2, 3). Таким образом, валентность З характерна для Актиноидов только после Am. Первые члены семейства Актиноидов (Th, Pa и U) в своих соединениях чаще бывают соответственно 4-, 5- и 6-валентными. Актиноиды в большей степени, чем лантаноиды, склонны к комплексообразованию. Указанные особенности Актиноидов объясняются тем, что "вновь пришедшие" на 5-ю от ядра оболочку электроны (так называемые 5f-электроны или электроны 5f-подуровня) по энергии связи с ядром очень близки к электронам 6-й оболочки (так называемым 6d-электронам или электронам 6d-подуровня); эти 6d-электроны и могут проявлять себя как дополнительные валентные (см. табл.). У лантаноидов же "вновь пришедшие" 4f-электроны всегда связаны с ядром значительно прочнее, чем 5d-электроны.

Электронные конфигурации атомов актиноидов
Элемент	Число электронов на некоторых подуровнях
	5-й оболочки				6-й оболочки			7-й оболочки
	s	p	d	f	s	p	d	s
Th	2	6	10	0	2	6	2	2
Ра	2	6	10	2	2	6	1	2
U	2	6	10	3	2	6	1	2
Np	2	6	10	4	2	6	1	2
Pu	2	6	10	6	2	6	0	2
Am	2	6	10	7	2	6	0	2
Cm	2	6	10	7	2	6	1	2
Bk	2	6	10	8	2	6	1	2
Cf	2	6	10	9	2	6	1	2
Es	2	6	10	11	2	6	0	2
Fm	2	6	10	12	2	6	0	2
Md	2	6	10	13	2	6	0	2
No	2	6	10	14	2	6	0	2
Lr	2	6	10	14	2	6	1	2

в основном, от ионного радиуса элементов, причем можно подобрать такие условия, что быстрее всего колонку покинут ионы с наименьшими радиусами. Так как радиусы ионов от Th к Lr постепенно уменьшаются, то выход ионов Актиноидов будет происходить в последовательности, обратной их атомным номерам Z. Порядок в выходе Актиноидов выполняется столь строго, что дает возможность по наличию радиоактивных атомов в той или иной порции раствора, прошедшего через колонку, сделать вывод, какие именно элементы присутствуют в смеси, и точно определить их порядковые номера. Метод обладает высокой избирательностью, требует небольших затрат времени и пригоден даже тогда, когда в наличии имеется лишь несколько атомов элемента. Он был использован, в частности, при открытии Bk, Cf, Es, Fm и Md.

Из всех Актиноидов к настоящему времени практическое применение находят главным образом Th, U и Рu. Изотопы ²³³U, ²³⁵U и ²³⁹Рu служат как ядерное горючее в атомных реакторах и играют роль взрывчатого вещества в атомных бомбах. Некоторые изотопы Актиноидов (²³⁸Pu, ²⁴²Cm и другие), испускающие α-частицы высокой энергии, могут служить для создания источников тока со сроком службы до 10 лет и более, необходимых, например, для питания навигационной радиоаппаратуры спутников. В таких источниках тока тепловая энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде, при помощи специальных устройств преобразуется в электрический ток. Изучение свойств Актиноидов имеет большое теоретическое значение, так как позволяет расширить знания о свойствах атомных ядер, химическом поведении элементов и т. д.

Актиноиды, Атомная масса, Атомные единицы массы, Атомные радиусы, Атомный номер, Благородные металлы, Галогены, Инертные газы, Неметаллы, Лантаноиды, Периодический закон, Переходные элементы, Платиновые металлы, Редкоземельные элементы, Щелочноземельные металлы, Щелочные металлы, Элементы химические, Актиноиды.