4 Властивості елементів підгрупи Скандію

Побічну підгрупу III групи періодичної системи складають елементи Sc - Скандій, Y - Ітрій, La - Лантан, Ас - Актиній.

Елементи, що стоять після Лантану з порядковими номерами від 58 до 71, дуже подібні за своїми властивостями, оскільки відрізняються один від одного поступовим збільшенням електронів на f - підрівні від 1 до 14, тоді як на двох останніх підрівнях у них знаходиться однакова кількість електронів, f - елементи від Лантану до Лютецію називають лантаноїдами, а разом із Скандієм та Ітрієм - рідкоземельними металами. Окремих мінералів елементи підгрупи Скандію не мають, а знаходяться в природі у вигляді твердих розчинів сполук різних металів. Мінерал монацит, що складається з церій, лантан, ітрій фосфатів тощо, є основною сировиною для одержання металів - лантаноїдів.

З електронної будови атома елемента Скандію (3s²3p⁶3d¹4s²) видно, що він має три валентні електрони (1 на d- і 2 на s- підрівні), тому в своїх сполуках Скандій та його аналоги проявляють ступінь окиснення + 3.

У вигляді простих речовин вони є металами. При нагріванні реагують з більшістю неметалів, а при сплавленні з металами. У ряду Sc -Y - La - Ac хімічна активність суттєво зростає. Скандій з водою не реагує, а лантан за звичайних умов розкладає воду:

2La + 6Н₂О = 2La(OH)₃ + 3Н₂.

При температурі 450^оС лантан за наявності кисню утворює оксид La₂О₃, а за наявності азоту - нітрид.

Слабкі амфотерні властивості має тільки скандій:

Sc₂О₃ + 2NаОН = 2NаScО₂ +Н₂О.

Скандій та його аналоги легко взаємодіють з кислотами:

8Sc + 30HNO₃ = 8Sc(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O.

Чотирнадцять f - елементів, що стоять після Лантану в періодичній системі називають лантаноїдами. Вони розділені на підгрупи Цербію та Тербію за характером заповнення f – підрівня. Їх властивості обумовлені 5d - та 6s - електронами. Тому велика схожість спостерігається з підгрупою Скандію. Від елементів 58 до 71 радіуси атомів зменшуються. Ефект отримав назву лантаноїдного стиску.

У вигляді простих речовин лантаноїди - сріблясто-білі метали, добре куються.

За хімічною активністю поступаються тільки лужним та лужноземельним металам. На повітрі метали швидко стають темними та при температурах від 200 до 400^оС спалахують, утворюючи суміші оксидів з нітридами. Характерні ступені окиснення +3, +4.

Чотирнадцять f - елементів, що стоять після актинію, в періодичній системі називають актиноїдами. Вони дуже подібні за своїми хімічними властивостями, оскільки у них, як і у лантаноїдів, заповнюється третій ззовні електронний рівень. Для іонів актиноїдних металів Е³⁺ та Е⁴⁺ спостерігається зменшення радіусів. Ефект отримав назву актиноїдного стиску.

Всі актиноїди радіоактивні, деякі з них у незначних кількостях знаходяться в природі, а більшість отримана штучним шляхом. Найбільше практичне значення з усіх актиноїдів має уран. Ядра ізотопу Урану (U²³⁵) здатні поділятися при захопленні нейтронів і виділяти при цьому велику кількість енергії.

5 Властивості елементів підгрупи Титану

До побічної підгрупи IV групи періодичної системи відносяться елементи Ті - Титан, Zr - Цирконій, Hf - Гафній та штучно отриманий/ Кu -Курчатовій. Титан - дуже поширений елемент в природі, на його частку припадає близько 0,2% від загальної кількості атомів земної кори. Частка Цирконію в земній корі становить 3·10^-3%, а Гафнію - 5·10^-5%.

На зовнішньому електронному рівні елементи мають 2s - електрони, а на передостанньому рівні 2d - електрони. Тому найбільш характерний ступінь окиснення елементів - +4.

У вільному стані титан та його аналоги - типові метали, тугоплавкі, стійкі по відношенню до повітря і води. На повітрі та при кімнатній температурі метали покриті щільною плівкою оксидів.

Мінерали титану: FeTiO₃·4Fе₃О₄ -титаномагнетит, FеТІО₃ - ільменіт, ТіО₂ - рутил. Цирконій та гафній власних мінералів не мають.

Для одержання вільного титану концентрат титанової руди переводять в титан оксид (IV), який потім піддають хлоруванню за наявності вуглецю. Одержаний титан хлорид (IV) відновлюють магнієм (процес Кролля):

ТіО₂ + 2С1₂ + 2С = ТіС₄ + 2СО,

ТІСl₄ + 2Mg = Ті + 2MgCl₂.

Цирконій та гафній отримують таким самим чином.

У хімічному відношенні метали титан, цирконій та гафній досить активні, але за нормальних умов не взаємодіють з водою та важко піддаються дії кислот. При високих температурах вони реагують не тільки з галогенами, киснем та сіркою, а також з вуглецем та азотом. З соляною, сульфатною та нітратною кислотами взаємодіє лише титан, тоді як в "царській водці" розчиняються всі три метали.

Цирконій та гафній більш подібні за хімічними властивостями один на один, ніж на титан.

Оксиди титану ТіО, Ті₂О₃ є основними, а ТіО₂ - амфотерний. Всі оксиди малорозчинні у воді. Найбільш поширений ТіО₂.

ТіО₂ + 4НС1= ТіС1₄ + 4Н₂О,

ТіО₂ + 2NаОН = Nа₂ТіО₃ + Н₂О.

Найбільш стійкими з галогенідів є хімічні сполуки з узагальненою формулою ТіГ₄. ТіС1₄ реагує з вологою повітря з утворенням туману та гідролізує

ТіС1₄ + 3Н₂О = Н₂ ТіО₃ +4НС1.

Завдяки утворенню щільної оксидної плівки на поверхні металу, титан має високу стійкість до корозії, що перевищує стійкість нержавіючої сталі.

Титан йодиди при температурі більше 1100^оС здатні розкладатися, що дає змогу отримати титан високої чистоти (метод Кролля).

ZrО₂ проявляє амфотерні властивості, добре розчиняється у концентрованій сульфатній та плавиковій кислотах.

У водних розчинах солі цирконію гідролізують з утворенням солей цирконілу ²⁺:

ZrС1₄ + Н₂О = ZrОС1₂ + 2НС1.

Відомі галогеніди та нітриди цирконію, з яких найбільш стійкими є ZrF₄ та ZrN.