222. Актиноиды

К семейству актиноидов принадлежат четырнадцать f-элементов, следующих в периодической системе после актиния:

Как и в случае лантаноидов, у элементов семейства актиноидов происходит заполнение третьего снаружи электронного слоя (подуровня 5f); строение же наружного и, как правило, предшествующего электронных слоев остается неизменным. Это служит причиной близости химических свойств актиноидов. Однако различие в энергетическом состоянии электронов, занимающих 5f- и 6d-подуровни в атомах актиноидов, еще меньше, чем соответствующая разность энергий в атомах лантаноидов. Поэтому у первых членов семейства актиноидов 5f-электроны легко переходят на подуровень 6d и могут принимать участие в образовании химических связей. В результате от тория до урана наиболее характерная степень окисленности элементов возрастает от +4 до +6. При дальнейшем продвижении по ряду актиноидов происходит энергетическая стабилизация 5f-состояния, а возбуждение электронов на 6d-подуровень требует большей затраты энергии. Вследствие этого от урана до кюрия наиболее характерная степень окисленности элементов понижается от +6 до +3 (хотя для нептуния и плутония получены соединения со степенью окисленности этих элементов +6 и +7). Берклий и следующие за ним элементы во всех своих соединениях находятся в степени окисленности +3.

Все актиноиды радиоактивны. Торий, протактиний и уран встречаются в природе, так как у них имеются изотопы с большим периодом полураспада. В ничтожных количествах находятся в природе нептуний и плутоний. Остальные актиноиды получены искусственным путем в течение последних 30 лет (см. § 37).

Несмотря на неустойчивость атомов актиноидов, первые семь элементов этого семейства получаются в значительных количествах в свободном состоянии и в виде различных соединений — оксидов, галогенидов и др.

Гидроксиды актиноидов Э(OH)₃ имеют основной характер. Отвечающие им соли по своей растворимости сходны с соответствующими солями лантаноидов.

Торий содержится в земной коре в количестве около 10⁻³ % (масс.). Его минералы всегда сопутствуют редкоземельным элементам, урану и некоторым другим металлам. Важнейший промышленный источник тория — минерал монацит.

В свободном состоянии торий — серебристо-белый тугоплавкий пластичный металл. Степень окисленности тория в соединениях обычно равна +4, важнейший его оксид — ThO₂.

Торий применяется в ядерной технике. Под действием нейтронов природный торий, состоящий почти нацело из изотопа ²³²Th, превращается в изотоп урана ²³³U, который служит ядерным горючим (см. стр. 108). Кроме того, торий применяется как легирующий компонент ряда сплавов. В частности, сплавы на основе магния, содержащие торий, цинк, цирконий и марганец, отличаются малой плотностью, высокой прочностью и химической стойкостью при высоких температурах.

Уран открыт в 1789 г., но в чистом виде (металл серо-стального цвета) выделен только в 1841 г. Содержание его в земной коре оценивается в 3·10⁻⁴ % (масс.), что соответствует общему количеству 1,3·10¹⁴ т металла. Природные соединения урана многообразны; важнейшими минералами являются уранинит (диоксид урана UO₂), настуран (фаза переменного состава UO_2,0—2,6) и карнотит (уранил-ванадат калия K₂(UO₂)₂·(VO₄)₂·3H₂O). Руды урана обычно содержат не более 0,5 % полезного минерала.

Природный уран состоит из трех радиоактивных изотопов: ²³⁸U (около 99,3 %), ²³⁵U (около 0,7 %) и ²³⁴U (около 0,005 %). Периоды полураспада их соответственно равны 4,5·10⁹ лет, 7·10⁸ лет и 2,5·10⁵ лет.

Важнейшее свойство урана состоит в том, что ядра некоторых его изотопов способны к делению при захвате нейтронов; при этом выделяется громадное количество энергии. Это свойство урана используется в ядерных реакторах, служащих источниками энергии, а также лежит в основе действия атомной бомбы (см. § 37). Непосредственно для получения ядерной энергии применяются изотопы ²³⁵U и ²³³U. Из них ²³⁵U применяется в виде природного урана, обогащенного этим изотопом. Важнейший метод обогащения (или выделения) изотопа основан на различии в скорости диффузии газообразных соединений изотопов через пористые перегородки. В качестве газообразного соединения урана используют его гексафторид UF₆ (температура сублимации 56,5 °C). Из изотопа ²³⁸U получают изотоп плутония ²³⁹Pu, который также может использоваться в ядерных реакторах и в атомной бомбе.

Уран образует довольно большое число соединений. Наиболее характерными из них являются соединения урана(VI).

Триоксид урана, или урановый ангидрид, UO₃ (оранжевый порошок) имеет характер амфотерного оксида. При растворении его в кислотах образуются соли (например, UO₂Cl₂), в которых катионом является ион UO₂²⁺, называемый уранилом.

Соли уранила обычно окрашены в желтовато-зеленый цвет и хорошо растворимы в воде. При действии щелочей на растворы солей уранила получаются соли урановой кислоты H₂UO₄ — уранаты и двуурановой кислоты H₂U₂O₇ — диуранаты, например, уранат натрия Na₂UO₄ и диуранат натрия Na₂U₂O₇. Диуранат натрия применяется для получения уранового стекла, флуоресцирующего желтовато-зеленым светом.