Документ предоставляет обширную характеристику подгруппы Sc и лантаноидов, включая их электронные структуры, физические и химические свойства, а также распространение в природе. Рассматриваются элементы, их поведение в химических реакциях, а также способы их получения и свойства образуемых соединений. В документе также отмечается, что актиноиды имеют большую разнообразие степеней окисления и являются радиоактивными элементами.

1. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
1 Общая характеристика элементов
Сопоставление электронных структур атомов и ионов
элементов IIIA- и IIIB- групп показывает, что по строению
внешних электронных слоев невозбуждённых атомов
элементы подгруппы Sc не имеют ничего общего с
алюминием:
B [He]2 2s22p1
Al [Ne]10 3s2sp1
Sc [Ar] 3d14s2 Ga [Ar]18 3d104s24p1
Y [Kr] 4d15s2 In [Kr]36 4d105s25p1
La [Xe] 4f145d16s2 Tl [Xe]54 4f145d106s26p1
Ac [Rn] 5f146d17s2 http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-studentam/neorganicheskaya-
ximiya/

2. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
1 Строение атомов. Общая характеристика
элементов
Тогда как электронная структура ионов этих эле-
ментов одинакова:
B3+ [He]
Al3+ [Ne]
Sc3+ [Ar] Ga3+ [Ar] 3d10
Y3+ [Kr] In3+ [Kr] 4d10
La3+ [Xe] 4f14 Tl3+ [Xe] 4f145d10
Ac3+ [Rn] 5f14

3. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
1 Строение атомов. Общая характеристика
элементов
Таким образом, типические элементы и элементы п/г
Ga являются sp-элементами, а элементы п/г Sc – sd-
элементами. Скандий напоминает алюминий и
является амфотерным элементом, а его аналоги по
свойствам приближаются к щелочно-земельным
металлам.
К подгруппе Sc относятся также и лантаноиды – 14
элементов, следующих за лантаном. Их электронная
конфигурация м/б выражена общей формулой:
… 14f2–145d0–16s2
Все лантаноиды вместе с Y и La именуются
редкоземельными элементами (РЗЭ).

4. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
1 Строение атомов. Общая характеристика элементов
По характеру заполнения 4f-орбиталей элементы семей-
ства лантаноидов разделяются на два подсемейства:
Подсемейство Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd
церия 4f2 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f75d1
Подсемейство Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
тербия 4f7+2 4f7+3 4f7+4 4f7+5 4f7+6 4f7+7 4f145d1
Элементы IIIB-группы, включая лантаноиды, прояв-
ляют характеристическую степень окисления +3.
Некоторые лантаноиды еще проявляют степени
окисления +2 и +4 .

5. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
2 Распространение в природе
Содержание Sc и РЗЭ-элементов в земной
коре не так уж мало, однако они очень распы-
лены и отдельных минералов не образуют. Из-за
этого их трудно выделить в чистом виде.
Существует более 170 минералов, в которых в
тех или иных пропорциях содержатся РЗЭ.
Скандий образует редко встречающиеся
собственные минералы: ScPO4 ∙ 2H2O и Sc2Si2O7.

6. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Скандий и РЗЭ в виде простых веществ – тугоплавкие
серебристо-белые металлы, тускнеющие во влажном
воздухе:
Sc Y La Ac
Пл., г/см3 3,0 4,47 6,16 10,1
Т. пл., 0С 1541 1528 920 1050
Т. кип., 0С 2850 3322 3450 3590

7. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Скандий и иттрий являются самыми легкими и
одновременно наиболее тугоплавкими. По темпе-
ратуре плавления их превосходят лишь лантаноиды
тулий и лютеций.
В характере изменения температур плавления
лантаноидов проявляется внутренняя перио-
дичность. Минимальными температурами плав-
ления обладают Eu и Yb, у которых реализуются
устойчивые 4f75d06s2 и 4f145d06s2 электронные
конфигурации. По-видимому, эти элементы отдают
только два электрона на образование метал-
лической связи.

8. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Все эти элементы являются сильно электроположи-
тельными. Значения стандартных электродных
потенциалов окислительно-восстановительных пар:
Э3+ + 3е– = Э0
изменяются от - 2,25 (Lu) до - 2,52 В (La).
Для скандия Е0 (Sc3+/Sc0) = - 2,08 В.
Таким образом по химической активности они
уступают лишь щелочным и щелочно-земельным
металлам.

9. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Скандий не растворяется в воде вследствие наличия
плёнки прочного оксида, образующегося в атмосфе-
ре воздуха. Остальные металлы п/г скандия и
лантаноиды энергично разлагают воду:
2La + 6H2O = 2La(OH)3 + 3H2
Sc и РЗЭ растворяются в разбавленных кислотах, за
исключением HF и H3PO4, из-за образования
нерастворимы фторидов – ЭF3 и фосфатов – ЭPO4.
Все металлы реагируют с галогенами, водородом, а
также N2, С, Si, P, S и другими неметаллами при
повышенных температурах.

10. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
ПОЛУЧЕНИЕ:
В свободном состоянии металлы получают
электролизом расплавленных хлоридов или
металлотермическим методом, используя в
качестве восстановителя кальций.

11. 4. Соединения Sc и РЗЭ
Химия соединений Sc и РЗЭ – это преимущест-
венно химия трехвалентных ионов Э3+. Для них
известны многочисленные бинарные соединения
(Э2О3, ЭНаl3, Э2S3, ЭN, ЭН3) и разнообразные
соли.
Некоторые лантаноиды образуют также
двухзаряд-ные (Eu, Sm, Yb) и четырехзарядные
(Ce, Pr, Tb) ионы.

12. 4. Соединения Sc и РЗЭ
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ОКСИДЫ И ГИДРОКСИДЫ:
Оксиды скандия и РЗЭ – бесцветные (в
большинстве), тугоплавкие и труднорастворимые в
воде вещества, хотя интенсивно с выделением
теплоты взаимо-действуют с ней с образованием
характеристических оксидов:
Э2О3 + 3Н2О = 2Э(ОН)3
Получают оксиды прокаливанием соответствующих
гидроксидов, нитратов и карбонатов:
t
Э(NO3)3 → Э2O3 + 3NO2 + О2
t
Э2(СО3)3 → Э2O3 + 3СO2

13. 4. Соединения Sc и РЗЭ
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ОКСИДЫ И ГИДРОКСИДЫ:
Гидроксиды также труднорастворимы в воде. В ряду
гидроксидов: Sc(OH)3 – Y(OH)3 – La(OH)3 – Ac(OH)3
основные свойства увеличиваются
Sc(OH)3 амфотерен, а La(OH)3 – довольно сильное
основание. В ряду лантаноидов основная сила
гидроксидов постепенно уменьшается с уменьше-нием
радиусов Э3+ в результате лантаноидного сжатия.
Получают гидроксиды действием растворов щелочей
на растворимые соли скандия и РЗЭ:
Э(NO3)3 + 3NaOH = Э(OH)3 + 3NaNO3

14. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ГАЛОГЕНИДЫ:
Галогениды ЭГ3 скандия и РЗЭ в отличие от
галогенидов элементов подгруппы галлия туго-
плавки и труднолетучи.
Фториды практически нерастворимы в воде,
остальные ЭГ3 растворяются не только в воде, но и
в спирте. Фторид скандия ScF3 похож на AlF3. Он
растворяется в избытке HF с образованием
комплекса [ScF6]3– .

15. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
СОЛИ КИСЛОРОДНЫХ КИСЛОТ И КОМПЛЕКСНЫЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Для Sc и РЗЭ характерны соли кислород-
содержащих кислот и комплексные соединения на
их основе. Нитраты, сульфаты Э(+3) растворимы
в воде, карбонаты и фосфаты трудно растворимы.
Комплексообразовательная способность лантанои-
дов невелика. Скандий образует аквакомплекс
[Sc(H2O)6]3+, который легко гидролизуется.
Аквакомплексы иттрия и лантаноидов [Э(Н2О)n]3+
имеют координационные числа больше 6. В воде они
гидролизуются:
[Э(Н2О)n]3+ + Н2О = [Э(ОН)(Н2О)n-1]3+ + Н3О+

16. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
СОЛИ КИСЛОРОДНЫХ КИСЛОТ И КОМПЛЕКСНЫ
СОЕДИНЕНИЯ:
При переходе от лантана к лютецию вследствие
уменьшения радиуса степень гидролиза аквакомп-
лексов повышается.
Анионные комплексы ионов Э3+ непрочны. Их
сульфатные, нитратные комплексы имеют как и в
случае аналогичных комплексов алюминия характер
двойных солей. Наиболее устойчивы комплексы с
хелатными кислородсодержащими лигандами (β-
дикетонами и др.).

17. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
СОЕДИНЕНИЯ Э(+4) И Э(+2):
Степень окисления +4 характерна для церия, но
может проявляться и у других лантаноидов. Ион Се4+
получается при окислении Се3+ в азотной или серной
кислоте висмутат-ионом BiO33– или S2O82–.
У Се(+4) выделены желтые оксид СеО2 и гидроксид
СеО2· nН2О, фторид СеF4, некоторые соли – Ce(ClO4)4,
Ce(SO4)2.
Гидроксид Се(ОН)4 получается по обменной реакции
в водном растворе в виде студенистого осадка
переменного состава СеО2 · nН2О. В отличие от
Се(ОН)3 он проявляет амфотерные свойства.

18. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
СОЕДИНЕНИЯ Э(+4) И Э(+2):
В кислых растворах соединения Се(+4) выступают
как сильные окислители ( Е0 Се4+/Се3+ = +1,61 В):
2Се(ОН)4 + 8НCl = 2CeCl3 + Cl2 + 8H2O
Соединения других лантаноидов (IV) малостойки,
являются сильными окислителями ( Е0 Pr4+/Pr3+ = +2,9
В). Их получают окислением соединений Се(+3)
фторидами ксенона:
ЭF3 + XeF4 = ЭF4 + Xe

19. ПОДГРУППА Sс И ЛАНТАНОИДЫ
СОЕДИНЕНИЯ Э(+4) И Э(+2):
Степень окисления +2 наиболее отчетливо
проявляется у европия (E0 Eu3+/Eu2+ = – 0,33 В). Ионы
Sm2+ и Yb2+ быстро окисляются водой.
По составу и свойствам производные Eu(II), Sm(II),
Yb(II) напоминают соединения элементов
подгруппы кальция. Оксиды ЭО – основные
соединения, сульфаты ЭSO4 в воде не растворимы.

20. АКТИНОИДЫ
1 ПОЛОЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
К семейству актиноидов относятся элементы № 90-
103, следующие в ПС за актинием. Их валентные
электронные конфигурации представлены ниже:
Подсемейство тория:
Th Pa U Np Pu Am Cm
6d27s2 5f26d17s2 5f36d17s2 5f46d17s2 5f67s2 5f77s2 5f76d17s2
Подсемейство берклия:
Bk Cf Es Fm Md No Lr
5f86d17s2 5f107s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f146d17s2

21. АКТИНОИДЫ
1 ПОЛОЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
У актиноидов наблюдается значительно
большее разнообразие степеней окисления
(от +3 до +7), чем у лантаноидов. Это
частично обусловлено тем, что 5f-, 6d- и 7s-
уровни обладают сравнимой энергией.

22. АКТИНОИДЫ
2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ПОЛУЧЕНИЕ
В природе встречаются только U, Th и Pa: известны
минералы торит (ThSiO4) и уранинит (UOn, где 2 < n
< 3). Протактиний сопутствует урану. У этих
элементов периоды полураспада достаточно
длинные, чтобы они смогли сохраниться с момента
их возникновения.
Остальные актиноиды в природе практически не
встречаются. Они были получены в 1949-1961 гг.
искусственным путем с помощью ядерных реакций.

23. АКТИНОИДЫ
2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ПОЛУЧЕНИЕ
При длительном облучении в ядерном реакторе 238U
потоком нейтронов можно получить изотопы всех
трансурановых элементов, вплоть до фермия (Fm).
Элементы с порядковыми номерами 100 - 104
получают бомбардировкой 94Pu, 95Am и 96Cm ядрами
бора, углерода или азота, ускоренными на
циклотроне.
Все актиноиды являются радиоактивными элемен-
тами. Для них характерен распад ядер за счёт
спонтанного деления. При этом чем тяжелее ядро,
тем более выражено спонтанное деление ядер.

24. АКТИНОИДЫ
2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ПОЛУЧЕНИЕ
Ниже представлены периоды полураспада (Т1/2) для
некоторых элементов:
ЭЛЕМЕНТ Т1/2
92 U 1016 лет
94 Pu 1010 лет
96 Cm 106 лет
98 Cf 1 год
100 Fm несколько часов
256
No 1500 секунд

25. АКТИНОИДЫ
2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ПОЛУЧЕНИЕ
Из-за неустойчивости ядер тяжелые актиноиды,
например, калифорний (98Cf) можно получить
лишь в количествах нескольких миллиграмм,
фермий (100Fm) – в количестве считанных
атомов.
В соответствии с этим из актиноидов лучше
других изучены первые семь элементов
семейства: Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm.

26. АКТИНОИДЫ. 3. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Элементы первой семёрки актиноидов –
серебристо-белые металлы с высокой плотностью
и относительно высокими температурами
плавления и кипения:
Th Pa U Np Pu Am
Cm
Пл., г/см3 11,7 15,4 19,0 20,4 19,7 11,9 13,5
Т. пл., 0С 1750 1575 1133 637 640 1200 1340
Т. кип., 0С 4200 4300 3860 3900 3235 2600 –
В металлическом состоянии их получают восстановле-
нием безводных фторидов, хлоридов или оксидов
литием, магнием или кальцием при высокой
температуре.

27. АКТИНОИДЫ. 3. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Химическая активность актиноидов довольно высока.
На воздухе большинство из них постепенно
окисляется кислородом и азотом. С кислородом
образуют оксиды, отвечающие наиболее устойчивым
степеням окисления:
Th + O2 = ThO2
4Pa + 5O2 = P2O5
3U + 4O2 = U3O8 (UO2 ∙ 2UO3)
Актиноиды способны хорошо поглощать водород
образуя гидриды переменного состава (между ЭН2 и
ЭН4). С металлами они образуют сплавы. В ряду
напряжений актиноиды располагаются далеко
впереди водорода, поэтому окисляются водой и тем
более кислотами.

28. АКТИНОИДЫ
4. СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ
Как уже отмечалось для актиноидов характерно
большое разнообразие степеней окисления. Однако
их относительная устойчивость неодинакова.
СОЕДИНЕНИЯ Э(+3):
Степень окисления +3 проявляют все актиноиды, но
более предпочтительна она для актиния, америция
и всех следующих за америцием элементов. Для
первых элементов семейства (особенно для Th и
Pa) она не характерна. Ион U3+ окисляется воздухом
и водой:
UCl3 + 4H2O = 2U(OH)2Cl2 + H2 + HCl

29. СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ (+3)
В целом свойства соединений актиноидов (+3)
сходны с соответствующими соединениями ланта-
ноидов (+3). Гидроксиды актиноидов Э(ОН)3 подобно
гидроксидам лантаноидов (+3) мало растворимы в
воде, обладают основными свойствами.
СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ (+4):
Степень окисления +4 типична для Th, но
проявляется и у других элементов. В химии Pu и Np
она является одной из наиболее характерной.
В химическом отношении соединения Э(+4) сходны
друг с другом, а также с соединениями церия (+4) и
d-элементов четвёртой группы.

30. СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ (+4):
Оксиды ЭО2 – твердые вещества, практически
нерастворимые в воде. Гидроксиды Э(ОН)4 также не
растворяются в воде, имеют основный характер.
Производные от них соли в растворах сильно
гидролизуются.
СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ(+5):
Степень окисления +5 наиболее устойчива у Pa и Np.
Реже проявляется у плутония.
В химическом отношении соединения Э(+5)
обнаруживают сходство с d-элементами пятой группы.

31. СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ (+5)
Но в отличие от последних для них в большей
степени характерны основные свойства:
Pa2O5 + H2SO4 = (PaO2)2SO4 + H2O
(PaO2)2SO4 + NaOH = PaO2(OH)
PaO2(OH) + HCl = PaO2Cl + H2O
Аналогично ведут себя оксиды и гидроксиды
U(+5), Np(+5) и Pu(+5). В водных растворах
актиноиды (+5) образуют устойчивые диоксо-
катионы типа ЭО2+ : UO2+, NpO2+, PuO2+ и др.

32. СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ (+6)
Степень окисления +6 наиболее характерна для
урана. Может проявляться у Np и Pu, реже у Am и Cm.
В этой степени окисления актиноиды проявляют
сходство с d-элементами шестой группы.
Для химии Э(+6) характерно образование устойчивых
атомных группировок состава ЭО22+ - диоксокатионов,
сохраняющихся без изменения при разнообразных
реакциях:
Оксиды ЭО3 и гидроксиды Э(+6) состава Н2ЭО4 имеют
преимущественно основный характер. Последние
можно рассматривать как основания типа ЭО2(ОН)2 :
UO3 + 2НCl = UO2Cl2 + H2O
UО2(ОН)2 + 2НNO3 = UО2(NO3)2 + 2Н2О

33. СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ (+6)
Нитрат уранила UО2(NO3)2 – наиболее распростра-
нённый в химической практике препарат урана.
Кислотные признаки гидроксиды Н2ЭО4 проявляют
лишь при сплавлении со щелочами:
Н2ЭО4 + 2КОН = К2ЭО4 + 2Н2О
Получаемые при этом уранаты (VI), нептунаты (VI),
плутонаты (VI) малостойки и водой разрушаются.

34. СОЕДИНЕНИЯ АКТИНОИДОВ (+7)
Степень окисления +7 проявляют только нептуний и
плутоний в оксо-анионах вида ЭО53–, которые
образуются при окислении озоном щелочных
растворов оксонептунатов (VI) и оксоплутонатов
(VI):
2NpO42– + O3 + 2OH– = 2NpO53– + O2 + H2O
Из растворов можно выделить кристаллогидраты
типа Ва3(NpO5)2 ∙ nH2O и Ва3(PuO5)2 ∙ nH2O.
Производные Np(VII) и в особенности Pu(VII) и
Am(VII) проявляют сильные окислительные
свойства.