Dlaczego metale ziem rzadkich są podobne?

Dlaczego dwa różne pierwiastki w tablicy Mendelejewa zwykle tak bardzo różnią się od siebie i dlaczego metale ziem rzadkich są wyjątkiem?

Jeżeli wziąć sąsiadujące ze sobą w tablicy Mendelejewa na przykład węgiel i azot lub tellur i jod, to nie tylko łatwo je od siebie odróżnić, ale pierwiastki te mają zupełnie inne własności chemiczne. W ogóle są do siebie niepodobne. Istotny wyjątek stanowią metale ziem rzadkich, czyli lantanowce i aktynowce. Nawet mają one swoje specjalne miejsce w tablicy Mendelejewa (lantanowce i aktynowce wydają się mieścić w jednej kratce, jakby były jednym pierwiastkiem, a jest ich przecież po 15).

Metale ziem rzadkich mają bardzo podobne właściwości chemiczne i do niedawna bardzo trudno było je nawet wyizolować w czystej postaci. Na dodatek metale ziem rzadkich często mogą być stosowane zamienne w różnych zastosowaniach praktycznych. Dlaczego tak się dzieje?

Zgodnie z mechaniką kwantową elektrony można sobie wyobrażać jako obiekty rozmyte na powłokach. Co to znaczy rozmyte? To elektron nie jest cząsteczką (kuleczką) zlokalizowaną w danym punkcie? Mechanika kwantowa nie pozwala ich zlokalizować w jednym, konkretnym miejscu. Pozwala nam lokalizować elektrony w atomie w pewnym obszarze, który tworzy jakby chmurę wokół jądra atomu. To przestrzeń prawdopodobieństwa znalezienia konkretnego elektronu w atomie i ta przestrzeń może mieć kształt sfery lub inny, czasem bardzo zaskakujący (zobacz sam/sama).

Na danej powłoce na dodatek nie może się znajdować dowolnie duża liczba elektronów. Każda powłoka może zmieścić ściśle określoną ich liczbę. Można przyjąć, że im więcej elektronów ma atom pierwiastka, tym więcej ma powłok oddalonych od jądra. Im dalej elektron znajduje się od jądra, tym mniej jest z nim związany.

Dla własności chemicznych kluczowe są najmniej związane elektrony na ostatniej powłoce — powłoce walencyjnej. To tak zwane elektrony walencyjne. Pierwiastki o takiej samej liczbie elektronów walencyjnych mają podobne własności chemiczne. Są to pierwiastki z takiej samej kolumny w układzie okresowym. To dlatego wszystkie gazy szlachetne, fluorowce, litowce mają podobne chemiczne cechy. Oczywiście wraz ze zwiększaniem się pozycji pierwiastka w danej kolumnie (grupie) zmieniają się inne jego cechy, jak masa, promień atomu, promieniotwórczość itp, gdyż drastycznie wzrasta liczba atomowa.

Kolejna pozycja pierwiastka w układzie okresowym w rzędach zmienia się wraz z liczbą elektronów w atomie o jeden. Zwykle każdy dodatkowy elektron zajmuje ostatnią powłokę. Zwykle ... z wyjątkiem właśnie metali ziem rzadkich (i kilku innych wyjątków).

W przypadku metali ziem rzadkich elektrony zamiast w powłoce walencyjnej wolą się zlokalizować w powłoce wewnętrznej. Wszystkie lantanowce mają na orbitalu 6s tyle samo elektronów walencyjnych, a kolejne pierwiastki z tego szeregu różni liczba elektronów na orbitalu 4f.

Ta przypadłość metali ziem rzadkich wynika z faktu, że akurat dla danej liczby elektronów korzystniej pod względem energetycznym jest zajmować właśnie takie, a nie inne orbitale. Wchodząc w szczegóły, na wyższych powłokach energia elektronów zależy od głównej liczby kwantowej n, ale i w istotny sposób od pobocznej liczby kwantowej l. W związku z tym niektóre z poziomów energetycznych d czy f o niższej głównej liczbie kwantowej będą charakteryzowały się wyższą energią od poziomów o wyższej głównej liczbie kwantowej. Dlatego u lantanowców elektrony "odchodzą od regularnego” zapełniania kolejnych orbitali.

Zatem kolejne pierwiastki metali ziem rzadkich, mając taką samą liczbę elektronów walencyjnych, zachowują podobne własności chemiczne. A ponieważ znajdują się w jednym szeregu, ich liczby atomowe nie różnią się także znacznie od siebie jak w przypadku pierwiastków z jednej grupy w układzie okresowym, zatem ich inne własności również są do siebie zbliżone.

Wprawdzie własności chemiczne są podobne, za to ujawniają się tu bardzo ciekawe własności magnetyczne. Ale to jest już materiał na inny pytajnik.

Ciekawostki

Kakaowiec i pokarm bogów