3 Група (зв підгрупа) (лантаноїди і актиноїди)

Третя група містить елементів більше, ніж всі інші групи Періодичної системи. Зокрема, в неї входять Sc, Y, La, Ас (табл. 1 і 2). До цієї групи належать також 14 елементів №№ 58-71 в 6 періоді, що об'єднуються в сімейство лантаноїдів ( «лантанидов»), а також 14 елементів №№ 90-103 в 7 періоді, що об'єднуються в сімейство актиноїдів ( «актинидов»).

Таблиця 1. Деякі фізичні та хімічні властивості металів 3 групи

нд, токсичний через радіоактивності

Скандій (Sc) - Зd -Елемент. Д.І. Менделєєв передбачив його властивості і назвав його «екабором». Домішка 0,1-0,3% Sc збільшує міцність і теплостійкість алюмінієвих сплавів в 3-4 рази, причому вони набувають здатність до зварювання. Ці сплави широко використовують в конструюванні літаків, ракет, швидкісних поїздів і автомобілів. Через радіаційної стійкості їх застосовують в будівництві атомних реакторів. Труби з Al-Mg-Sc сплаву дуже корозійностійкі в кілька разів легше і дешевше сталевих.

Sc вважають малотоксичних, але припускають канцерогенність. Стабільний ізотоп 45 5с використовують в ЯМР-дослідженнях.

Ітрій (Y) - 4d -Елемент - вважають малотоксичних, хоча припускають його канцерогенність. Стабільний ізотоп 89 Y використовують в ЯМР-дослідженнях. У промисловості його застосовують в люмінофорах для кольорового телебачення, в спеціальних сплавах, надпровідниках і рентгенівських фільтрах.

Лантан (La) - 5f -Елемент - вважають малотоксичних. Стабільний ізотоп 139 La використовують в ЯМР-дослідженнях і як біологічну мітку для Са. У промисловості лантан використовують при варінні оптичних стекол. La - перший елемент групи, що містить 15 елементів (№№ 57-71).

Всі вони є металами сріблясто-білого кольору. Лантаноїдам властивий феномен «лантанідних стиснення», тобто зменшення атомних і іонних радіусів від La до Lu. Пояснюється воно тим, що слабо екранують f-електронів розташовані близько до ядра. У міру збільшення заряду вони притягуються до нього сильніше, «стискаються».

Деякі дослідники виділяють 2 підродини лантаноїдів: 8 легких елементів від La до Gd утворюють підродина церію Се. 7 важких (від Тb до Lu) утворюють підродина тербія. Розрізняються ці підродини з кінетики проходження елементів через організм, причому різниця може досягати 40%. Обумовлено воно більш сильними лужними властивостями гідроксидів легких елементів в порівнянні з важкими. В цілому по біокінетики лантаноїди подібні з елементами підгрупи ЗА (Al, Ga), що відносяться до 13 групи.

Всі лантаноїди утворюють координаційні сполуки з легко змінюваними ступенями окислення від +1 до +7, але найбільш характерні для них тривалентні іони. КС лантаноїдів з органічними лігандами токсичні. При попаданні в організм солей вони швидко утворюють важкорозчинні сполуки, в основному - фосфати і гідроксиди, тому всмоктуються з шлунково-кишкового тракту і дихальних шляхів слабо. Депонуються лантаноїди, в основному, в печінці і кістках скелета. Однак у вигляді комплексних сполук з лимонною, молочною кислотами і з ЕДТА вони швидко всмоктуються і відкладаються в кістках і тканинах. Виводяться лантаноїди дуже повільно, протягом декількох років.

Біологічна активність лантаноїдів залежить від здатності їх іонів конкурувати з іонами 3d -переходних металів (Мп, Со, Сі, Zn), а також з Mg і Са. Це обумовлено схожістю іонних радіусів; проте константи стійкості у лантаноїдів вище. Через заміну іонів есенціальних елементів при попаданні в організм лантаноїди пригнічують ферменти обміну Са. АТФ, АДФ, нуклеїнові кислоти (НК), що викликає порушення енергетичного статусу і обміну нуклеїнових кислот. У крові лантаноїди практично повністю зв'язуються білками, викликаючи порушення їх обміну. Органом-мішенню для них є печінка, зокрема, її мітохондріальна система. Гістологічно в тканини печінки розвивається жирова дегенерація, в ЕПР (ЕР) збільшується кількість цистерн, відбувається розпад рибосом.

Наведемо інші 14 лантаноїдів:

Церій (Се) № 58 - названий на честь малої планети Цецерою. Метал з високою реакційною здатністю. Найбільш широко поширений з елементів сімейства. Застосовується у виробництві скла, кераміки і сплавів.

Празеодим (Рr) № 59 (від грец. Prasios didymos - «зелений близнюк») - м'який ковкий метал. Використовується в сплавах для отримання постійних магнітів, в оптичних стеклах.

Неодім (Nd) № 60 (від грец. Neos didymos - «новий близнюк») - застосовується в сплавах для отримання постійних магнітів, в оптичних стеклах і глазурі. Сплави з Ge. Sc. Сі і Gd є основою лазерної техніки і виробництва ЕОМ нового покоління.

Прометій (Рт) № 61 (від грец. Імені Прометей) - радіоактивний метал. Застосовується в мініатюрних спеціальних батареях.

Самарій (Sm) № 62 - від назви мінералу «самарскит». Використовується для отримання постійних магнітів, органічних реагентів, спеціальних стекол, каталізаторів, кераміки і в електроніці.

Європій (Еu) № 63 - названий на честь Європи. Рідкісний і найбільш реакційно-здатний, м'який метал. Застосовується для виготовлення надпровідних плівок.

Гадолиний (Gd) № 64 - названий на честь фінського хіміка Ю. Гадоліна. Застосовується у виробництві магнітів, вогнетривів, в електроніці, для нейтронної радіографії, в сплавах для виготовлення магнітооптичних реєструючих пристроїв, в лазерній техніці.

Тербий (Тb) № 65 - від назви мінералу «іттербіта». Зустрічається рідше більшості лантаноїдів. Застосовується в твердотільних пристроях і лазерах.

Діспрозій (Dy) № 66 (від грецького dysprositos - «одержуваний з працею») - реакційноздатні, твердий метал, бурхливо реагує з водою. Застосовується в сплавах для виготовлення магнітів.

Гольмій (Але) № 67 (від латинського Holmia - Стокгольм) - застосовується для концентрування шлаків в високих магнітних полях.

Ербій (Еr) № 68 - названий на честь міста Иттерби (Швеція). У сплаві з титаном застосовується для виготовлення стекол, що поглинають ІЧ-випромінювання.

Тулій (Тт) № 69 (названий на честь Thule - давня назва Скандинавії) - найбільш рідкісний з лантаноїдів, радіоактивний. Застосовується іноді в якості джерела радіації в портативному рентгенівському устаткуванні.

Иттербий (Yb) № 70 (названий, як і Тb. Від назви мінералу «іттербіта») - знаходить застосування в датчиках нормального напруги.

Лютеций (Lu) № 71 (від латинського Lutetia - Париж) - дуже твердий і дуже важкий рідкий метал. Застосовується лише в наукових дослідженнях.

Актиній (Ас) - 6f -Елемент - вважається токсичним через радіоактивності, хоча в природному вигляді в природі не зустрічається.

Наступні 14 елементів 7 періоду - актиноїди ( «такі за актинієм») - володіють схожими властивостями. Всі вони, як і їх ізотопи, радіоактивні. Тому їх дія на організм визначається головним чином іонізуючим випромінюванням. Однак при гострих отруєннях одержуваними у відносно великих кількостях ізотопами 232 Th. 238 U. 237 Np. 238 Рі. які мають відносно невисокою радіоактивністю і тривалими періодами напіврозпаду, шкідливу дію в основному обумовлено не радіацією, а хімічної токсичністю.

Близькість енергетичних рівнів 5f, 6d і 7s подоболочек зумовлює більше, ніж у лантаноїдів, кількість ступенів окислення. Найбільш поширені 3-валентні іони, але для Th і Рі характерні 4-валентні іони, для Np - 5-валентні, для U - 6-валентні. Як і лантаноїди, актиноїди легко утворюють комплексні сполуки, особливо з карбонатами і фосфатами. У різних ступенях окислення вони, подібно до лантаноїдів, зв'язуються з білками крові. Токсична дія обох сімейств також подібне. При отруєннях уражаються печінка, нирки. У печінки порушується трансмембранний транспорт, руйнуються лізосоми, відбувається гідроліз гепатоцитів. У нирках пошкоджуються нефрони. Мішенню актиноидов є поверхневі шари кісткової тканини, оскільки через великі розмірів іонів вони не можуть проникнути всередину кістки і замістити там Са. Поверхневі шари частково сорбують комплекси елементів з трансферрином крові, частково пов'язують елементи з гідроксилапатитом, утворюючи міцні комплекси. Однак значна частина цих комплексів піддається резорбції і знову надходить у кров. Тому виведення елементів з організму відбувається у дві фази.

Перерахуємо інші 14 актиноидов:

Торій (Th) № 90 (названий по імені Тора - скандинавського бога війни) - важкий слаборадиоактивний; чистий метал м'який і пластичний, але сплави можуть бути дуже твердими, наприклад, з Mg. Використовується в светопреломляющих матеріалах, ядерних паливних елементах, непроникних для газів оболонках. Відомо 30 ізотопів металу. Парно-парний ізотоп (парне число протонів і нейтронів) 232 Th не здатний ділитися тепловими нейтронами і бути ядерним пальним. Але при захопленні теплового нейтрона він перетворюється в 233 U за схемою: 232 Th + n → 233 Th - (β-) → 233 Ра - (β-) → 233 U. Останній здатний до поділу подібно 235 U і 239 Рі. що дуже перспективно для розвитку атомної енергетики (уран-торієвий паливний цикл). Такий цикл дає набагато менше радіоактивних відходів, ніж звичайний урановий реактор. Оскільки загальні запаси Th в 3-4 рази перевищують запаси U в земній корі, атомна енергетика при використанні Th зможе на сотні років забезпечити енергоспоживання людства.

Протактиний (Ра) № 91 (від грецького protos - перший) - міститься в урановій ядерному паливі, в промисловості застосовується мало.

Уран (U) № 92 (названий на честь планети Уран) - ковкий, пластичний метал. Використовується як ядерне паливо в реакторах, а ізотоп 235 U - для створення ядерної зброї. Характерна ступінь окислення в з'єднаннях +6. Утворює солі типу UO2 (NO3) 2 З ураніл-іонами UO2 2+ можуть зв'язуватися оксофосфатние групи ДНК і АТФ, альбумін, глобуліни і трансферин крові. При цьому у АТФ, гліцерофосфатів і інших фосфорильованих метаболітів легко відщеплюються фосфатні групи, що призводить до різкого зниження трансмембранного транспорту. Полімерні гідроксиди виводяться з організму лейкоцитами і ретикулоендотеліальними клітинами печінки, селезінки і нирок; лізосоми цих клітин руйнуються через радіоактивності актиноидов. З пошкоджених органел виділяються гідролази, тому в печінці розвивається автолиз гепатоцитів. Метаболізація урану в організмі відбувається за тими ж механізмами, що й лантаноїдів.

Елементи з атомними номерами 93 і більше (трансуранові елементи) в природі не зустрічаються. Їх отримують штучно за допомогою ядерних реакцій. Перші два отримані в результаті бомбардування 238 U нейтронами. Утворений 239 U розпадається, випускаючи β-випромінювання і утворюючи 239 Np. Останній розпадається з випусканням β-випромінювання і освітою 239 Рі.

Нептуний (Np) № 93 (названий на честь планети Нептун) - отримують з уранового ядерного палива.

Плутоній (Рі) ​​№ 94 (названий на честь планети Плутон) - отримують з уранового ядерного палива. Використовується як компактне джерело енергії, ядерного палива і у виробництві ядерної зброї.

Америцій (Ат) № 95 (від назви континенту America) - отримують при нейтронної бомбардування 239 Рі.

Кюрій (Cm) № 96 (названий на честь П'єра і Марії Кюрі) - отримують при нейтронної бомбардування 239 Рі у вигляді 242 Cm і 244 Ст.

Берклій (Bk) № 97 (від назви англійського університету Berkeley) - виходить при нейтронної бомбардування 239 Рі у вигляді 249 Bk.

Каліфорній (Cf) № 98 (від назви штату California) - виходить при нейтронної бомбардування 239 Рі у вигляді 249 Cf і 252 Сf. Останній ізотоп використовують для променевої терапії раку.

Більшість елементів з атомними номерами 99 і вище були отримані за допомогою важких бомбардують частинок, наприклад, 12 С або 14 N.

Ейнштейній (Es) № 99 (названий на честь Альберта Ейнштейна) - отримують при бомбардуванні 238 U ядрами 14 N у вигляді 248 Es.

Фермій (Fm) № 100 (названий на честь Енріко Фермі) - представляє лише чисто науковий інтерес.

Менделевий (Md) № 101 (названий на честь Дмитра Менделєєва) - отриманий в кількості декількох атомів при бомбардуванні 253 Es α-частинками [4He].

Нобелій (No) № 102 (названий на честь Альфреда Нобеля) - отриманий в кількості декількох атомів при бомбардуванні 246 Ст ядрами 12 C.

Лоуренсий (Lr) № 103 (названий на честь Ернеста О. Лоуренса) - отриманий в кількості декількох атомів при бомбардуванні 252 Cf ядрами 11 В.

Штучно отримані ще кілька трансуранових елементів. За усталеною практикою їх поміщають в ряд актиноидов, хоча багато хімічні та фізичні властивості цих елементів через малу кількість їх атомів невідомі.

Курчатова (Кі) № 104 - ізотоп 260 отримано в 1964 р в Дубні і названий на честь Ігоря Курчатова. Ізотоп 257 спостерігали в 1969 р і назвали його в честь Е. Резерфорда rutherfordium. ІЮПАК запропонував називати цей елемент unnilquadium (un-nil-quadium - від грец. І лат. Позначень 1-0-4). Отримано в кількості декількох тисяч атомів при бомбардуванні 249 Cf ядрами 12С.

Нильсборий (Ns) № 105 - ізотопи 260 і 261 отримані в 1967 р в Дубні. У 1970 р ізотоп 260 спостерігали в Берклі і запропонували називати його hahniіт в честь Отто Гана. ІЮПАК запропонував називати його unnilpentium (un-nil-pentium - від грец. І лат. Позначень 1-0-5). Отримано в кількості декількох атомів при бомбардуванні 249 Сf ядрами 15 N.

Медична біонеорганіка. Г.К. баранчиків