2. Природные формы

В природе актиноиды (уран и торий) встречаются только в виде урановых и ториевых руд, причем содержание тория в рудах несколько больше, чем урана. Уран в отличие от тория образует более концентрированные месторождения. Торий относится скорее к рассеянным элементам. Известно более ста минералов урана, главным из которых являются урановая смолка U₃O₈(настуран), (UTh)O₂ уранинит, K₂[(UO)₂(VO₄)₂]·3H₂O карнотит, тюямунит Ca[(UO₂ )₂(VO₄)₂]·8H₂O и др. Значительное количество урана содержится в некоторых льменитовых, рутиловых, фосфатных и титано-магнетитовых рудах. В воде морей и океанов содержится около 10⁹-10¹⁰ тонн урана.

В природе известно много минералов содержащих торий. В урановых и ториевых рудах в очень небольших количествах содержатся Ас, Ра, а также члены радиоактивных рядов урана и тория. Нептуний и плутоний в ничтожных количествах найдены в урановых рудах, они образуются в результате ядерных реакций. Все остальные актиноиды в природе не найдены, а получаются искусственно в ядерных реакторах ил в результате других ядерных реакций.

3. Простые вещества

3.1 Методы получения

Уран и торий получают в результате переработки природного минерального сырья, а остальные актиноиды выделяют либо из продуктов деления ядерного топлива, либо из продуктов ядерной реакции на ускорителях. Большинство урановых руд перерабатываются по схеме:

- получение концентрата путем обогащения природного сырья;

- химическое разложение концентрата кислотным или карбонатным выщелачиванием;

- извлечение урана из полученных растворов сорбцией на ионообменных смолах, экстракцией органическими реагентами или осаждением в виде малорастворимых форм (чаще используется экстракция фосфорорганическими экстрагентами или высокомолекулярными аминами);

- получение целевых продуктов – оксидов, фторидов ил металлического урана.

Основными процессами получения металлического урана является восстановление UF₄ кальцием (реже магнием):

UF₄ + 2Са (2Mg) = U + 2СаF₂ (2MgF₂)

Металлический торий получают металлотермическим путем с кальцием, но не из фторида, а из ThO₂:

ThO₂ + 2Са = Th + 2СаО

Реже применяют электролиз расплавленных солей.

Металлический протактиний получают восстановлением РаF₄ барием.

РаF₄ + 2Ва = Ра + 2ВаF₂

Применяют также метод термического разложения пентагалогенидов:

2РаВr₅ = 2Ра + 5Вr₂

Остальные актиноиды получают в результате реакций ядерного синтеза.

3.2 Физические и химические свойства

Актиноиды в металлическом состоянии представляют собой белые тугоплавкие металлы с хорошими механическими свойствами, низким электросопротивлением, высокой электропроводностью и довольно высокой химической активностью. Кристаллические структуры актиноидов не обнаруживают большого сходства со структурой лантаноидов и близки к структуре d-металлов. Наличие сложных полиморфных форм у урана, нептуния и плутония обусловлено участием f-АО в образовании связи.

Большинство металлов актиноидов светятся в темноте за счет энергии радиоактивного излучения. В высокодисперсном состоянии они полиморфны.

Химические свойства элемента зависят в основном от числа электронов на наружных слоях и размера атомных и ионных радиусов, поэтому не удивительно, что во-первых, свойства актиноидов близки между собой, и, во-вторых, химическое поведение актиноидов и лантаноидов обладает большим сходством. Это сходство особенно заметно, когда элементы находятся в одинаковом валентном состоянии.

Так, 3-валентные актиноиды образуют те же нерастворимые соединения (гидрооксиды, фториды, карбонаты, оксалаты и др.), что и 3-валентные лантаноиды; трифториды, трихлориды и другие аналогичные соединения 3-валентных Актиноидов образуют изоструктурные ряды [другими словами, соединения, входящие в такие ряды, например в ряд MeCl₃, где Me - атом актиноидов, обладают сходными кристаллическими решетками, параметры которых постепенно уменьшаются по мере роста атомного номера (Z) атома актиноидов]. Такие же изоструктурные ряды образуют оксиды (IV), тетрафториды, гексафториды и другие соединения актиноидов. По склонности к гидролизу соединения 5-валентных актиноидов, например пентахлориды, очень близки между собой. В растворах 6-валентные актиноиды существуют в виде МеО₂²⁺-ионов и т. д. Приведенные примеры далеко не исчерпывают всех случаев сходства актиноидов, но и на них можно убедиться в его наличии.

Однако, кроме общих черт, между актиноидами и лантаноидами имеется и существенная разница. Так, актиноиды часто образуют соединения в состояниях окисления, значительно более высоких, чем +3, что не характерно для лантаноидов.

В своих соединениях актиноиды проявляют следующие валентности: Th (3, 4), Pa (3, 4, 5), U (3, 4, 5, 6), Np (3, 4, 5, 6, 7), Pu (3,4,5, 6, 7), Am (3, 4, 5, 6), Cm (3, 4), Bk (3,4), Cf (2, 3), Es (3), Fm (3), Md (2, 3), No (2, 3).

Таким образом, валентность 3 характерна для актиноидов только после Am. Первые члены семейства актиноидов (Th, Pa и U) в своих соединениях чаще бывают соответственно 4-, 5- и 6-валентными. Актиноиды в большей степени, чем лантаноиды, склонны к комплексообразованию.

Указанные особенности актиноидов объясняются тем, что "вновь пришедшие" на 5-ю от ядра оболочку электроны (так называемые 5f-электроны или электроны 5f-подуровня) по энергии связи с ядром очень близки к электронам 6-й оболочки (так называемым 6d-электронам или электронам 6d-подуровня); эти 6d-электроны и могут проявлять себя как дополнительные валентные. У лантаноидов же "вновь пришедшие" 4f-электроны всегда связаны с ядром значительно прочнее, чем 5d-электроны.

В ряду напряжений металлов актиноиды располагаются значительно левее водорода, рядом со щелочноземельными металлами. На воздухе большинство из них окисляется до оксидов, особенно при повышении температуры:

3U + 4O₂ = U₃O₈(UO₂ ·2UO₃)

Th + O₂ = ThO₂

Pu + O₂ = PuO₂

3Np + 4O₂ = Np₃O₈

Металлы реагируют также с водой:

3U + 3H₂O = UO₃ + 2UH₃

Th + 2H₂O = ThO₂ + 2H₂

С галогенами металлы образуют галогениды различного состава: Th + 2Cl₂ = ThCl₄

2Pa + 5Br₂ = 2PaBr₅

U + 3F₂ = UF₆

Все актиноиды легко поглощают водород с образованием ди- и тригидридов; с халькогенами образуют халькогениды; с азотом или аммиаком при высоких температурах дают нитриды, с другими неметаллами – карбиды, бориды и т.п. Металлы реагируют с разбавленными минеральными кислотами:

U + H₂SO₄ + 2H₂O = UO₂SO₄ + 3H₂

Большинство металлов не реагируют ни с плавиковой кислотой, ни с концентрированными азотной и серной. Уран растворяется в концентрированной серной только в присутствии сильных окислителей. Со щелочами актиноиды не реагируют.