BLOQUE F Veracruz + Jano Arminio Ravelo José Alejandro Cano González Lucia Díaz Eufracio Bárbara Itzel Palomino Hernández Óscar Pineda Silva Salomón

Historia, y su orden en la tabla periódica Los lantánidos y actínidos poseen orbitales 4f y 5f parcialmente llenos. Se les conoce colectivamente como elementos del grupo f. En un inicio la existencia de elementos con una masa atómica entre los 140 a 174 g/mol generó gran problema ya que éstos elementos no tenían un lugar en la tabla periódica original de Mendeléiev.

Lantanoides Los elementos correspondientes del 57 al 71, del lantano (La) al lutecio (Lu) se conocen como lantanoides (Ln). Cationes Ln2+ Ln4+ Ln3+ Alta electropositividad. El potencial Ln3+/Ln varía entre -2.25 V (Lu) y -2.52 V (La). Blandos y moderadamente densos. Puntos de fusión de ~1000°C, y de ebullición de ~ 3000°C. Forman el óxido Ln2O3.

Configuración electrónica Elementos lantánidos. Z Nombre Símbolo Configuración electrónica Valencia Radio M3+ (A) Calor M3+ 21 Escandio Se [Ar]3d14s2 3 0.68 Incoloro 39 Itrio Y [Kr]4d15s2 0.88 57 Lantano La [Xe]5d16s2 1.06 58 Cerio Ce [Xe]4f15d16s2 3,4 1.03 59 Praseodimio Pr [Xe]4f36s2 1.01 Verde 60 Neodimio Nd [Xe]4f46s2 0.99 Lila 61 Prometio Pm [Xe]4f56s2 0.98 Rosa 62 Samario Sm [Xe]4f66s2 2,3 0.96 Amarillo 63 Europio Eu [Xe]4f76s2 0.95 Rosa pálido 64 Gadolinio Gd [Xe]4f75d 6s2 0.94 65 Terbio Tb [Xe]4f96s2 0.92 66 Disprosio Dy [Xe]4f106s2 0.91 67 Holmio Ho [Xe]4f116s2 0.89 68 Erbio Er [Xe]4f126s2 69 Tulio Tm [Xe]4f136s2 0.87 70 Iterbio Yb [Xe]4f146s2 0.86 71 Lutecio Lu [Xe]4f145d6s2 0.85

Estado trivalente Óxidos e hidróxidos Haluros Absorben H2O y CO2 del ambiente, formando hidróxidos o carbonatos. Los hidróxidos no son anfotéricos, su basicidad disminuye conforme aumenta su número atómico. Haluros Ln3+(ac) + 3 F-(ac)  LnF3 (s) [HNO3 3M] Ln3+(ac) + 3 Cl-(ac)  LnCl3 (ac) Ln2O3 + 6 NH4Cl  2 LnCl3 + 3H2O + 6 NH3 [300 K]

Aquaiones y complejos [Ln(OH2)n]3+(ac) + H2O(l)  [Ln(OH)(OH2)(n-1)]2+(ac) + H3O+(l) [Nd(OH2)9]3+(ac) + H2O(l)  [Nd(OH)(OH2)(n-1)]2+(ac) + H3O+(l) La tendencia de la hidrólisis aumenta de La a Lu, concordando con la disminución de radios iónicos. 3 Ce3+(ac) + 5 H2O(l) ↔ [Ce3(OH)5]4+(ac) + 5 H+(ac) 99% 1% Ln3+(ac) + F-(c)  [LnF]2+(ac) Los complejos más comunes y estables los forma con ligantes quelatantes oxigenados.

Estado tetravalente El Ce4+ es la única especie que existe en solución acuosa y en sólidos. Se obtiene por oxidación del Ce3+(ac) con HNO3 o H2SO4 con S2O82-. [Ce(H2O)n]4+(ac) Hidroliza con facilidad. Existe sólo en HClO4 concentrado. Tiene características similares al Zr4+ y Ac4+ Ce3(PO4)4(s) [HNO3 4 M] Ce(IO3)4(s), Ce(Ox)2(s) [HNO3 6 M] Ce(OH)4(ac)  CeO2(s) + 2 H2O(l) Compuesto inerte que sólo se disuelve en los ácidos en presencia de agentes reductores (H2O2, Sn2+, etc.) formando soluciones de Ce3+. Pr4+ y Yb4+ existen solo en óxidos no estequiométricos y en fluoruros.

LnF3(s) + M(s)  MF2(s) + LnF2(s) +… [M = Ca,Ba] Estado divalente En general LnF3(s) + M(s)  MF2(s) + LnF2(s) +… [M = Ca,Ba] Tanto el Sm, Eu e Yb presentan estados cuasiestables de oxidación 2+ tanto en sólidos como en solución acuosa. Eu3+(ac) + Zn (s)/Mg(s)  Eu2+(ac) + Zn2+(ac)/Mg2+(ac) Sm3+(ac)/Yb3+(ac)+ Na(Hg)(s) Sm2+(ac)/Yb2+(ac) + … Reducción electrolítica acuosa, o en haluros fundidos.

Compuestos de coordinación Los compuestos de los lantanoides a menudo poseen números de coordinación elevados y una amplia variedad de ambientes de coordinación. La variedad de estructuras de los orbitales f permite que los compuestos formados tengan sus ligantes en posiciones con una mínima repulsión, por lo cual sólo hay pocos compuestos de coordinación coloridos.

Contracción lantánida El efecto pantalla ejercido por los electrones internos disminuye en orden s > p > d > f. Usualmente cuando una subcapa es llenada en un periodo el radio atómico disminuye. Este efecto es particularmente marcado en los lantánidos.

Propiedades ópticas y espectros de los complejos lantanoides Colores débiles (transiciones f-f). Insensibles a ligantes. Con excepción del La3+ (f°) y del Lu3+(f14), todos los lantanoides son luminiscentes. Eu3+(f6), Tb3+(f8). Numerosos estados excitados. Luminiscencia.

Compuestos iónicos binarios Los óxidos binarios de lantanoides(III) Ln2O3, poseen estructuras complejas en la cuales el numero de coordinación del lantanoide es típicamente 7. Se conocen muchas estructuras A-, B- y C-Ln2O3, y muchos de los óxidos son polimórficos, exhibiendo transiciones entre las distintas estructuras presentes conforme se modifica la temperatura.

Compuestos ternarios complejos Los lantánidos pueden tomar una o más posiciones catiónicas en óxidos complejos (ternarios o mayores). Granate [A3B2(SiO4)3] Itrio

Aplicaciones Aditivos en aceros de aplicación espacial. Formación de superconductores: YBa2Cu3O7 (77K). El Ce4+ es utilizado en laboratorios como titulante rédox, comúnmente como (NH4)[Ce(NO3)6]. Los óxidos de Neodimio y Praseodimio absorben una buena parte de la gama amarilla, por lo que es comúnmente ocupado en filtro de gafas para el sol. El Eu presente en redes cristalinas de óxido o silicato genera comportamiento fluorescente o luminiscente por lo que estos compuestos se utilizan en los tubos de televisión en color. En redes de tipo CaF2, los lantánidos 2+ muestran actividad láser.

Actinoides Los primeros actinoides presentan variedad de estados de oxidación debido a la similitud energética entre orbitales 5f, 6d, y 7s. Al igual que los lantanoides pierden primero sus electrones s y d antes que los del orbital f. Son radiactivos. Son muy reactivos Son muy electropositivos. Se disuelven en ácidos comunes, HNO3 o HCl.

Estados de oxidación de los elementos actínidos. N. A. Elemento Estados de Oxidación 89 Actinio 3 90 Torio (3) 4 91 Praseodimio 5 92 Uranio 6 93 Neptunio 7 94 Plutonio (7) 95 Americio (2) ¿7? 96 Curio ¿5? ¿6? 97 Berkelio 98 Californio 99 Einstenio (4) 100 Fermio 2 ¿4? 101 Mendelevio ¿1? 102 Nobelio 103 Laurencio

Iones y colores para actínidos. Elemento M3+ M4+ MO2+ MO22+ MO53- Actínido Incoloro - Torio Protactinio Uranio Rojo Verde Amarillo Neptunio Azul a purpura amarillo – verde Rojo a rosa Verde oscuro Plutonio Azula a violeta Canela a Café - anaranjado Rojizo - purpura Amarillo a rosa - naranja Americio Rosa a amarillo Ron Curio Berkelio Californio

Obtención Los elementos 100 - 104 se obtiene por bombardeo de Pu, Am o Cm con iones acelerados de B, C o N. Los de los elementos siguientes al Pu se obtienen por captura sucesiva de neutrones por el 239Pu en reactores nucleares. El Th se encuentra en la monacita, fosfato complejo que también contiene lantánidos. Los metales se preparan por reducción de fluoruros, cloruros u óxidos anhidros por el Li, Mg, o Ca a temperaturas entre 1000°C y 1400°C. Son de color blanco plateado.

Reacciones importantes Los actínidos (Ac) sólo reaccionan con agua caliente para formar hidróxidos y liberar hidrógeno gaseoso Hidrolisis: Los cationes en disolución acuosa, en especial los +3 y +4, tienden a actuar como ácidos de Brönsted en solución [Ac(OH2)x]+n(ac) + H2O(l)  [Ac(OH)(OH2)(x-1)](n-1)+(ac) + H3O+(l)

Uranio Nombre Uranio Número atómico 92 Valencia 3+,4+,5+,6+ Electronegatividad 1,7 Radio covalente (Å) 1,42 Radio iónico (Å) 1,11 Radio atómico (Å) 1,56 Configuración electrónica [Rn]5f36d17s2 Primer potencial de ionización (eV) 4 Masa atómica (g/mol) 238,03 Densidad (g/ml) 19,07 Punto de ebullición (ºC) 3818 Punto de fusión (ºC) 1132 Descubridor Martin Klaproth 1789

Características De color plateado-grisáceo. Metal muy denso, fuertemente electropositivo y reactivo, dúctil y maleable, pero mal conductor de la electricidad. Posee 92 protones , con una valencia de 6 en general. Su núcleo puede contener entre 142 y 146 neutrones, sus isótopos más abundantes son el 238U que posee 146 neutrones y el 235U con 143 neutrones. Se extrae de la uranitita. El uranio tiene un decaimiento alfa muy lento. La vida media del uranio-238 es aproximadamente 4.470 millones de años y el del uranio-235 es 704 millones de años.

Obtención de Uranio Para extraer uranio usualmente se usa óxido de uranio (IV), UO2, extraído de minas con el nombre común de pechblenda. UO2(s) + H2O(l) + 2 Fe3+(ac)  UO3(s) + 2 H+(ac) + 2 Fe2+(ac) UO3(s) + H2SO4(ac)  UO2SO4(ac) + H2O(l) UO2SO4(ac) + 3 H2O(l) + 6NH3(ac)  (NH4)2U2O7(s) + 2 (NH4)2SO4(ac) El (NH4)2U2O7(s) es la forma comercial del uranio conocida como torta amarilla

Obtención de uranio para reactores En los reactores nucleares es necesario separar los isótopos de uranio 238 y 235, y esto se logra a partir del fluoruro de uranio (VI) gaseoso, haciéndolo pasar por una membrana, donde sólo las moléculas más ligeras, las del isotopo 235 la atraviesan. 9 (NH4)2U2O7(s)  6 U3O8(s) + 15 H2O(l) + NH3(g) + N2(g) U3O8(s) + H2(g)  3 UO2(g) + 2 H2O(g) UO2(s) + 4 HF(g)  3UF4(s) + 2 H2O(l) UF4(s) + F2(g)  UF6(g) Se utiliza el UF6 debido a su bajo de sublimación, ya que se comparamos los fluoruros de uranio (IV) y (VI) vemos que el primero tiene un punto de fusión de 960°C, mientras que el segundo sublima a los 56°C.

Aplicaciones: Algunos químicos fotográficos (nitrato de uranio). El uranio en estado metálico es usado para los blancos de rayos X y para hacer rayos X de alta energía. Su alto peso atómico hace al 238U eficaz para la protección contra la radiación. También en contenedores para almacenamiento y transporte de materiales radiactivos

Elementos transuránicos Hechos por el hombre, la realización del sueño de la transmutación de la alquimia. Producir estos elementos fue el disparador de una serie de eventos que sacudieron al mundo. Elementos transuránicos completan la serie de los actínidos.

Neptunio Descubierto por E.M. McMillan y P.H. Abelson Universidad de California en Berkeley, 1939.

Plutonio Segundo elemento transuránico descubierto. Su síntesis fue realizada en la Universidad de California en Berkeley por G.T. Seaborg, McMillan, J.W. Kennedy y A.C. Wahl. En 1941 se sintetizó un nuevo isotopo de Plutonio, el 239.

Glenn T. Seaborg Nagasaki, 1945

Curio Un nuevo nucleído emisor de partículas alfa fue producido en el verano de 1944. Fue un trabajo conjunto de Seaborg, R.A. James, L.O. Morgan, y A. Ghiorso.

Marie Skłodowska-Curie Curio en la oscuridad

Americio La identificación de un isotopo del elemento 95, se llevó a cabo entre 1944 y 1945. Las reacciones de la producción son:

Ciclotrón de 60 pulgadas

Berquelio y Californio El elemento 97 fue descubierto por S.G. Thompson, Ghiorso y Seaborg en diciembre de 1949. La reacción nuclear fue: El elemento 98 fue producido e identificado por Thompson, K. Street, Jr., Ghiorso y Seaborg, en febrero de 1950 en Berkeley.

Berkeley California

Einstenio y Fermio Los elementos 99 y 100 fueron descubiertos en los escombros de la explosión termonuclear “MIKE” , en noviembre de 1952. Los isotopos 253 y 255 de los elementos 99 y 100 respectivamente se pueden sintetizar en laboratorio.

Albert Einstein. Enrico Fermi. Prueba nuclear Ivy Mike Albert Einstein. Enrico Fermi.

Mendelevio La síntesis del elemento 101 fue planeada de forma muy exhaustiva por los científicos de Berkeley.

Dmitri Ivánovich Mendeléyev Mendelevio

Nobelio Reportado inicialmente por científicos del Laboratorio Nacional Argón, el Instituto de investigación de energía atómica de Harwell y por el Instituto Nobel de Física de Estocolmo.   Los experimentos realizados en Berkeley y en el instituto Kurchatov en Moscú no pudieron confirmar estos descubrimientos. En 1958, Ghiorso, T. Sikkeland, J.R. Walton, y Seaborg anunció la identificación de No-254 usando el acelerador linear de iones pesados de Berkeley (HILAC).

Una línea de investigación separada en el instituto Kurchatov reporto en 1958 la síntesis del No-256, y el isotopo 254 no fue identificado hasta 1966.

Instituto Nobel de Noruega Alfred Bernhard Nobel Instituto Nobel de Noruega

Laurencio La síntesis del elemento fue realizada por Ghiorso, Sikkeland, A.E. Larsh y R.M. Latimer en 1961 en Berkeley: Una subsecuente identificación fue hecha por Dones, Schegolev, y Ermakov en Dubna, Rusia. La reacción nuclear que ellos usaron fue:

Ernest Orlando Lawrence Lawrence Berkeley National Laboratory

Aplicaciones El ThO2, mezclado con 1% de CeO2, convierte la corriente térmica de la combustión del gas natural en una luz intensa. Las cerámicas de óxido de torio se utiliza en crisoles ya que tiene una alta resistencia a altas temperaturas (3300°C). Uranio, se usa como combustible en reactores nucleares, en los que se forman por captura de neutrones producidos en la fisión del combustible 235U. El único que se encuentra en hogares es el americio-241, ya que éste es ocupado en detectores de incendio. 237Pu combustible o en armas nucleares. 237Np se emplea en la preparación de 238Pu que se utiliza como fuente de energía para los satélites.

Lantanoides vs. Actinoides Semejanzas Diferencias Las propiedades químicas de los actinoides son menos uniformes a lo largo de la serie que las de los lantanoides A diferencia de los lantanoides, los actinoides no son tan reactivos, los dos reaccionan con agua, pero los actinoides sólo en caliente. A diferencia de los lantanoides, los actinoides presentan una gama de estados diferentes de oxidación. Ambos forman parte del bloque f. Los puntos de fusión están a ~1000°C y su punto de ebullición a ~3000 °C Pierden primero sus electrones s y d antes que los del orbital f.

Datos curiosos El uranio es posible de encontrar en depósitos minerales de todo el mundo, además de que se encuentra en el agua de mar a razón de 0.003 ppm, que parece poco pero que en suma ¡forman unas 5 109 toneladas!. El La es el elemento más común de las tierras raras, y sorprendentemente la cantidad de Ce en el planeta es aproximadamente la misma que la de Cu.

Bibliografía Química Inorgánica Básica; Cotton, Albert F., Ed. Limusa, 1ª edición, México, 1991. Pp. 513-536.