Elementi del blocco 5f: attinio e attinidi

Gli attinidi sono quegli elementi in cui si verifica il riempimento del sottolivello 5f vanno dal numero atomico 90 al 103.

La serie naturale, tuttavia si ferma all’elemento 92, l’uranio, mentre tutti i successivi sono stati ottenuti artificialmente. L’instabilità nucleare comincia in realtà dal numero atomico 84, il polonio. Da questo elemento in su, solo torio e uranio hanno tempo di dimezzamento sufficiente a farli giungere fino ad oggi in quantità massicce. Gli altri si rinvengono in natura solo perché vengono generati continuamente nella serie di trasformazioni radioattive delle famiglie dell’uranio e del torio.

Si può stabilire un notevole parallelismo tra gli elementi del blocco 4f e quelli del blocco 5f. Oltre alle analogie, tuttavia sono interessanti alcune differenze di comportamento chimico che si possono razionalizzare in termini di struttura elettronica.  Mentre i lantanidi non presentano mai più di due stati di ossidazione e danno essenzialmente composti ionici, gli attinidi presentano un maggior numero di stati di ossidazione e la presenza di stati di ossidazione stabilizza legami covalenti e facilita la formazione di complessi. La spiegazione di questo fenomeno sta nel fatto che l’energia degli orbitali 5f è paragonabile rispetto a quella degli orbitali 6d, 7s e 7p in un intervallo di numeri atomici approssimativamente definibile fra 89 e 95, dall’attinio all’americio. In questo intervallo, quindi, gli orbitali che possono essere impegnati nella formazione di legami sono numerosi e i 5f sono coinvolti in maniera apprezzabile.

Anche gli attinidi presentano, in analogia con i lantanidi, il fenomeno della contrazione dei raggi atomici e ionici al crescere del numero atomico. A parità di carica ionica i primi hanno raggi maggiori per circa 0.03 Å e ciò spiega il fatto che in natura gli elementi si presentano spesso insieme.

Per quanto attiene gli stati di ossidazione l’attinio, come il suo omologo lantanio possiede solo il III. Il torio, analogamente al cerio, ma molto più di questo presenta stabile lo stato IV. Per il protoattinio lo stato di ossidazione più stabile sale a V, e ciò mostra come gli elettroni f non sono ancora interni.

Gli elementi uranio, nettunio, plutonio e americio presentano gli stati di ossidazione da III a VI; per l’uranio quello più stabile è VI, ma dopo di esso quello stabile scende gradatamente fino a III nell’americio. Per gli stati di ossidazione superiori è impossibile l’esistenza di cationi con carica +5 e +6.

Nella tabella vengono riportate alcune proprietà chimico-fisiche dell’attinio e degli attinidi:

Nome Attinio Torio Protoattinio Uranio Nettunio Plutonio Americio
Simbolo Ac Th Pa U Np Pu Am
Numero atomico 89 90 91 92 93 94 95
Peso atomico 227 232.04 231 238.04 237 242 243
Configurazione elettronica [Rn] 6d1, 7s2 [Rn] 6d2, 7s2 [Rn] 5 f2, 6d1, 7s2 [Rn] 5f3 6d1, 7s2 [Rn] 5 f4 6d1, 7s2 [Rn] 5f6, 7s2 [Rn] 5f7, 7s2
Forma cristallina cfc* cfc* Tetragonale Ortorombico Ortorombico Monoclino ec*
Raggio metallico Å 1.87 1.79 1.60 1.38 1.31 1.51
Punto di fusione °C 1050 ~ 1700 1550 1132 640 639 ~ 1150
Punto di ebollizione °C ~3200 ~ 4000 3818 ~ 3700 ~3100 ~2600
Densità g/cm3 11.7 15.4 19.05 20.45 17.7

* cfc = cubico a corpo centrato

*ec = reticolo esagonale compatto

 attinidi

L’attinio è presente in quantità trascurabile nei minerali di uranio ed è stato ottenuto in microquantità artificialmente. Il suo isotopo più stabile 227Ac ha un tempo di dimezzamento di 21.7 anni e decade con emissione β. E’ un metallo molto reattivo e si ossida rapidamente all’aria. Forma solo composti dello ione Ac3+, molto simili a quelli del lantanio da cui differisce solo per una maggiore basicità

Il torio si trova principalmente nella monazite da cui viene separato: al metallo si arriva tramite una riduzione del tetraalogenuro o del biossido.

Il suo nucleo è instabile ma ha un tempo di dimezzamento particolarmente lungo 1.39 x 1010 anni per cui si è preservato dalla totale estinzione; decade con emissione α.

Per assorbimento di un neutrone e con due successive emissioni β si trasforma in 233U. E’ un metallo elettropositivo in tutto simile ai lantanidi per reattività; si ossida all’aria, attacca l’acqua, si scioglie in acidi e si passiva in quelli ossidanti. Il suo unico stato di ossidazione stabile è il IV, tende cioè a perdere tutti gli elettroni oltre la configurazione del gas nobile. Il torio si combina direttamente con quasi tutti gli elementi: tra i composti binari si ricorda  uno degli idruri ThH2, il solfuro ThS2 e il nitruro ThN. Con l’ossigeno forma spontaneamente il biossido ThO2. L’idrossido Th(OH)4 precipita per alcalinizzazione di soluzioni di suoi sali. Sono noti sia gli alogenuri binari del tipo ThX4 che gli ossoalogenuri ThOX2. L’alogenuro più stabile è il fluoruro ThF4.

Il protoattinio ha l’isotopo 231 presente, sia pure in minima quantità nella pechblenda ed è stato ottenuto dai residui di lavorazione dei minerali dell’uranio. Ha un tempo di dimezzamento di 3.28 x 105 anni e decade con emissione α. E’ un metallo bianco, malleabile ed elettropositivo; nei suoi composti è in grado di esibire gli stati di ossidazione III, I e V anche se quest’ultimo è di gran lunga il più stabile. Fra gli ossidi sono noti Pa2O5 e PaO2; fra gli alogenuri si possono ricordare PaF5 e PaCl5

L’uranio ha numero atomico 92, peso atomico 238.07 ed è uno dei metalli con più alta densità ( ~ 19 g/cm3) insieme all’oro e ai metalli del gruppo del platino. Il metallo, se finemente suddiviso, è piroforico ovvero se è portato a contatto con l’aria si incendia. La sua superficie è del colore dell’acciaio se laminata di fresco, lasciato all’aria si ricopre di uno strato nero di ossidi.

L’uranio esiste in tre forme allotropiche: uranio α, rombico stabile fino alla temperatura di 668°C; da 668°C a 774 °C è stabile la fase β tetragonale; a più alte temperature è stabile la fase γ cubica a corpo centrato che fonde alla temperatura di 1133 °C.

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Author: Chimicamo

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