Состояние церия в водных растворах

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное  учреждение

                 высшего профессионального  образования 
 
 

Кафедра  ХиХТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

Задание № _7_ 
 
 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ: «Радиохимия» 

Тема: «Состояние церия (III) в водных растворах» 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

2010 г 
 

ЗАДАНИЕ № 7

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ ПО РАДИОХИМИИ

Группа:

Студент:

Тема: Состояние  церия (III) в водных растворах

Состав раствора: «Ce (NO₃)₃ – Na₃PO₄ – Na₂SO₄ – KF – H₂O». Интервал рН = 1 – 12.

C(Ce(NO₃)₃) = 10^-6 моль/л;  С(Na₃PO₄) = 0,01 моль/л; С(Na₂SO₄) = 0,2 моль/л; С(KF) = 0,02 моль/л.

Задание:

1. Литературный обзор
1. Семейство лантаноидов, общая характеристика.

1.2. Церий:  химические свойства. Комплексообразование  в водных растворах.

1.3.  Радиоактивные изотопы церия;  методы получения, ядерно-физические  свойства.

2. Расчетная  часть.

2.1. Рассчитать долю и концентрацию форм состояния гидролизующихся лигандов в растворе во всем диапазоне рН; построить распределительную диаграмму для каждого из них.

2.2. Рассчитать долю всех возможных форм церия (III) в растворе данного состава; построить распределительную диаграмму.

2.3. Определить  диапазон концентраций Na₃PO₄ и рН где будут преобладать фосфатные комплексы.

2.4. Определить, при каких значениях концентраций  KF и Na₃PO₄ при рН = 3 – 6 в растворе будут преобладать фторидные комплексы.

 
 

Преподаватель            
 

Содержание

1    Литературный  обзор……………………………………………………………………………………...4

1. Семейство лантаноидов, характеристика………………………………………………………………4
2. Церий. Химические свойства, комплексообразование………………………………………………..5
3. Изотопы церия, свойства………………………………………………………………………………...7
2. Расчетная часть …………………………………………………………………………………………..9
1. Расчет доли и концентрации гидролизующийся лигандов……………………………………………9
2. Расчет доли форм церия (III)…………………………………………………………………………..13
3. Определение диапазона концентраций Na₃PO₄ и рН, где будут преобладать фосфатные комплексы……………………………………………………………………………………………….15
4. Определение  значений концентраций KF и Na₃PO₄ при рН = 3 – 6 в растворе будут преобладать фторидные комплексы………………………………………………………………………………….16

Вывод………………………………………………………………………………………………………...17

Список  литературы………………………………………………………………………………………….18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Литературный  обзор
1. Семейство лантаноидов, общая характеристика.

     Лантаноиды — семейство из 14 химических элементов с порядковыми номерами 58—71, расположенных в VI периоде системы Менделеева за лантаном и сходных с ним по свойствам. Располагаются в отдельном ряду внизу Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (в краткой и полудлиной формах таблицы). В атоме лантаноидов заполняется глубоко лежащий четвертый слой 4f¹⁴. Поэтому лантаноидов может быть только 14. Поскольку по мере увеличения заряда ядра структура двух внешних электронных оболочек не меняется, все лантаноиды имеют сходные химические свойства.

     Лантаноиды  включают в себя: церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций. Вместе с лантаном, скандием и иттрием входят в состав редкоземельных элементов. Лантаноиды условно разделяются на 2 подгруппы: цериевую, включающую элементы от церия до европия, и иттриевую, включающую элементы от гадолиния до лютеция. [1]

     Все лантаноиды и лантан — металлы серебристо-белого цвета, в порошковом состоянии – от серого до черного. Пластичны, легко поддаются ковке, прокатке. Имеют твердость порядка 20-30 единиц по Бренелю. Всем им присущ полиморфизм. Лантаноиды химически активны, они образуют прочные оксиды, галогениды, сульфиды, реагируют с водородом, углеродом, азотом, фосфором. Разлагают воду, растворяются в соляной, серной и азотной кислотах. В плавиковой и фосфорной кислотах лантаноиды устойчивы, так как покрываются защитными пленками малорастворимых солей. [2]

     С рядом органических соединений лантаноиды образуют комплексные соединения. Важное значение для разделения лантаноидов имеют комплексы с лимонной и этилендиаминтетрауксусной кислотой. В промышленности лантаноиды и лантан получают восстановлением соответствующих галогенидов чистым кальцием или электролизом расплавов. Лантаноиды и лантан применяют как добавки к сталям, чугунам и другим сплавам для улучшения механической стойкости, коррозионной устойчивости и жаропрочности. Используют лантаноиды и лантан для получения специальных сортов стекла, в атомной технике. Соединения лантан, а также лантаноидов используют для изготовления лаков и красок, светящихся составов, в производстве кожи, в текстильной промышленности, в радиоэлектронике для изготовления катодов. Соединения лантаноидов применяются в лазерах. [1]

     Валентные состояния. 

     Конфигурация  валентных электронов атомов лантаноидов  может быть выражена общей формулой 4f^2-145d^0-16s². У них достраивается третий снаружи энергетический уровень (4f – подуровень) при одинаковом количестве электронов наружного энергетического уровня (6s²) и у большинства лантаноидов предвнешнего (5s²5p⁶) энергетического уровня. По правилу Хунда у элементов подгруппы церия 4f орбитали заполняются по одному электрону, а те же орбитали у элементов подгруппы тербия – по второму электрону. 

     4f – электроны сильно экранированы электронами подуровней 5s и 5p, менее подвержены действию соседних атомов и молекул. Более устойчивое трехвалентное состояние лантана, гадолиния, и лютеция среди других РЗЭ объясняется особенностью структуры их атомов. Некоторые лантаноиды кроме валентности III, проявляют так же валентность IV среди таких элементов Ce, Pr, Tb. Валентность II – Sm, Eu, Yb. Эти аномальные валентности объясняются различием энергетических состояний на подуровне 4f. [2] 

     Причём, одни степени окисления характерны при одних условиях, другие –  при других. Так, например, в щелочной среде устойчив ион Cе⁴⁺, а в кислой среде – Се³⁺. Эти состояния окисления связывают с образованием наиболее устойчивых электронных конфигураций 4f⁰, 4f⁷, 4f¹⁴. Так, Ce и Tb приобретают конфигурации 4f⁰ и 4f⁷, переходя в состояние окисления +4, тогда как Eu и Yb имеют соответственно конфигурации – 4f⁷ и 4f¹⁴ в состоянии окисления +2. Однако существование Pr (IV), Sm (II), Dy (IV) и Tm (II) свидетельствует об относительности критерия особой устойчивости электронных конфигураций 4f⁰, 4f⁷ и 4f¹⁴.

     Лантаноидное  сжатие. 

     Причина этого явления – экранирование  одного электрона другим в той  же оболочке. Лантаноидное сжатие следует  квалифицировать как f – сжатие. Оно есть следствие заполнения 4f – подуровня. Он расположен ближе к ядру, нежели d – подуровень, а его экранизирующие действие настолько велико, что влияние возрастающего заряда ядра сильно затормаживается. [2] 

1.2. Церий: химические  свойства. Комплексообразование  в водных растворах. 

     Церий (Се), химический элемент III группы периодической системы. Относится к редкоземельным элементам (цериевая подгруппа лантаноидов), атомный номер 58, атомная масса 140,12. В природе 4 стабильных нуклида: ¹³⁶Се (0,19%), ¹³⁸Се (0,25%), ¹⁴⁰Се (88,48%), ¹⁴²Се (11,08%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,6 x 10^-28 м². Конфигурация внешних электронных оболочек атома 4f²5s²5p⁶6s²;степени окисления +3, реже +4. [3,4]

     Церий – весьма реакционно-способный металл, на воздухе он окисляется за несколько  суток, образуя серый рассыпающийся  порошок, состоящий из гидратированных карбонатов. При нагревании на воздухе в виде монолитного блока церий загорается при 160–180° С, мелкодисперсный металлический порошок вспыхивает на воздухе в результате энергичного окисления. Церий разлагает воду при кипячении, растворим в минеральных кислотах, устойчив к действию щелочей. Бурно взаимодействует с галогенами, азотом и углеродом. Наиболее характерны для церия степени окисления Се(III) и Ce(IV). Ионы Се(III), бесцветные в водных растворах, в щелочной среде в присутствии окислителей легко переходят в ионы Ce(IV), имеющие желтую окраску. Это свойство церия позволило обнаружить неизвестный ранее тип реакций, названных колебательными. [4]