Os actinídeos Os actinídeos são homólogos dos lantanídeos, com as orbitais de valência 5f a serem

preenchidas entre Ac e Lr. As propriedades químicas e físicas das duas séries do bloco f da tabela periódica são substancialmente diferentes. Cotton e Wilkinson28 _{identificaram os}

lantanídeos de La ao Lu mas referiam-se ao actínio, tório, protactínio e actinídeos, ou seja considerando que a série dos actinídeos tinha início no urânio.

Enquanto os lantanídeos são bastante similares na fase condensada, no caso dos actinídeos são encontradas bastantes diferenças na química relativamente aos lantanídeos correspondentes e mesmo entre actinídeos. Os actinídeos do princípio da série destacam-se dos homólogos lantanídeos por duas razões: a primeira são os estados de oxidação variados que estes podem assumir desde +3 para o Ac até +7 para Np. Comparando dois homólogos entre as séries, em condições físico-químicas moderadas, Nd3+ _{é o mais alto estado de oxidação enquanto U(VI) é}

facilmente atingido sob a forma de UF6 ou de uranilo, UO22+. 30 Tanto para Nd como para outros

Ln, conseguem-se obter estados de oxidação mais altos, mas sob condições extremas, tais como quando expostos a oxidantes potentes ou como espécies em vapor a altas temperaturas. A segunda grande diferença entre An e Ln são os electrões 5f (e também as orbitais 5f livres) dos actinídeos do princípio da série, que poderão participar directamente nas ligações em contraste com a natureza localizada dos electrões 4f de todos os Ln. As propriedades físicas e estruturais bastante complexas do metal Pu estão directamente relacionadas com o envolvimento das orbitais 5f de baixa simetria nas ligações (covalentes) metálicas.31 _{Nos elementos posteriores ao}

Pu, as orbitais 5f são cada vez mais localizadas e geralmente não participam na formação de ligações. No entanto, quando os actinídeos transplutonianos metálicos são sujeitos a pressões muito altas, os electrões 5f não ligantes podem tornar-se ligantes devido à diminuição das

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distâncias interatómicas. A estabilização dos electrões 5f para os actinídeos mais pesados resulta na limitação dos estados de oxidação acessíveis a II,III e/ou IV. Um contraste particular entre as duas séries f é que enquanto para os últimos lantanídeos os estado trivalente é comum, para os actinídeos a seguir ao Cf o estado de oxidação dominante é o divalente.

A motivação principal para o estudo da química em fase gasosa dos actinídeos é compreender melhor o carácter único da estrutura electrónica e energética dos actinídeos, e particularmente o papel, directo ou indirecto, dos electrões 5f. A estrutura electrónica, bem como a energética destes elementos, é mais afectada pelos efeitos relativísticos que os elementos mais leves, devido à maior carga nuclear. Estes efeitos são centrais no entendimento do comportamento químico distinto dos actinídeos e especificamente na energética das configurações electrónicas. Essencialmente, os electrões 5f têm uma energia relativamente alta e estão espacialmente expandidos para os primeiros actinídeos, resultando em estados de oxidação elevados e/ou participação directa de electrões 5f na ligação. À medida que a carga nuclear aumenta, os electrões tornam-se cada vez mais estáveis e espacialmente contraídos, relativamente aos electrões 6d e 7s de valência.

A Figura 1.1 esquematiza as estruturas electrónicas e as energias de promoção para estados com dois electrões não f disponíveis dos iões An+_{. Apresenta também uma divisão dos actinídeos}

de acordo com o carácter da ligação metálica em condições normais: comportamento do tipo-d para Ac+ _{e Th}+_{, ligação f para Pa}+ _{a Pu}+ _{ou f localizados de Am}+ _{a Lr}+_{. As configurações do estado}

fundamental de Ac+ _{e Th}+ _{não têm nenhum electrão f, logo o comportamento químico na fase}

gasosa é esperado ser análogo ao metal correspondente do bloco d: Ac será similar a La+ _ou

Lu+_/Y+_/Sc+ _{e Th}+ _{semelhante a Hf}+_/Zr+_/Ti+_{. Depois do Th, as orbitais vão sendo preenchidas de}

uma forma regular. A configuração semi preenchida 5f7 _{tem uma grande estabilidade, daí o}

estado fundamental do Cm+ _{ser 5f}7_7s2 _{em vez de 5f}8_7s1 _{como seria de esperar. Com base na}

relação demonstrada para os Ln+ _{entre as energias de promoção para um estado com 2}

electrões não f, e a activação de hidrocarbonetos, será de esperar que as energias de promoção de An+ _{tenham um efeito semelhante na química destes. Contudo, a participação directa dos}

electrões 5f nas ligações pode permitir que algumas reacções ocorram sem promover os electrões para uma orbital exterior 6d, resultando em reactividades superiores às esperadas, especialmente para os actinídeos do princípio da série. Este facto é fundamental na química da fase gasosa dos actinídeos.

Figura 1.1 Distribuição electrónica dos iões de actinídeos de carga 1+. A configuração do estado

fundamental é dada pelo número de electrões 5f, 6d e 7s fora do núcleo de Rn. ΔE são as energias de promoção do estado fundamental para um estado com 2 electrões não f disponíveis; os valores foram retirados da Blaise e Wyart32 _{excepto para Md}+_{, No}+ _{e Lr}+ _{que são de Brewer.}33_{. Na} representação gráfica da variação de ΔE, a linha a tracejado e os círculos brancos correspondem a estimativas. (Figura adaptada de Gibson.34₎

Tal como para os lantanídeos, presume-se que a activação de hidrocarbonetos – desidrogenação e quebras – por An+ _{ocorre segundo um mecanismo de inserção de acordo com a Figura 1.2 onde}

HC-CH representa o local de activação de um hidrocarboneto genérico (alcano, alceno ou alcino). As reacções de An+ _{com hidrocarbonetos são particularmente úteis em termos de}

fornecer informação relativa ao papel da estrutura electrónica e energética na química dos actinídeos em fase gasosa, química organometálica e química dos actinídeos em geral.

Como Cornehl et al.22 _{frisaram, no}

contexto dos resultados que obtiveram com os lantanídeos, que existem mais efeitos para além da energia de promoção que podem influenciar a eficiência da reacção, mas este parâmetro fundamental é muito útil na interpretação das reactividades dos Ln+ _{em reacções organometálicas na fase gasosa. A interpretação dos resultados com base no}

modelo de mecanismo elementar da Figura 1.2 ignora os detalhes do processo de inserção que ocorre segundo uma superfície de energia potencial e pode envolver barreiras cinéticas significativas, incluindo a perda formal de conservação de spin. Uma explicação simplificada para a observação da variação de spin formal durante a reacção, sem afectar a velocidade de reacção, é que o acoplamento fraco spin-órbita (Russell-Saunders) não se aplica aos iões de

Figura 1.2 Representação esquemática do

mecanismo de inserção.

metais pesados estudados. Em vez disso, um acoplamento forte spin-órbita (acoplamento jj) descreve melhor os estados electrónicos e a necessidade de conservação de spin é menor. Partindo do princípio que é necessário alguma conservação de spin na química dos actinídeos e lantanídeos, pode utilizar-se o conceito de “reactividade de dois estados” para explicar a ocorrência de caminhos de reacção aparentemente proibidos.35 _{Essencialmente é proposto que}

a reacção prossiga envolvendo, quando necessário, passos de inversão de spin que serão determinantes para a velocidade.