Переходные элементы: свойства, применение, положение в таблице
Переходные элементы - удивительная и загадочная группа химических веществ. Они окружают нас повсюду, входят в состав многих важных соединений, без которых невозможна наша жизнь.
1. Определение и положение переходных элементов в таблице Менделеева
Переходные элементы (или переходные металлы) - это элементы, расположенные в побочных подгруппах больших периодов Периодической системы химических элементов. Их также называют d-элементами и f-элементами в зависимости от того, какие внутренние электронные оболочки заполняются в их атомах.
Термин "переходные" связан с тем, что эти элементы располагаются в таблице Менделеева между s- и p-элементами, как бы "переходя" от одних к другим.
d-элементы и f-элементы
Различают d-элементы, у которых заполняются внутренние 3d-, 4d-, 5d- и 6d-электронные подоболочки, и f-элементы (лантаноиды и актиноиды), у которых заполняются соответственно 4f- и 5f-подоболочки. В отличие от s- и p-элементов, где электроны заполняют внешние оболочки, у переходных элементов идет заполнение внутренних оболочек.
Особенности электронного строения
В общем виде электронную конфигурацию переходных элементов можно представить так:
(n - 1)dx nsy
Здесь:
- n - номер периода
- n - 1 - номер заполняемой d- или f-подоболочки
- x - число электронов на (n - 1)d или (n - 2)f подоболочках
- y - число электронов на внешней ns-оболочке (как правило, 1 или 2)
То есть, в отличие от s- и p-элементов, число валентных электронов у переходных элементов заметно меньше числа внутренних орбиталей. Это и предопределяет специфические свойства этих элементов.
2. Общая характеристика и свойства переходных элементов
Переходные элементы образуют простые вещества с металлическими свойствами. Для них характерно сочетание нескольких общих особенностей.
Химические свойства
- Способность проявлять разные степени окисления в соединениях
- Образование комплексных (координационных) соединений
- Наличие цвета у многих соединений переходных элементов
Переходные металлы обладают как основными, так и кислотными свойствами в зависимости от степени окисления. Например, гидроксид хрома(III) проявляет основные свойства, а дихромат калия(VI) - кислотные. Многие гидроксиды переходных металлов амфотерны.
В отличие от s- и p-элементов, переходные элементы имеют много общих черт вне зависимости от группы или периода.
Это связано с особенностями электронного строения их атомов.
Физические свойства
- Переходные металлы имеют высокие значения плотности, температур плавления и кипения.
- Они обладают высокой тепло- и электропроводностью.
- Многие переходные металлы проявляют ферромагнетизм или парамагнетизм.
Среди переходных элементов встречаются как самые легкоплавкие (ртуть), так и самые тугоплавкие (вольфрам) металлы. Также для них характерны высокие значения энтальпии возгонки и каталитической активности.
Степени окисления
Возможность проявлять разные степени окисления - одна из важнейших особенностей переходных элементов. Количество степеней окисления может доходить до 8 (рутений) или даже 10 (марганец).
| Элемент | Возможные степени окисления |
| Хром | 0, +2, +3, +6 |
| Железо | 0, +2, +3, +6 |
| Марганец | от -3 до +7 |
Для каждой группы переходных металлов наиболее характерны определенные степени окисления, соответствующие наиболее устойчивым электронным конфигурациям их атомов.
Типичные соединения
Переходные металлы образуют огромное многообразие соединений: оксиды, гидроксиды, соли, комплексные соединения и др. Многие соединения переходных элементов проявляют полиморфизм, могут существовать в нестехиометрическом составе. Также характерно образование разных типов кластеров.
Наиболее распространенными соединениями являются:
- Оксиды (FeO, Cr2O3, TiO2 и др.)
- Гидроксиды (Fe(OH)3, Cr(OH)3)
- Соли (FeSO4, K2Cr2O7, CuCl2)
- Комплексные соединения ([Cu(NH3)4]SO4, K3[Fe(CN)6] и др.)
По сравнению с аналогичными соединениями s-элементов, у переходных металлов соединения чаще проявляют ковалентный характер связи. Это определяет их бóльшую летучесть, растворимость и склонность к гидролизу.
3. Подгруппа меди: медь, серебро, золото
К подгруппе меди или IB-группе относятся медь, серебро и золото. Это элементы побочной подгруппы 1-й группы периодической системы.
Общая характеристика подгруппы
Для металлов подгруппы меди характерны:
- Высокие плотность, температуры плавления и кипения
- Хорошая тепло- и электропроводность
- Высокая химическая стойкость (особенно у Au и Ag)
Особенность электронного строения атомов - наличие полностью заполненных d-подуровней, которые весьма устойчивы. Это и обуславливает сравнительную инертность элементов подгруппы меди, особенно золота и серебра («благородные» металлы).
Свойства и соединения меди
Медь - мягкий переходный металл красно-желтого цвета. Она стоит в ряду напряжений металлов правее водорода. Поэтому медь не вытесняет водород из кислот и растворяется лишь в окислительных кислотах (HNO3, конц. H2SO4).
На воздухе при комнатной температуре медь постепенно покрывается зеленой пленкой основного карбоната меди(II) CuCO3·Cu(OH)2.
Для меди характерны степени окисления +1 и +2. Оксид меди(II) CuO - черное вещество, которое восстанавливается до металлической меди при нагревании в присутствии восстановителей.
Серебро - особенности и применение
В отличие от меди, серебро гораздо менее подвержено коррозии и окислению. Оно относится к благородным или малоактивным металлам. Растворяется серебро лишь в горячей концентрированной HNO 3 и царской водке (смесь концентрированных HNO 3 и HCl).
Наиболее распространенное соединение серебра - нитрат AgNO 3. Это вещество с ионным типом связи, хорошо растворимое в воде. Растворы AgNO 3 используют как реактив для качественного определения галогенид-ионов.
При взаимодействии растворов солей серебра с щелочами образуется темный осадок оксида серебра Ag2O. Многие нерастворимые соединения серебра растворяются в комплексообразующих лигандах, например, в аммиаке или тиосульфате натрия.
Золото - уникальные свойства благородного металла
Золото обладает очень высокой химической инертностью, что и определяет его применение в ювелирном деле для изготовления различных украшений.
В отличие от меди и серебра, золото практически не взаимодействует с атмосферным кислородом и серой. Однако оно может реагировать с галогенами при нагревании.
Для перевода золота в раствор необходимо использование очень сильных окислителей, например царской водки - смеси концентрированных соляной и азотной кислот HCl + HNO 3.
Железо и железоподобные элементы
Железо - один из важнейших и самых распространенных переходных металлов. Оно относится к ВИИИВ группе 4-го периода Периодической системы.
Железо - самый распространенный переходный металл
Особенностью железа является его склонность к быстрому окислению во влажном воздухе с образованием различных оксидов железа. Годовой экономический ущерб от коррозии железа исчисляется триллионами долларов!
Степени окисления железа в соединениях: 0, +2, +3, +6. При взаимодействии с кислородом образуется железная окалина - смесь оксидов FeO, Fe2O3, Fe3O4.
Соединения и сплавы железа
Наиболее важными соединениями железа являются оксиды, гидроксиды и различные соли (сульфаты, хлориды и др.). Также широко распространены сплавы на основе железа - чугун и сталь.