"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н., Шаталов М.А.
Металлы побочных подгрупп — элементы центральной части Периодической системы, атомы которых имеют незаполненный d-подуровень. Их называют переходными, поскольку при образовании связей могут участвовать электроны внешнего и предвнешнего уровней. Поэтому многие из них проявляют переменные степени окисления и образуют соединения с разными свойствами. Эти особенности объясняют применение хрома, железа, меди и других металлов в сплавах, технике и катализе.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металлы побочных подгрупп — элементы центральной части Периодической системы, расположенные в побочных подгруппах групп старой классификации, то есть в d-блоке. К ним относят, например, хром, железо, медь и многие другие элементы. Это определение помогает связать положение элемента с его электронной оболочкой и свойствами.
Переходные элементы — элементы, у атомов которых происходит постепенное заполнение подуровня между уже заполненными внешними уровнями. Поэтому они занимают промежуточное положение между s- и p-элементами. Название нужно, чтобы подчеркнуть особый характер изменения строения атомов в этом участке таблицы.
d-элементы — атомы, у которых заполняется d-подуровень, обычно предвнешнего энергетического уровня. На нём может находиться от одного до десяти электронов. Знание этого обозначения позволяет понять электронное строение и возможные степени окисления элемента.
Переменная степень окисления означает, что один и тот же металл может иметь разные условные заряды атома в составе соединений. Это связано с близкой энергией электронов внешнего и предвнешнего уровней, которые могут участвовать в образовании связей. Поэтому железо образует соединения Fe(+2) и Fe(+3), а хром — соединения с несколькими степенями окисления.
Металлы побочных подгрупп находятся в средней части Периодической системы, между элементами левого s-блока и правого p-блока. В периоде при переходе слева направо у них постепенно заполняется d-подуровень предвнешнего уровня. Такое положение объясняет сходство многих соседних элементов, но небольшое различие их электронного строения приводит к различиям в свойствах.
У атомов переходных металлов внешним обычно является s-уровень, а d-электроны находятся на предвнешнем уровне. Энергии этих электронов близки, поэтому при образовании химических связей могут отрываться не только внешние, но и часть d-электронов. Чем больше электронов участвует в процессе, тем выше возможная степень окисления металла.
Металлическая связь возникает благодаря обобществлению валентных электронов в кристаллической решётке. Электроны могут перемещаться по кристаллу, поэтому металлы проводят электрический ток и тепло, обладают металлическим блеском и обычно пластичны. Прочность, температура плавления и твёрдость зависят от строения конкретного металла, поэтому общие признаки не означают полного равенства свойств.
С простыми веществами металлы могут реагировать с кислородом, галогенами и серой, образуя оксиды, галогениды и сульфиды. С кислотами реакция определяется активностью металла и окислительными свойствами кислоты: одни металлы вытесняют водород, другие реагируют только с окисляющими кислотами. Разные степени окисления приводят к разным оксидам, гидроксидам и солям, поэтому соединения хрома, железа и меди могут заметно отличаться по цвету, растворимости и окислительно-восстановительным свойствам.
| Признак | Хром | Железо | Медь |
|---|---|---|---|
| Положение в Периодической системе | 4-й период, группа 6, d-элемент | 4-й период, группа 8, d-элемент | 4-й период, группа 11, d-элемент |
| Характерные степени окисления | +2, +3, +6 | +2, +3 | +1, +2 |
| Примеры оксидов и соответствующих степеней окисления | CrO — +2; Cr₂O₃ — +3; CrO₃ — +6 | FeO — +2; Fe₂O₃ — +3 | Cu₂O — +1; CuO — +2 |
| Характер взаимодействия с кислородом | Образует оксиды; Cr₂O₃ создаёт защитную плёнку | Во влажном воздухе окисляется и ржавеет | Медленно окисляется, покрывается защитной патиной |
| Типичные химические свойства и реакции | Реагирует с кислотами; соединения Cr(VI) — сильные окислители | Реагирует с разбавленными кислотами и хлором: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ | С разбавленной H₂SO₄ обычно не реагирует; с окислительными кислотами реагирует |
| Применение, связанное со свойствами | Нержавеющие стали, покрытия, сплавы | Сталь, чугун, конструкции, машины | Провода, сплавы, теплообменники, катализаторы |
Таблицу удобно читать по строкам, сравнивая один признак у трёх металлов. По столбцу можно проследить связь положения элемента со степенями окисления, реакциями и применением. Формулы оксидов проверяйте через условие электронейтральности.
Задача 1. Определите положение железа в Периодической системе и запишите распределение электронов по энергетическим уровням. Нужно связать порядковый номер элемента с числом электронов нейтрального атома. Затем электроны распределяют по уровням и проверяют их общую сумму.
Ответ: Fe — 4-й период, 8-я группа; распределение электронов по уровням: 2, 8, 14, 2.
Задача 2. Определите степени окисления хрома в Cr₂O₃ и K₂Cr₂O₇. Кислород обычно имеет степень окисления −2, калий — +1. Сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю.
Ответ: в Cr₂O₃ хром имеет степень окисления +3, а в K₂Cr₂O₇ — +6.
Задача 3. Составьте уравнения реакций железа с хлором и разбавленной серной кислотой, укажите окислитель и восстановитель. В каждой реакции сначала определяют изменения степеней окисления, затем подбирают коэффициенты. Это позволяет не нарушить электронный баланс.
Ответ: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃; Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑. Окислители — Cl₂ и H⁺, восстановитель в обеих реакциях — железо.
Считать, что все металлы побочных подгрупп имеют одинаковые свойства, неправильно. Общая принадлежность к d-элементам объясняет некоторые закономерности, но состав электронной оболочки и условия реакции у конкретных металлов различаются. Проверяйте себя сравнением положения элемента, его активности и формулы продукта.
Записывать металлу только одну степень окисления — ошибка, потому что у многих переходных элементов возможны несколько вариантов. Их устойчивость зависит от состава соединения и условий. Проверьте формулы оксидов и солей, вычислив степень окисления по электронейтральности.
Степень окисления нельзя безоговорочно считать зарядом иона. Это условная величина для распределения электронов в соединении, тогда как заряд относится к реальной частице. Если вещество не состоит из простых ионов, не подменяйте одно понятие другим.
Уравнение реакции нельзя составлять без проверки коэффициентов и изменения степеней окисления. Такая запись может нарушать закон сохранения атомов или электронный баланс. После расстановки коэффициентов пересчитайте каждый элемент и число отданных и принятых электронов.
Для изучения темы нужны знания о строении электронной оболочки, периодах и группах Периодической системы, а также правила определения степени окисления. Эти понятия объясняют положение d-элементов и разнообразие их соединений.
Окисление, восстановление и метод электронного баланса помогают составлять уравнения реакций металлов с простыми веществами и кислотами. Тема продолжает изучение сплавов и связана с коррозией, комплексными соединениями и промышленным катализом.
Почему металлы побочных подгрупп называют переходными элементами?
Они расположены между элементами s- и p-блоков, а в их атомах постепенно заполняется d-подуровень предвнешнего энергетического уровня. Поэтому эти элементы как бы обеспечивают переход от одного типа электронного строения к другому.
Почему для железа и хрома характерны разные степени окисления?
У атомов железа и хрома разное число электронов на внешнем и предвнешнем уровнях. При образовании соединений они могут отдавать разное количество электронов, поэтому набор устойчивых степеней окисления у элементов не совпадает.
Все ли металлы побочных подгрупп реагируют с кислотами одинаково?
Нет. Реакционная способность зависит от активности металла, вида кислоты, её концентрации и температуры. Например, железо реагирует с разбавленной серной кислотой с выделением водорода, а медь с такой кислотой обычно не реагирует.
Как определить степень окисления металла в его соединении?
Используют известные степени окисления других элементов и условие электронейтральности соединения. Сумма степеней окисления всех атомов с учётом их количества должна быть равна нулю.
Почему металлы побочных подгрупп широко используют в сплавах?
Они придают сплавам прочность, твёрдость, жаростойкость, коррозионную стойкость или особые электрические свойства. Состав сплава можно подбирать так, чтобы получить материал для конкретной технической задачи.
§ 21. Металлы побочных подгрупп
