"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Металлические элементы побочных подгрупп, или d-элементы, составляют большую часть металлов периодической системы. Их атомы могут использовать электроны близких по энергии подуровней, поэтому многие из этих элементов проявляют несколько степеней окисления. Это разнообразие отражается на свойствах и окраске их соединений. Железо, хром и медь нужны для производства стали, сплавов, проводов и деталей техники.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Элементы побочных подгрупп — элементы старой классификации, расположенные в побочных подгруппах периодической системы; большинство из них являются металлами. В современной нумерации это в основном элементы групп 3–12. Положение элемента помогает связать его свойства со строением атома и сравнить его с соседями.
d-Элементы — элементы, у которых при заполнении атома электронами заполняется d-подуровень предвнешнего энергетического уровня. Этот подуровень находится не на самом внешнем уровне, но его электроны могут участвовать в химических процессах. Поэтому электронное строение помогает объяснить характерные свойства многих металлов побочных подгрупп.
Переменная степень окисления — способность атомов одного элемента проявлять в соединениях разные степени окисления. Степень окисления — условный заряд атома, который используют для учёта электронов в соединении. Знание этого значения помогает составлять формулы веществ и предсказывать, какими будут их свойства.
Комплексные соединения — соединения, содержащие комплексный ион с центральным атомом или ионом и связанными с ним частицами. Центральная частица обычно является ионом металла, а окружающие её частицы называются лигандами. Это понятие нужно, чтобы описывать состав и свойства многих растворов соединений металлов.
В периодической системе элементы побочных подгрупп расположены между элементами главных подгрупп и относятся к d-блоку. При переходе по этому блоку электроны добавляются на d-подуровень предвнешнего уровня, поэтому эти элементы называют d-элементами. Большинство из них — металлы: их атомы сравнительно легко отдают электроны и образуют положительные ионы. Положение в системе показывает общую связь строения атома с химическими свойствами, но не означает, что все элементы блока ведут себя одинаково.
У многих d-элементов внешний s-подуровень и предвнешний d-подуровень близки по энергии. Поэтому в химических реакциях могут участвовать не только внешние s-электроны, но и часть d-электронов. В результате атомы одного металла отдают разное число электронов и образуют ионы с разными степенями окисления. Например, железо часто проявляет +2 и +3, а хром — +3 и +6.
Разные степени окисления означают разное соотношение атомов в соединениях одного металла. Поэтому у металла могут быть несколько оксидов, гидроксидов и солей с неодинаковыми свойствами. Например, оксид хрома(III) Cr₂O₃ проявляет основные свойства, а оксид хрома(VI) CrO₃ — кислотные. Степень окисления помогает понять состав вещества и объясняет, почему соединения одного элемента могут по-разному реагировать с кислотами и основаниями.
Соединения многих d-элементов окрашены, потому что их электронное строение допускает переходы электронов между близкими энергетическими уровнями. Часть света поглощается, а оставшаяся часть определяет цвет, который видит наблюдатель. Окраска зависит от степени окисления металла и его окружения, поэтому даже соединения одного элемента могут различаться по цвету. Ионы металлов также способны связываться с молекулами или другими ионами, образуя комплексные соединения.
Железо используют для изготовления стали и других конструкционных материалов: они нужны зданиям, машинам и инструментам. Хром повышает твёрдость и устойчивость сплавов к коррозии, а его покрытия защищают поверхность изделий. Медь хорошо проводит электрический ток, поэтому из неё делают провода и кабели; медные сплавы используют для деталей и изделий с нужными механическими свойствами. Таким образом, строение атома связано не только с химическими реакциями, но и с практическим выбором материала.
| Свойство | Хром (Cr) | Железо (Fe) | Медь (Cu) |
|---|---|---|---|
| Положение в периодической системе | 4-й период, группа 6 | 4-й период, группа 8 | 4-й период, группа 11 |
| Электронное строение атома | [Ar] 3d⁵ 4s¹ | [Ar] 3d⁶ 4s² | [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ |
| Характерные степени окисления | +2, +3, +6 | +2, +3 | +1, +2 |
| Примеры оксидов и гидроксидов | Cr₂O₃, CrO₃; Cr(OH)₃ | FeO, Fe₂O₃; Fe(OH)₂, Fe(OH)₃ | Cu₂O, CuO; CuOH, Cu(OH)₂ |
| Окраска характерных соединений | Cr₂O₃ — зелёный; соединения Cr(VI) часто жёлтые или оранжевые | соединения Fe(II) часто бледно-зелёные, Fe(III) — жёлтые или бурые | Cu₂O — красный; соединения Cu(II) часто синие или голубые |
| Применение металла и его сплавов | Нержавеющие и износостойкие сплавы, защитные покрытия | Сталь и чугун для строительства, машин и инструментов | Провода, кабели, электротехника; латунь и бронза |
Пользуйся таблицей, чтобы сопоставить строение атома, степени окисления и свойства соединений, а не заучивать строки отдельно. Формулы оксидов и гидроксидов показывают примеры, но не исчерпывают все соединения элемента. Окраска может зависеть от состава и условий, поэтому указанные цвета — характерные примеры.
Условие: Укажите, является ли железо d-элементом, и объясните ответ, используя его положение в периодической системе.
Ответ: железо — d-элемент, поскольку его атом находится в d-блоке и имеет заполняемый 3d-подуровень предвнешнего уровня.
Условие: Составьте формулы оксидов хрома, в которых хром проявляет степени окисления +3 и +6, и назовите их.
Ответ: Cr₂O₃ — оксид хрома(III), CrO₃ — оксид хрома(VI). В обеих формулах суммарный заряд равен нулю.
Условие: В соединении железа массовая доля железа составляет 70%, остальное приходится на кислород. Определите простейшую формулу оксида.
Ответ: простейшая формула оксида — Fe₂O₃.
Ошибка — считать, что все элементы побочных подгрупп имеют одинаковые свойства. Их объединяет заполнение d-подуровня, но строение атомов меняется по периодам и группам, поэтому меняются и свойства. Эту ошибку допускают, перенося вывод об одном металле на весь блок. Проверяй себя: сравнивай конкретные электронные конфигурации и соединения.
Не следует считать номер группы неизменной степенью окисления элемента. У многих d-элементов возможны несколько степеней окисления, потому что в реакциях могут участвовать электроны близких по энергии подуровней. Путаница возникает, если правило для элементов главных подгрупп применять ко всем металлам. Проверяй степень окисления по формуле соединения и сумме зарядов.
Металл и его соединения не обязаны иметь одинаковую окраску. Металлический хром, железо или медь имеют характерный металлический блеск, а цвет их соединений зависит от строения и состава вещества. Ошибка появляется, когда цвет иона или соли приписывают самому металлу. Уточняй, о каком веществе говорится: о простом веществе или соединении.
Сплав не следует отождествлять с химическим соединением. Сплав — материал из нескольких компонентов, причём их соотношение может меняться; у химического соединения есть определённая формула и фиксированное соотношение элементов. Путаница возникает потому, что сплавы часто называют по основному металлу или применению. Проверяй себя: можно ли для вещества указать одну постоянную формулу?
Чтобы понять свойства элементов побочных подгрупп, нужно знать строение электронных оболочек, электронные конфигурации и периодический закон. Составление формул их соединений опирается на понятия степени окисления, оксидов, оснований, кислот и солей. Позже эти знания помогут разбирать окислительно-восстановительные реакции и образование комплексных соединений. Они также нужны при изучении коррозии, получения металлов и металлургии.
Почему элементы побочных подгрупп называют d-элементами?
При образовании атомов этих элементов электроны заполняют d-подуровень предвнешнего энергетического уровня. Поэтому в электронной конфигурации атома появляется d-подуровень, и элементы относят к d-элементам.
Почему один и тот же металл может иметь несколько степеней окисления?
У многих d-элементов внешние s- и предвнешние d-электроны близки по энергии. В химических реакциях атом может отдавать разное число таких электронов, поэтому металл проявляет несколько степеней окисления.
Почему соединения металлов побочных подгрупп часто окрашены?
Окраска связана с электронным строением и переходами электронов между энергетическими уровнями. Цвет зависит от состава соединения, степени окисления металла и его окружения, поэтому соединения одного элемента могут иметь разную окраску.
Чем сплав отличается от химического соединения?
Сплав — материал из нескольких компонентов, обычно металлов или металла с другими элементами; его состав может меняться в определённых пределах. Химическое соединение имеет определённую формулу и постоянное соотношение элементов.
Где в промышленности используют железо, хром и медь?
Железо и его сплавы применяют в строительстве, машиностроении и производстве инструментов. Хром используют для получения нержавеющих и износостойких сплавов, а также для защитных покрытий. Медь благодаря высокой электропроводности нужна для проводов, кабелей и деталей электротехники.
§ 28. Обзор металлических элементов Б-групп
