§ 50. Общая характеристика переходных металлов

Определения и обозначения

Переходные металлы — элементы, атомы которых или образуемые ими катионы имеют незаполненный d-подуровень. Этим они выделяются среди металлов с полностью заполненным или отсутствующим d-подуровнем. Критерий помогает понять, почему свойства таких элементов и их соединений часто разнообразны.

d-элементы — элементы, у которых при заполнении электронных оболочек электроны поступают на d-подуровень предвнешнего слоя. Они расположены в центральном d-блоке периодической системы, между s- и p-элементами. Понятие связывает место элемента в таблице с особенностью его электронного строения.

Переменная степень окисления — способность элемента проявлять в соединениях разные степени окисления. У переходных металлов в образовании связей могут участвовать электроны внешнего s- и предвнешнего d-слоёв. Поэтому число электронов, отдаваемых или условно смещаемых при образовании соединения, может различаться.

Комплексные соединения — вещества, в которых центральный атом или ион связан с окружающими частицами, называемыми лигандами. Лиганды могут быть молекулами или ионами и располагаются вокруг центра. Комплексы характерны для многих переходных металлов, поскольку их ионы способны связывать такие частицы.

Как это устроено

Переходные металлы находятся в d-блоке — между элементами двух крайних блоков таблицы, s и p. При движении слева направо по периоду электроны постепенно занимают d-подуровень предвнешнего слоя. Поэтому положение элемента в этой центральной части таблицы связано с его электронной конфигурацией. Однако для строгого отнесения к переходным металлам учитывают не только положение, но и наличие незаполненного d-подуровня у атома или его катиона.

У этих элементов внешний s-подуровень и предвнешний d-подуровень близки по энергии. По этой причине при образовании химических связей могут участвовать электроны обоих подуровней, а не только электроны самого внешнего слоя. Участие разного числа электронов меняет состав и свойства образующихся веществ. Так электронное строение связывает положение элемента в периодической системе с химическим разнообразием переходных металлов.

Многие переходные металлы имеют несколько степеней окисления, потому что в реакциях может участвовать разное число s- и d-электронов. Степень окисления показывает условный заряд атома в соединении при предположении, что общие электроны полностью смещены к более электроотрицательному элементу. Например, железо образует соединения, где его степень окисления равна +2 или +3. Возможность перехода между разными состояниями делает такие металлы участниками многих окислительно-восстановительных реакций.

Незаполненный d-подуровень некоторых ионов связан с окраской их соединений: ион может поглощать определённые части видимого света, а остальной свет воспринимается как цвет. Окраска зависит не только от металла, но и от его степени окисления и окружения в веществе. Поэтому среди соединений переходных металлов встречаются и окрашенные, и бесцветные. Ионы переходных металлов также часто связываются с лигандами — молекулами или ионами, окружающими центральный атом или ион, — и образуют комплексные соединения.

Для переходных металлов характерны металлический блеск, а у многих представителей — высокая прочность и плотность. Эти свойства полезны при изготовлении конструкций и инструментов, но конкретные значения различаются у разных металлов. В химии переходные металлы часто участвуют в окислительно-восстановительных процессах: они могут менять степень окисления. Многие металлы и их соединения проявляют каталитическую активность, то есть ускоряют определённые реакции, не расходуясь в них окончательно.

Общие признаки переходных металлов

Сначала по таблице можно проверить положение элемента и особенности его электронного строения, а затем сопоставить их с химическими свойствами. Оговорки в третьем столбце помогают не превращать общие тенденции в утверждения без исключений. Например, наличие d-электронов само по себе ещё не означает, что каждое соединение металла окрашено.

Разбор задач

Задача 1. Определите, относится ли элемент с конфигурацией атома [Ar]3d⁶4s² к d-элементам. Укажите признак, на который опираетесь.

1. Находим в конфигурации подуровень, который заполняется: это 3d.
2. Проверяем его слой: третий слой является предвнешним, поскольку внешний здесь четвёртый, с подуровнем 4s.
3. Значит, электроны поступают на d-подуровень предвнешнего слоя — именно это и определяет d-элемент.

Ответ: да, элемент относится к d-элементам; признак — заполнение подуровня 3d предвнешнего слоя.

Задача 2. Для атома железа с конфигурацией [Ar]3d⁶4s² запишите конфигурации ионов Fe²⁺ и Fe³⁺. Объясните, какие электроны удаляются первыми.

1. Сначала от нейтрального атома отнимаются два электрона внешнего подуровня 4s. Получаем Fe²⁺: [Ar]3d⁶.
2. Чтобы получить Fe³⁺, удаляем ещё один электрон, теперь с подуровня 3d. Получаем Fe³⁺: [Ar]3d⁵.
3. Хотя 4s заполняется раньше 3d, при ионизации внешние 4s-электроны уходят первыми. Порядок заполнения подуровней не следует путать с порядком удаления электронов.

Ответ: Fe²⁺ — [Ar]3d⁶; Fe³⁺ — [Ar]3d⁵. Сначала удаляются электроны 4s, затем 3d.

Задача 3. В Fe₂O₃ определите степень окисления железа и сравните её со степенью окисления в FeO. Объясните, почему возможны оба соединения.

1. В обычных оксидах кислород имеет степень окисления −2. Для Fe₂O₃ составляем условие электронейтральности: 2x + 3·(−2) = 0, откуда x = +3.
2. Для FeO получаем уравнение x + (−2) = 0, поэтому степень окисления железа равна +2.
3. Оба соединения возможны, поскольку железо может проявлять переменную степень окисления. В них соблюдается электронейтральность всего вещества, но число электронов, участвующих в образовании соединения, различается.

Ответ: в Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в FeO — +2.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любой d-элемент переходным металлом без дополнительных условий. Так думают, потому что элементы d-блока часто рассматривают как одну группу, но определения могут различаться. Проверьте, есть ли незаполненный d-подуровень у атома или его катиона: если такого признака нет, строгий критерий переходного металла не выполнен.

При образовании катиона иногда сначала убирают электроны 3d, поскольку этот подуровень заполняется позже 4s. Но порядок заполнения не равен порядку удаления: внешние электроны 4s уходят первыми. Чтобы проверить себя, укажите сначала внешний слой атома, а затем последовательно снимайте электроны с 4s и 3d.

Неверно приписывать переходному металлу только одну степень окисления. Это заблуждение возникает, если опираться на один знакомый пример соединения, а не на возможность участия электронов обоих подуровней. Сравните формулы разных соединений и проверьте степени окисления уравнением электронейтральности.

Нельзя утверждать, что все соединения переходных металлов окрашены. Цвет зависит от электронного строения конкретного иона и его окружения, а некоторые вещества бесцветны. Проверка проста: формулируйте признак как «многие соединения могут быть окрашены», а не как обязательное свойство каждого соединения.

Связь с другими темами

Для изучения переходных металлов нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях, слоях и подуровнях, а также о периодической системе. Переменные степени окисления помогают разбирать окислительно-восстановительные реакции, а представление о центральном ионе и лигандах — изучать комплексные соединения. Эти знания пригодятся при рассмотрении железа, меди, хрома и других металлов. Каталитическая активность связывает тему с химической кинетикой и промышленными процессами.

Что запомнить

• Переходные металлы расположены в d-блоке периодической системы.
• У многих из них в реакциях участвуют электроны внешнего s- и предвнешнего d-подуровней.
• Многие переходные металлы проявляют переменную степень окисления.
• Соединения переходных металлов могут иметь характерную окраску, но не все они окрашены.
• Многие переходные металлы образуют комплексные соединения.
• Ряд переходных металлов и их соединений обладает каталитической активностью.