"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
8-элементы — переходные d-элементы 8-й группы: железо, рутений, осмий и хассий. Наибольшее практическое значение имеет железная триада Fe–Ru–Os: её элементы сходны по строению атомов, образуют соединения с переменными степенями окисления, оксиды, гидроксиды, соли и комплексы. При движении сверху вниз изменяются радиусы, плотность, устойчивость высших степеней окисления и химическая активность.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
8-элементы — элементы 8-й группы периодической системы: железо Fe, рутений Ru, осмий Os и искусственно полученный хассий Hs. Они находятся в d-блоке, то есть в средней части таблицы между s- и p-элементами. Такое положение связано с заполнением d-подуровня.
Железная триада — Fe, Ru и Os, сходные по строению атомов и химическим свойствам. Их объединяют в отдельную триаду, потому что сравнение этих элементов показывает закономерное изменение свойств сверху вниз по группе. Хассий в природе не встречается и изучен значительно слабее.
d-элементы — элементы, у атомов которых заполняется d-подуровень предпоследнего электронного слоя. В химических превращениях могут участвовать и d-, и s-электроны. Поэтому для таких элементов характерны переменные степени окисления, окрашенные соединения и комплексообразование.
Переменная степень окисления — способность атомов одного элемента образовывать соединения с разными степенями окисления. Например, железо имеет +2 в FeO и +3 в Fe₂O₃. Это понятие помогает объяснить разнообразие соединений и окислительно-восстановительные свойства 8-элементов.
В периодической системе Fe расположен в 4-м периоде, Ru — в 5-м, Os — в 6-м, а Hs — в 7-м. Все они находятся в одной вертикальной группе d-блока, потому что после заполнения внешнего s-подуровня у них идёт заполнение d-подуровня предыдущего уровня. Следовательно, их электронное строение объясняет переходный характер этих металлов.
Конфигурации атомов железа, рутения и осмия имеют сходную схему: Fe — [Ar] 3d⁶4s², Ru — [Kr] 4d⁷5s¹, Os — [Xe] 4f¹⁴5d⁶6s². У рутения наблюдается перераспределение электронов между s- и d-подуровнями, поскольку такая конфигурация энергетически выгоднее. В реакциях внешние s-электроны и часть d-электронов могут участвовать в образовании связей.
Сходство Fe, Ru и Os определяется близким строением их валентных оболочек, поэтому для них характерны металлическая связь, несколько степеней окисления и комплексы. Сверху вниз радиусы атомов в целом увеличиваются, а электроны удерживаются тяжелыми атомами иначе из-за экранирования и влияния внутренних оболочек. В результате изменяются энергия и устойчивость соединений, хотя общая химическая «модель» триады сохраняется.
Переменные степени окисления возникают потому, что энергии ns- и (n−1)d-электронов близки. Для Fe наиболее устойчивы +2 и +3, для Ru — +3 и +4, а также +2, +6 и +8; для Os особенно важны +4 и +8, встречаются +2, +3 и +6. У тяжёлых аналогов высокие степени окисления обычно стабилизируются лучше, чем у железа.
Простые вещества железной триады — твёрдые металлические вещества с высокой прочностью и высокими температурами плавления. В ряду Fe → Ru → Os плотность резко возрастает: примерно от 7,9 до 22,6 г/см³, а температура плавления также в целом повышается. Все три металла проводят электрический ток и тепло, но их механические и химические свойства различаются.
| Свойство | Железо Fe | Рутений Ru | Осмий Os |
|---|---|---|---|
| Порядковый номер и период | 26, 4-й период | 44, 5-й период | 76, 6-й период |
| Электронная конфигурация атома | [Ar] 3d⁶4s² | [Kr] 4d⁷5s¹ | [Xe] 4f¹⁴5d⁶6s² |
| Положение в d-блоке | 4-й ряд, 8-я группа | 5-й ряд, 8-я группа | 6-й ряд, 8-я группа |
| Наиболее характерные степени окисления | +2, +3 | +2, +3, +4, +6, +8 | +2, +3, +4, +6, +8 |
| Простое вещество: агрегатное состояние и основные физические свойства | Твёрдый металл; ρ ≈ 7,87 г/см³, tₚₗ ≈ 1538 °C | Твёрдый металл; ρ ≈ 12,45 г/см³, tₚₗ ≈ 2334 °C | Твёрдый металл; ρ ≈ 22,59 г/см³, tₚₗ ≈ 3033 °C |
| Взаимодействие с кислородом и образование оксидов | При нагревании образует Fe₃O₄ и Fe₂O₃ | Образует главным образом RuO₂; при сильном окислении возможен летучий RuO₄ | Образует OsO₂; при окислении возможен очень токсичный OsO₄ |
| Взаимодействие с кислотами | С разбавленными неокисляющими кислотами выделяет H₂; пассивируется концентрированными HNO₃ и H₂SO₄ | Устойчив к многим кислотам, растворяется в сильных окислительных средах | Очень устойчив; реагирует при жёстких окислительных условиях |
| Гидроксиды и их кислотно-основные свойства | Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ — преимущественно основные, слабый амфотерный характер | Гидроксиды переменного состава; высшие соединения проявляют более кислые свойства | Гидроксиды и оксогидроксиды; при высоких степенях окисления кислотность возрастает |
| Способность к комплексообразованию | Образует многочисленные комплексы, например с CN⁻ и SCN⁻ | Очень высокая; устойчивые хлоридные, амминные и другие комплексы | Очень высокая; многочисленные комплексы и металлосодержащие катализаторы |
| Распространённость и важнейшие области применения | Распространён; сталь, сплавы, техника, биологические системы | Редок; катализаторы, покрытия, электроника, специальные сплавы | Очень редок; твёрдые сплавы, контакты, катализ; соединения токсичны |
Таблицу удобно читать сначала по строкам: так сравниваются одни и те же признаки у трёх элементов. По столбцам можно проследить, как меняются свойства при переходе от Fe к Ru и Os. Значения степеней окисления и формулы соединений нужно связывать с электронным строением, а не заучивать изолированно.
С кислородом железо при нагревании даёт смешанный оксид Fe₃O₄ и Fe₂O₃, а у Ru и Os возможны более высокие оксиды, включая летучие RuO₄ и OsO₄. Железо растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах с выделением водорода. Ru и Os благороднее и устойчивее, поэтому обычно требуют окислительной среды.
Гидроксиды Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ получают из растворов солей действием щёлочи; они проявляют преимущественно основные свойства. Для тяжёлых аналогов при росте степени окисления возрастает кислотный характер оксидов и гидроксосоединений. Все 8-элементы способны связывать лиганды — частицы, отдающие электронную пару, — и образовывать комплексные соединения.
Железо значительно активнее Ru и Os и легче переходит в растворы в виде Fe²⁺ и Fe³⁺. Рутений и осмий лучше стабилизируют высокие степени окисления и образуют более устойчивые комплексы. При этом OsO₄ крайне токсичен, тогда как биологическая роль железа жизненно важна: оно входит в гемоглобин и ферменты.
Задача 1. По положению Fe, Ru и Os в периодической системе определить их принадлежность к 8-элементам и записать электронные конфигурации атомов.
Ответ: Fe, Ru и Os — 8-элементы и переходные d-элементы. Их конфигурации показывают наличие незаполненного d-подуровня, что объясняет переменные степени окисления.
Задача 2. Определить степени окисления железа в FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄.
Ответ: FeO содержит Fe²⁺, Fe₂O₃ — Fe³⁺, а Fe₃O₄ — одновременно Fe²⁺ и Fe³⁺.
Задача 3. Составить уравнения реакций железа с разбавленной соляной кислотой, хлором и кислородом; определить восстановитель и продукты.
Ответ: продукты — FeCl₂ и H₂, FeCl₃, Fe₃O₄; железо во всех случаях выступает восстановителем, а кислота, хлор и кислород — окислителями.
Первая ошибка — считать 8-элементами все элементы старой VIII группы. Так происходит из-за прежнего объединения нескольких триад; проверяйте, используется ли современная нумерация групп, где указаны Fe, Ru, Os и Hs.
Нельзя приписывать всем 8-элементам одинаковые степени окисления. Сходство электронного строения даёт общие тенденции, но устойчивость соединений меняется вниз группы; сверяйте формулу вещества и заряд частиц.
В Fe₃O₄ ошибочно записывают одну степень окисления железа +8/3. Это только среднее значение: представьте Fe₃O₄ как FeO·Fe₂O₃ и увидите Fe²⁺ и Fe³⁺.
Наконец, нельзя полностью переносить свойства Fe на Ru и Os. Более тяжёлые аналоги устойчивее к кислотам, лучше образуют комплексы и иначе стабилизируют высокие степени окисления; проверяйте вывод сравнением радиусов и химической активности.
Для понимания темы нужны строение атома, электронные конфигурации, устройство периодической системы и понятия d-элемента и степени окисления. Эти знания позволяют объяснять периодическое изменение радиусов и активности, составлять формулы и уравнивать окислительно-восстановительные реакции.
Тема связана с химией железа, комплексными соединениями, металлургией и переходными металлами. Она пригодится при изучении коррозии, получения стали, катализа и расчётов по реакциям окисления-восстановления.
Почему железо, рутений и осмий считают одной триадой?
У Fe, Ru и Os сходное строение внешних электронных оболочек и незаполненный d-подуровень предпоследнего слоя. Поэтому они проявляют переменные степени окисления, образуют похожие типы соединений и относятся к переходным металлам.
Чем 8-элементы отличаются от элементов старой VIII группы?
Современная 8-я группа включает Fe, Ru, Os и искусственный Hs. В старой системе обозначение VIII группы объединяло несколько триад, поэтому туда относили также Co, Ni и элементы платиновой группы.
Почему 8-элементы проявляют несколько степеней окисления?
В химических реакциях могут участвовать не только электроны внешнего s-подуровня, но и d-электроны. Энергии этих электронов близки, поэтому атомы способны отдавать разное их число и образовывать соединения с различными степенями окисления.
Почему свойства железа нельзя полностью перенести на осмий и рутений?
При переходе вниз группы увеличиваются размеры и масса атомов, меняются энергии электронов и устойчивость разных степеней окисления. Ru и Os обычно устойчивее к химическому воздействию, легче образуют прочные комплексы и чаще стабилизируют высокие степени окисления.
Какие соединения и области применения наиболее характерны для 8-элементов?
Для железа особенно характерны FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, гидроксиды Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃, соли и комплексы; металл используют в производстве стали и машин. Рутений и осмий применяют главным образом как катализаторы, материалы для сплавов, контактов и специальных приборов; соединения осмия требуют осторожности из-за токсичности OsO₄.
14.2. Общая характеристика 8-элементов
