Двенадцатый класс → d-элементы и f-элементы ↓
Общие свойства переходных металлов
Переходные металлы — это группа элементов, расположенных в центре периодической таблицы, а именно в d-блоке. Эти элементы характеризуются частично заполненными d-орбиталями и демонстрируют широкий спектр химических и физических свойств. Они известны своими уникальными способностями, такими как образование цветных соединений, выполнение функций катализаторов и образование множественных состояний окисления. Этот документ охватывает общие свойства переходных металлов, предоставляя всестороннее понимание для химии 12 класса.
Определение переходных металлов
Переходные металлы находятся в группах с 3 по 12 периодической таблицы. Они называются "переходными" металлами, потому что они представляют собой переход между главными группами элементов, обладающих более предсказуемыми свойствами.
Классификация химических элементов
- Группа 1: Щелочные металлы
- Группа 2: Щелочноземельные металлы
- Группы 3-12: Переходные металлы
- Группы 13-18: Другие элементы главной группы
Электронная конфигурация
Электронная конфигурация переходных металлов является важным аспектом их химии. Переходные металлы определяются неполным d-подуровнем. Общая электронная конфигурация переходных металлов: [инертный газ] (n-1)d1-10 ns1-2.
Например:
- Скандий (Sc): [Ar] 3d1 4s2
- Железо (Fe): [Ar] 3d6 4s2
- Медь (Cu): [Ar] 3d10 4s1
Физические свойства
Блеск и проводимость
Переходные металлы обычно очень блестящие, что означает, что они выглядят блестящими. Они также являются хорошими проводниками тепла и электричества. Эти металлы можно формовать в проволоки и другие формы без поломки благодаря их пластичности и ковкости.
Высокая температура плавления и кипения
У большинства переходных металлов высокая температура плавления и кипения. Это свойство обусловлено сильными металлическими связями между делокализованными d-электронами и положительными ионами в металлической решетке. Например:
Как показано на приведенном выше примере графика, у железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni) и палладия (Pd) относительно высокие температуры плавления по сравнению с другими металлами.
Химические свойства
Переменные состояния окисления
Одним из самых характерных свойств переходных металлов является их способность демонстрировать множественные состояния окисления. Эта особенность обусловлена близкими энергетическими уровнями их ns и (n-1)d орбиталей, позволяющими извлекать электроны из обоих слоев. Например:
- Железо (Fe) может иметь состояния окисления +2, +3
- Марганец (Mn) может иметь состояния окисления +2, +3, +4, +6, +7
Каталитические свойства
Переходные металлы и их соединения часто действуют как катализаторы. Их эффективность в качестве катализаторов в основном связана с их способностью отдавать и забирать электроны во время химических реакций. Например, железо используется в качестве катализатора в процессе Габера для синтеза аммиака:
3H2 + N2 ↔ 2NH3 (в присутствии Fe)
Производство сплавов
Переходные металлы легко образуют сплавы друг с другом, что представляет собой смеси, обладающие металлическими свойствами. Сплавы часто улучшают желательные свойства, такие как прочность, долговечность или устойчивость к коррозии.
Например, сталь, состоящая в основном из железа и нескольких процентов углерода, прочнее, чем чистое железо.
Цветные соединения
Соединения, содержащие переходные металлы, часто имеют цвет, что является уникальной и узнаваемой особенностью. Цвета возникают из-за электронных переходов между d-орбиталями, расщепленными лигандами в октаэдрическом поле. Например, соединение перманганата калия (KMnO4) имеет насыщенный фиолетовый цвет благодаря этим d-орбитальным переходам.
Как показано, перманганат калия демонстрирует яркий фиолетовый цвет в растворе.
Магнитные свойства
Переходные металлы могут проявлять различные виды магнетизма, такие как ферромагнетизм, парамагнетизм и диамагнетизм, из-за наличия неспаренных d-электронов:
- Ферромагнетизм: Сильные магнитные свойства (например, железо - Fe)
- Парамагнетизм: Слабый, временный магнетизм (например, марганец - Mn)
- Диамагнетизм: Отталкивает магнитное поле (например, медь - Cu)
Образование комплексных соединений
Переходные металлы легко образуют комплексные соединения с различными лигандами. Эти комплексы обычно образуются, когда переходные металлы координируются с ионами или молекулами через донорно-акцепторные связи. Такие соединения используются в различных областях, включая катализ, медицинские цели и материаловедение.
Пример комплексного соединения
- [Cu(NH3)4]SO4: Темно-синий комплекс, образующийся при реакции сульфата меди с аммиаком.
Гибкость и пластичность
Переходные металлы известны своей пластичностью и ковкостью, что означает, что они могут быть вытянуты в проволоки или формованы без разрушения. Эти свойства обусловлены способностью атомов в их металлических решетках скользить мимо друг друга при напряжении, не теряя связности.
Устойчивость к коррозии
Многие переходные металлы устойчивы к коррозии. Например, нержавеющая сталь это сплав железа с высоким содержанием хрома, который образует пассивирующий слой оксида хрома для защиты от коррозии.
Применение и значение
Благодаря своим универсальным свойствам переходные металлы используются в различных приложениях в самых разных отраслях:
- Автомобильная промышленность: Каталитические нейтрализаторы (металлы платиновой группы)
- Электротехническая промышленность: Электропровода (медь)
- Ювелирные изделия: Драгоценные металлы, такие как золото и платина
- Химическая промышленность: Промышленные катализаторы (железо, никель)
- Строительство: Стальные каркасы и армировка
Заключение
Переходные металлы играют важную роль как в природе, так и в промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Их способность образовывать множество соединений, как красочных, так и сложных, и их интересные физические свойства делают их основной областью изучения в химии.
Понимание общих свойств переходных металлов способствует пониманию того, как эти универсальные элементы могут быть использованы в различных химических процессах и приложениях. Их изучение не только обогащает знания в химии, но и стимулирует развитие технологий и науки о материалах.
Комментарии