Что такое переходные металлы в химии


Таблица Менделеева online - Переходные металлы

Переходные металлы (переходные элементы) — элементы побочных подгрупп Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, в атомах которых появляются электроны на d- и f-орбиталях. В общем виде электронное строение переходных элементов можно представить следующим образом: (n - 1)dxnsy. На ns-орбитали содержится один или два электрона, остальные валентные электроны находятся на (n − 1)d-орбитали. Поскольку число валентных электронов заметно меньше числа орбиталей, то простые вещества, образованные переходными элементами, являются металлами.

Таблица переходных металлов

Общая характеристика группы

Все переходные элементы имеют следующие общие свойства:

  1. Небольшие значения электроотрицательности.
  2. Переменные степени окисления. Почти для всех d-элементов, в атомах которых на внешнем ns-подуровне находятся 2 валентных электрона, известна степень окисления +2.
  3. Начиная с d-элементов III группы Периодической системы химических элементов, элементы в низшей степени окисления образуют соединения, которые проявляют основные свойства, в высшей — кислотные, в промежуточной — амфотерные. Например:

Введение в переходные металлы II

На этой странице объясняется, что такое переходный металл с точки зрения его электронной структуры, а затем рассматриваются общие особенности химии переходных металлов. К ним относятся переменная степень окисления (степень окисления), образование комплексных ионов, окрашенные ионы и каталитическая активность.

Что такое переходный металл?

Термины переходный металл (или элемент) и элемент d-блока иногда используются, как если бы они означают одно и то же.Они не ... есть тонкая разница между этими двумя терминами. Сначала мы рассмотрим элементы блока d:

Вы помните, что когда вы строите Периодическую таблицу и выясняете, куда поместить электроны, используя принцип Ауфбау, после аргона происходит что-то странное. В аргоне уровни 3s и 3p заполнены, но вместо того, чтобы заполнять следующие уровни 3d, вместо этого заполняется уровень 4s, чтобы дать калий, а затем кальций. Только после этого заполняются 3d уровни. Элементы Периодической таблицы, соответствующие заполнению d уровней, называются d блочными элементами.Первый ряд из них показан в сокращенной форме Периодической таблицы ниже.

Электронная структура показанных элементов блока d:

SC [Ар] 3d 1 4s 2
Ti [Ар] 3d 2 4s 2
В [Ар] 3d 3 4s 2
Cr [Ар] 3d 5 4s 1
Мн [Ar] 3d 5 4s 2
Fe [Ар] 3d 6 4s 2
Co [Ар] 3d 7 4s 2
Ni [Ар] 3d 8 4s 2
Cu [Ар] 3d 10 4s 1
Zn [Ар] 3d 10 4s 2

Вы заметите, что узор заливки не совсем аккуратный! Он разрушен как по хрому, так и по меди.Переходные металлы

Не все элементы d-блока считаются переходными металлами!

Переходный металл - это металл, который образует один или несколько стабильных ионов, которые имеют не полностью заполненных d-орбиталей. На основании этого определения скандий и цинк не считаются переходными металлами, даже если они входят в d-блок.

  • Скандий имеет электронную структуру [Ar] 3d 1 4s 2 . Когда он образует ионы, он всегда теряет 3 внешних электрона и в конечном итоге имеет структуру аргона.Ион Sc 3+ не имеет d-электронов и поэтому не соответствует определению.
  • Цинк имеет электронную структуру [Ar] 3d 10 4s 2 . Когда он образует ионы, он всегда теряет два 4s-электрона, чтобы получить ион 2+ с электронной структурой [Ar] 3d 10 . Ион цинка имеет полных уровней d и также не соответствует определению.

В отличие от меди, [Ar] 3d 10 4s 1 , образует два иона.В ионе Cu + электронная структура [Ar] 3d 10 . Однако более распространенный ион Cu 2 + имеет структуру [Ar] 3d 9 . Медь определенно является переходным металлом, потому что ион Cu 2 + имеет неполный d-уровень.

Ионы переходных металлов

Здесь вы столкнулись с одним из самых раздражающих фактов в химии такого уровня! Когда вы разрабатываете электронные структуры первой серии переходов (от скандия к цинку), используя принцип Ауфбау, вы делаете это на основании того, что 3d-орбитали имеют более высокие энергии, чем 4s-орбитали.

Это означает, что вы работаете в предположении, что 3d-электроны добавляются после 4s. Однако во всей химии переходных элементов 4s-орбиталь ведет себя как внешняя орбиталь с самой высокой энергией. Когда эти металлы образуют ионы, первыми всегда теряются 4s-электроны.

4s-электроны теряются первыми при образовании ионов d-блока

Для записи электронной структуры Co 2 + :
Co [Ар] 3d 7 4s 2
Co 2 + [Ар] 3d 7

Ион 2+ образуется в результате потери двух 4s-электронов.

Чтобы написать электронную структуру для V 3 + :
В [Ар] 3d 3 4s 2
В 3 + [Ар] 3d 2

Сначала теряются 4s-электроны, а затем один из 3d-электронов.

Переменная степень окисления (число)

Одной из ключевых особенностей химии переходных металлов является широкий диапазон степеней окисления (степеней окисления), которые могут проявляться металлами.Однако было бы неправильно создавать впечатление, что только переходные металлы могут иметь переменную степень окисления. Например, такие элементы, как сера, азот или хлор, имеют очень широкий диапазон степеней окисления в своих соединениях - и это, очевидно, не переходные металлы. Однако эта изменчивость менее характерна для металлов, за исключением переходных элементов. Из известных металлов из основных групп Периодической таблицы, только свинец и олово показывают переменную степень окисления в той или иной степени.

Примеры различных степеней окисления переходных металлов

  • Железо: Железо имеет две общие степени окисления (+2 и +3), например, в Fe 2 + и Fe 3 + .Он также имеет менее распространенную степень окисления +6 в ионе феррата (VI), FeO 4 2 -.
  • Марганец: Марганец имеет очень широкий диапазон степеней окисления в своих соединениях. Например:
+2 дюйм Mn 2 +
+3 дюйм Mn 2 O 3
+4 дюйм MnO 2
+6 дюйм MnO 4 2 -
+7 дюйм MnO 4 -

Вы найдете вышеупомянутые и другие примеры, рассмотренные подробно, если вы исследуете химию отдельных металлов из меню переходных металлов.Внизу страницы есть ссылка на это меню.

Объяснение различных степеней окисления переходных металлов

Мы рассмотрим образование простых ионов, таких как Fe 2 + и Fe 3 + . Когда металл образует ионное соединение, формула производимого соединения зависит от энергетики процесса. В целом образующееся соединение является тем, в котором выделяется больше всего энергии. Чем больше выделяется энергии, тем стабильнее соединение.Есть несколько энергетических терминов, над которыми стоит задуматься, но основные из них:

  • Количество энергии, необходимое для ионизации металла (сумма различных энергий ионизации)
  • Количество энергии, выделяемой при образовании соединения. Это будет либо энтальпия решетки, если вы думаете о твердых телах, либо энтальпия гидратации ионов, если вы думаете о растворах.

Чем более заряжен ион, тем больше электронов вам нужно удалить и тем больше энергии ионизации вы должны будете обеспечить.Но с учетом этого, чем более заряжен ион, тем больше энергии выделяется в виде энтальпии решетки или энтальпии гидратации иона металла.

Размышляя о типичном непереходном металле (кальции)

Формула хлорида кальция: CaCl 2 . Это почему? Если вы попытались получить CaCl (содержащий ион Ca + ), общий процесс будет немного экзотермическим. Создавая вместо этого ион Ca 2 + , вы должны предоставить больше энергии ионизации, но вы получите намного больше энергии решетки.Между ионами хлорида и ионами Ca 2 + существует гораздо большее притяжение, чем если бы у вас был только ион 1+. Общий процесс очень экзотермический. Поскольку при образовании CaCl 2 выделяется гораздо больше энергии, чем при образовании CaCl, то CaCl 2 более стабилен и поэтому образуется вместо него.

А как насчет CaCl 3 ? На этот раз вам нужно удалить из кальция еще один электрон. Первые два происходят с уровня 4s. Третий идет из 3п.Это гораздо ближе к ядру, поэтому удалить его гораздо сложнее. Между вторым и третьим удаленными электронами наблюдается большой скачок энергии ионизации. Хотя энтальпия решетки будет увеличиваться, этого недостаточно для компенсации дополнительной энергии ионизации, и в целом процесс очень эндотермический. Делать CaCl 3 энергетически нецелесообразно!

Думая о типичном переходном металле (железе)

Вот изменения в электронной структуре железа для образования ионов 2+ или 3+.

Fe [Ар] 3d 6 4s 2
Fe 2 + [Ар] 3d 6
Fe 3 + [Ар] 3d 5

Энергия 4s-орбиталей и 3d-орбиталей очень близка.Нет большого скачка количества энергии, необходимой для удаления третьего электрона, по сравнению с первым и вторым. Цифры для первых трех энергий ионизации (в кДж / моль -1 ) для железа по сравнению с таковыми для кальция:

металл 1-й IE 2-й IE 3-й IE
Ca 590 1150 4940
Fe 762 1560 2960

Энергия ионизации увеличивается по мере того, как вы отбираете у атома больше электронов, потому что такое же количество протонов привлекает меньше электронов.Однако если взять третий электрон из железа, то прирост будет гораздо меньше, чем из кальция.

В случае железа дополнительная энергия ионизации более или менее компенсируется дополнительной энтальпией решетки или энтальпией гидратации, выделяющейся при получении соединения 3+. В результате общее изменение энтальпии не сильно отличается от того, производите ли вы, скажем, FeCl 2 или FeCl 3 . Это означает, что преобразование между двумя соединениями не так уж сложно.

Образование комплексных ионов

Что такое комплексный ион?

Комплексный ион имеет ион металла в центре с рядом других молекул или ионов, окружающих его. Их можно считать прикрепленными к центральному иону координатными (дативными ковалентными) связями (в некоторых случаях связь на самом деле более сложна). Молекулы или ионы, окружающие центральный ион металла, называются лигандами. Простые лиганды включают воду, аммиак и ионы хлора.

Все это объединяет активные неподеленные пары электронов на внешнем энергетическом уровне.Они используются для образования координационных связей с ионом металла.

Некоторые примеры комплексных ионов, образованных переходными металлами

[Fe (H 2 O) 6 ] 2+

[Co (NH 3 ) 6 ] 2+

[Cr (OH) 6 ] 3-

[CuCl 4 ] 2-

Другие металлы также образуют комплексные ионы - это не то, что делают только переходные металлы.Однако переходные металлы образуют очень широкий спектр комплексных ионов.

Образование цветных соединений

На диаграммах показаны приблизительные цвета для некоторых распространенных комплексных ионов переходных металлов.

Вы найдете эти и другие обсуждаемые, если вы перейдете по ссылкам на отдельные металлы в меню переходных металлов (ссылка внизу страницы). Как вариант, вы можете изучить меню сложных ионов (перейдите по ссылке в окне справки, которое только что исчезло в верхней части экрана).

Происхождение цвета в ионах переходных металлов

Когда белый свет проходит через раствор одного из этих ионов или отражается от него, некоторые цвета света поглощаются. Цвет, который вы видите, - это то, как ваш глаз воспринимает то, что осталось. Присоединение лигандов к иону металла влияет на энергии d-орбиталей. Свет поглощается, когда электроны перемещаются между одной d-орбиталью и другой. Это подробно объясняется на другой странице.

Каталитическая активность

Переходные металлы и их соединения часто являются хорошими катализаторами.Некоторые из наиболее очевидных случаев упомянуты ниже, но вы найдете подробное исследование катализа в другом месте на сайте (перейдите по ссылке после примеров). Переходные металлы и их соединения действуют как катализаторы либо из-за их способности изменять степень окисления, либо, в случае металлов, адсорбировать другие вещества на своей поверхности и активировать их в процессе. Все это исследуется в главном разделе катализа.

Железо в процессе Габера

Процесс Габера объединяет водород и азот для получения аммиака с использованием железного катализатора.

Никель при гидрировании связей C = C

Эта реакция лежит в основе производства маргарина из растительных масел. Однако простейшим примером является реакция между этеном и водородом в присутствии никелевого катализатора.

Соединения переходных металлов в качестве катализаторов

Оксид ванадия (V) в контактном процессе

В основе контактного процесса лежит реакция превращения диоксида серы в триоксид серы.Газообразный диоксид серы пропускают вместе с воздухом (в качестве источника кислорода) над твердым катализатором на основе оксида ванадия (V).

Ионы железа в реакции персульфат-ионов с иодид-ионами

Персульфат-ионы (пероксодисульфат-ионы), S 2 O 8 2- , являются очень сильными окислителями. Иодид-ионы очень легко окисляются до йода. И все же реакция между ними в растворе в воде очень медленная. Реакция катализируется присутствием ионов железа (II) или железа (III).{2-} + I_2 \]

Авторы и авторство

.

металлов постпереходного периода | Ученик химии

Постпереходные элементы в периодической таблице - это группа элементов, расположенных между переходными металлами (справа) и металлоидами (слева). Из-за своих свойств их также называют «другими» или «бедными» металлами [1] .

Расположение металлов после перехода в Периодической таблице

Хотя есть некоторые противоречивые теории, обычно постпереходные металлы включают элементы из групп 13-15 [1,2] .

Металлы после перехода в периодической таблице

Элементы 113-116 в периодической таблице Менделеева, то есть нихоний (Nh), флеровий (Fl), московий (Mc) и ливерморий (Lv), считаются, возможно, принадлежащими к семейству пост-переходных металлов, хотя это пока подлежит подтверждению из-за некоторых неизвестных свойств элементов [6] .

Полоний иногда также включается в список постпереходных металлов. То же самое можно сделать для цинка, кадмия и ртути (которые иначе считаются переходными металлами), а также для германия и сурьмы (иначе считающихся металлоидами) [1] .

Свойства и характеристики металлов после перехода

Пример металла после переходного периода Висмут

Физические свойства

  • Мягкий или хрупкий, плохая механическая прочность [3]
  • Температура плавления ниже, чем у переходных металлов
  • Точки кипения также обычно ниже, чем у переходных металлов [3]
  • Ковалентная или направленная связь, показанная кристаллическими структурами [4]
  • Высокая плотность [5]

Химические свойства

  • Склонность к ковалентным связям [3]
  • Кислота - основная амфотерия
  • Может образовывать полуметаллические соединения [5]

Периодические тенденции металлов после переходного периода

Как правило, атомные радиусы уменьшаются, энергии ионизации увеличиваются, в результате меньше электронов доступно для металлических связей, и поэтому ионы меньше, более поляризуются и имеют тенденцию к образованию ковалентных связей.Следовательно, они имеют меньшую металлическую природу [3] .

Использование металлов после перехода

Различные элементы этого семейства используются по-разному. Алюминий и олово используются соответственно для изготовления посуды, в электронике, а также для пайки и покрытия стали [5] . Висмут используется для производства пепто-бисмола, лекарства, которое используется для успокоения расстройства желудка [1,5] . Индий используется в электронике, например, для изготовления сенсорных экранов и плоских дисплеев, а галлий находит применение в полупроводниках и топливных элементах [1, 2] .Свинец, помимо прочего, используется в производстве батарей.

Интересные факты

  • Алюминий - самый распространенный металл в постпереходный период и третий по распространенности элемент на Земле [1] .
  • Висмут из постпереходного металла считался самым тяжелым стабильным элементом до недавнего времени, пока не было обнаружено, что он умеренно радиоактивен.

Артикул:

  1. https://www.ducksters.com/science/chemistry/post-transition_metals.php
  2. http://www.miningoilgasjobs.com.au/mining/all-you-need-to-know-about-the-mining—metals-sec/quick-facts-about-post-transition-metals.aspx
  3. https://ipfs.io/ipfs/QmXoypizjW3WknFiJnKLwHCnL72vedxjQkDDP1mXWo6uco/wiki/Post-transition_metal.html
  4. https://posttransitionmetals.weebly.com/properties-of-the-post-transition-metals.html
  5. https://prezi.com/c8vo6gdp78-n/post-transition-metals/
  6. https://schooledbyscience.com/everyday-uses-of-basic-metals/
.

Переходные металлы и сложная химия ранних актинидных элементов - ScienceDaily

Многим из нас часто говорят, что мы имеем сходство с другим членом нашей семьи - например, что у нас есть нос матери или глаза отца.

Химические элементы в таблице Менделеева также имеют семейное сходство, которое может дать предсказательное представление о том, как элементы взаимодействуют, что приведет ученых к еще невообразимым приложениям.

В случае одного элемента, протактиния, химическое сходство, обусловленное конфигурацией его внешних электронов, связывает два семейства элементов: стабильные и хорошо известные переходные металлы и более экзотические актиниды.

В новом исследовании Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Университета Лилля во Франции химики изучили множественные сходства протактиния, чтобы более полно понять взаимосвязь между переходными металлами и сложной химией ранних актинидных элементов. .

Protactinium Основная ценность протактиниума заключается не в его коммерческом использовании, а в предоставлении нового фундаментального понимания химии элементов. Протактиний - это актинидный элемент, который в периодической таблице находится между торием и ураном.Однако протактиний также очень похож на ниобий и тантал, оба из которых являются переходными металлами, используемыми в ряде химических и металлургических применений. Когда химики поймут их сходство более подробно, они могут обнаружить новые и еще не открытые применения этих и других связанных элементов.

«Протактиний является точкой опоры периодической таблицы», - сказал автор исследования и аргоннский химик Ричард Уилсон. «Вопрос о том, как мы составляем периодическую таблицу, действительно лежит в основе наших размышлений о протактинии.«

Ответ на вопрос, действует ли протактиний больше как актинид или как переходный металл, заключается во внешних электронных оболочках атома протактиния. Ученые обозначают каждую раковину цифрой (от 1 до 7) и буквой (s, p, d или f). В какой оболочке обитают внешние электроны элемента, с точки зрения числа и буквы, определяется его семейство и помогает определить широкий диапазон его химического и физического поведения.

Разница между переходными металлами и актинидами заключается в том, что внешняя оболочка сначала заполняется доступными электронами.Протактиний, отметил Уилсон, особенно важен, потому что он представляет собой границу, на которой энергетически меняются d-орбитали и f-орбитали. Это определяет, как орбитали заполняются и как они взаимодействуют или связываются со своими соседями.

«d-орбитали в переходных металлах непосредственно участвуют в химическом связывании и могут организовываться в довольно предсказуемые структуры», - сказал Уилсон. «Актиниды не так легко образуют такие же виды связей».

По словам Уилсона, химики, изучающие актиниды, которые пытались заставить протактиний действовать как его кузены из переходных металлов, достигли ограниченного успеха.«Можем ли мы заставить протактиний вести себя как ниобий и тантал? Ответ экспериментально -« еще нет »», - сказал Уилсон. «Но работа над теорией этого уникального элемента может дать нам новый взгляд на то, как он может находиться прямо на этом важном химическом и энергетическом перекрестке».

Изменения в электронных орбиталях и поведении связей, которые происходят внутри тяжелых элементов, только усиливаются по мере продолжения периодической таблицы. В самых тяжелых элементах, сказал Уилсон, релятивистские эффекты начинают вытеснять наше классическое понимание того, как определенные элементы «должны» себя вести, даже до такой степени, что предполагаемый элемент может напоминать как инертный благородный газ, так и высокоактивный металл одновременно. .

«Мы начинаем понимать, что протактиний - это тот порог, на котором связи в периодической системе начинают меняться», - сказал Уилсон. «Мы углубляемся в то, что действительно движет периодической таблицей».

История Источник:

Материалы предоставлены DOE / Аргоннской национальной лабораторией . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

.

Химия для старших классов / переходные элементы - Викиучебники, открытые книги для открытого мира

Из Wikibooks, открытые книги для открытого мира

Перейти к навигации Перейти к поиску
Ищите Химия для старших классов / переходные элементы в одном из родственных проектов Викиучебника: Викиучебник не имеет страницы с таким точным названием.

Другие причины, по которым это сообщение может отображаться:

  • Если страница была создана здесь недавно, она может еще не отображаться из-за задержки обновления базы данных; подождите несколько минут и попробуйте функцию очистки.
  • Заголовки в Викиучебниках чувствительны к регистру , кроме первого символа; Пожалуйста, проверьте альтернативные заглавные буквы и подумайте о добавлении перенаправления сюда к правильному заголовку.
  • Если страница была удалена, проверьте журнал удалений и просмотрите политику удаления.
.

Смотрите также