Свойства d металлов и их соединений

Обновлено: 05.10.2024

Строение электронных оболочек атомов d-элементов, их компоненты. Принципы их взаимодействия с простыми веществами (кислородом, галогенами, серой, углеродом), а также с водой, кислотами, щелочами и растворами солей. Кислотно-основные свойства гидроксидов.

Рубрика	Химия
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	02.04.2016
Размер файла	55,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Общие свойства d-металлов

1. Строение электронных оболочек атомов d-элементов

галоген гидроксид щелочь металл

Из всех элементов Периодической системы Д.И. Менделеева более 100 в виде простых веществ относятся к металлам. В соответствии с особенностями строения валентных энергетических уровней изолированных атомов все металлы делятся на простые и переходные.

В атомах простых металлов валентные электроны располагаются на внешних s- и p - подуровнях. Они занимают главные подгруппы в Периодической системе.

В атомах переходных металлов по мере возрастания зарядов ядер происходит постепенное заполнение предвнешних (второго снаружи у d- и третьего снаружи у f-элементов) энергетических подуровней. При этом число электронов на внешнем энергетическом уровне остается практически неизменным (чаще по 2 электрона). Переходные металлы занимают все побочные подгруппы в Периодической системе элементов

Химические элементы, в атомах которых происходит заполнение электронами предвнешнего d-подуровня, называются d-элементами.

Располагаются d-элементы в больших периодах, образуя декады (по числу электронов на пяти d - орбиталях):

IV период: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn.

V период: Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd.

VI период: La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg.

Известно, что электроны в атомах заполняют энергетические уровни и подуровни в соответствии с возрастанием их энергии. По мере увеличения зарядов ядер, энергия различных подуровней изменяется по-разному. В первых трех периодах происходит последовательное заполнение электронами s- и p - подуровней. В четвертом периоде для атомов с зарядом ядра Z = 19 и 20 энергия 4s - подуровня становится меньше, чем энергия вакантного 3d-подуровня (сказывается эффект экранирования ядра плотным слоем 3s 2 3p 6 ). В связи с отталкиванием от этого слоя девятнадцатого электрона атома калия и двадцатого электрона атома кальция, энергетически более выгодным становится 4s-состояние, вместо 3d-состояния:

₁₉K 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

₂₀Ca 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2

У следующего элемента скандия (Sc) картина меняется: 3d-состояние энергетически выгоднее, чем 4p-состояние:

₂₁Sc 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2

Такое положение сохраняется до окончания заполнения 3d-подуровня (10 элементов). Затем начинает заполняться 4p-подуровень. Таким образом, в IV периоде последовательно заполняются 4s 2 3d 10 4p 6 подуровни, и общее количество элементов становится равным 18.

Элементы IV периода

Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn.

Ga, Ge, As, Se, Br, Kr

В V периоде последовательность заполнения энергетических подуровней аналогична IV периоду: 5s 2 4d 10 5p 6 . Общее число элементов также равно 18, в том числе, вставная декада d-элементов от иттрия (Y) до кадмия (Cd).

Элементы V периода

Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd

In, Sn, Sb, Te, I, Xe

VI период содержит две вставные группы: d- и f - элементов. Последовательность заполнения энергетических подуровней электронами следующая - 6s 2 5d 1 4f 14 5d 2-10 6p 6 . Общее число элементов возрастает до 32.

Элементы VI периода

La*, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg

Tl, Pb, Bi, Po, At, Rn

* - f - элементы (лантаноиды): Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu

В седьмом периоде имеются два s-элемента: франций (Fr) и радий (Ra); за ними следуют один d-элемент - актиний (Ac) и четырнадцать f-элементов (Th - Lr); далее - снова располагаются d-элементы. В настоящее время VII период пока не завершен.

Элементы VII периода

Ac*, Ku, Ns (период не завершен)…

* - f-элементы (актиноиды): Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr.

Переходные металлы

Переходные металлы — элементы побочных подгрупп Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, в атомах которых появляются электроны на d- и f-орбиталях.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Переходные металлы - общая характеристика

Все d-элементы расположены в побочных подгруппах периодической системы элементов и являются переходными.

Находясь только в больших периодах (IV, V, VI), d-элементы образуют "вставные декады" (по 10 элементов) между s- и d-элементами, поэтому имеют общее название — переходные металлы.

В атомах d-элементов содержится от 1 до 10 электронов на d-подуровне предвнешнего электронного слоя и 2 (или 1 в случае проскока) на s-подуровне внешнего электронного слоя. Общая формула электронной конфигурации валентных подуровней в атомах n— номер периода.

В отличие от щелочных и щелочноземельных металлов, большинство d-металлов имеют переменную валентность и переменную степень окисления. Это объясняется тем, что валентными в атомах d-элементов являются не только s-электроны внешнего слоя, но и все или некоторые d-электроны предвнешнего слоя, d-элементы образуют три переходных ряда — в IV, V и VI периодах соответственно. Первый ряд включает 10 элементов: от скандия до цинка. Он характеризуется внутренней застройкой 3d-орбиталей (табл. 29).

Элемент	Символ	Атомный номер	Электронная конфигурация
Скандий	Sc	21
Титан	Ti	22
Ванадий	V	23
Хром	Cr	24
Марганец	Mn	25
Железо	Fe	26
Кобальт	Co	27
Никель	Ni	28
Медь	Cu	29
Цинк	Zn	30

Как следует из таблицы, хром и медь имеют всего по одному электрону. Согласно закономерностям заполнения энергетических уровней и подуровней у атомов хрома и меди на четвертом энергетическом уровне должно быть два электрона. Однако один из двух электронов переходит на третий энергетический уровень, на незаполненную d-орбиталь ("провал электрона"). Медь в соединениях проявляет степени окисления + 1, +2, хром проявляет степени окисления +2, +3, +6. Для d-металлов III—VII групп высшая валентность и высшая степень окисления равны номеру группы, т. е. суммарному числу (n — 1)d- и ns-подуровнях, например у d-элементов четвертого периода (табл. 30).

d-металлы II группы, атомы которых имеют завершенную структуру d-подуровня d-подуровень полностью завершен, поэтому цинк в соединениях проявляет только степень окисления +2.

В периодах с увеличением заряда ядра металлические свойства изменяются более медленно по сравнению со свойствами s- и p-элементов. В побочных подгруппах сверху вниз восстановительные свойства d-элементов уменьшаются. В свободном состоянии d-металлы (как и вообще все металлы) являются восстановителями. Восстановительная активность различных d-металлов изменяется в широких пределах: среди них есть металлы средней активности, находящиеся в ряду напряжений до водорода: (Fe, Cr, Zn, Mil и др.); малоактивные металлы (Сu, Hg и др.) и благородные металлы (Аu, Pt), располагающиеся в ряду напряжений после водорода.

Соединения d-элементов могут выполнять как восстановительные, так и окислительные функции. Соединения с высокими степенями окисления являются окислителями, а соединения с невысокими степенями окисления — восстановителями, например:

— восстановители.

Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов d-элементов, а также окислительно-восстановительные свойства их соединений зависят от степени окисления металла. Как следует из таблицы при увеличении степени окисления металла основной характер оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный характер усиливается (табл. 31).

Например, СrО и Сг(ОН)₂ — это основные оксиды и гидроксиды. Сг₂O₃ и Сг(ОН)₃ — амфотерные, СrO₃ и Н₂СrО₄, Н₂Сг₂О₂ — кислотные.

d-металлы по сравнению с другими металлами характеризуются более большей твердостью, плотностью, высокой температурами плавления и кипения, d-металлы хорошие проводники электрического тока, особенно те из них, в атомах которых имеется только один внешний s-электрон. Так, медь, серебро и золото, обладающие конфигурацией d 10 s 1

Большинство соединений переходных металлов окрашены. Для d-элементов характерно образование комплексных соединений.

Все d-элементы расположены в побочных подгруппах периодической системы элементов и являются металлами. В каждом большом периоде d-элементы располагаются между s- и p-элементами. В отличие от щелочных и щелочноземельных металлов, большинство d-металлов имеют переменную валентность и переменную степень окисления. В свободном состоянии d-металлы (как и вообще все металлы) являются восстановителями. Соединения d-элементов могут проявлять как восстановительные, так и окислительные функции. Соединения с высокими степенями окисления являются окислителями, а соединения с невысокими степенями окисления — восстановителями. При увеличении степени окисления металла основной характер оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный характер усиливается.

Комплексные соединения

Мир веществ многообразен, и мы встречались с группой веществ, которые принадлежат к комплексным соединениям. Данными веществами стали заниматься с XIX века, но понять их строение с позиций существовавших представлений о валентности было трудно. В 1893 году швейцарским химиком-неоргаником Альфредом Вернером была сформулирована теория, позволившая понять строение и некоторые свойства комплексных соединений, которую назвали координационной теорией, поэтому комплексные соединения часто называют координационными соединениями. Соединения, в состав которых входят сложные ионы, существующие как в кристалле, так и в растворе, называются комплексными, или координационными.

Комплексные соединения образуются в результате взаимодействия между собой солей, кислот и оснований, например:

Строение комплексных соединений. Комплексные соединения образованы двумя составляющими: внутренней координационной сферой и внешней координационной сферой.

Во внутреннюю сферу, которую обозначают квадратными скобками, входит центральный атом, или комплексообразователь, и окружающие его ионы, атомы или молекулы, называемые лигандами. Наиболее часто комплексообразователями служат атомы металлов. В качестве лигандов выступают ионы Cl, Br, I , CN, NO₂, ОН или нейтральные молекулы NH₃, Н₂O, СО.

В состав внутренней сферы одного соединения могут входить различные лиганды, например, в и Cl₂, являются лигандами. Число лигандов, располагающихся вокруг комплексообразователя, определяет координационное число центрального атома. Так, в соединении — шести. Координационное число принимает значения от 2 до 12, но чаще всего оно равно 2, 4 или 6. Внешняя сфера может быть образована как катионами, так и анионами. Заряды внешней и внутренней сфер противоположны. Рассмотрим несколько примеров: 1. Структура комплекса

Железо (+2) является центральным ионом. Ионы CN выполняют роль лигандов. Железо в комплексе с цианогруппами образует внутреннюю координационную сферу. Ионы калия образуют внешнюю координационную сферу. Положительный заряд внешней сферы компенсирует отрицательный заряд внутренней сферы. Координационное число комплексообразователя (Fe), определяемое числом координационных связей, равно 6.

2. Структура комплекса 3 выполняют роль лигандов. Кобальт в комплексе с NH₃ образует внутреннюю сферу. Ионы хлора образуют внешнюю координационную сферу. Координационное число комплексообразователя (Со) равно 6.

3. Структура комплекса 3 и ионы Сl выполняют роль лигандов- Платина в комплексе с NH₃ иСl образует внутреннюю координационную сферу. Заряд внутренней сферы равен 0. Внешняя координационная сфера отсутствует. Координационное число комплексообразователя Pt равно 4. Как видим, комплексные соединения чрезвычайно разнообразны по составу и строению.

Классификация комплексных соединений Большое многообразие комплексных соединений и их свойств не позволяет создать единую классификацию. Однако можно группировать вещества по некоторым отдельным признакам.

1. По составу: например, соли кислоты

2. По типу координируемых лигандов: а) аквакомплексы — это комплексные катионы, в которых лигандами являются молекулы Н₂O. Их образуют катионы металлов со степенью окисления +2 и больше, причем способность к образованию аквакомплексов у металлов одной группы периодической системы уменьшается сверху вниз. Например: б) гидроксокомплексы — это комплексные анионы, в которых лигандами являются гидроксид-ионы ОН - . Комплексообразователями являются металлы, склонные к проявлению амфотерных свойств — Be, Zn, Al, Сг. Например:

в) аммиакаты — это комплексные катионы, в которых лигандами являются молекулы NH₃. Комплексообразователями являются d-элементы. Например:

г) ацидокомплексы — это комплексные анионы, в которых лигандами являются анионы неорганических и органических кислот. Например:

3. По заряду внутренней сферы а) комплексный катион, например,

б) комплексный анион, например,

Химические свойства

1. В растворе комплексные соединения ведут себя как сильные электролиты, т. е. полностью диссоциируют на катионы и анионы:

а)

б)

2. При действии сильных кислот происходит разрушение гидроксокомплексов, например:

а) при недостатке кислоты:

б) при избытке кислоты:

3. Нагревание (термолиз) всех аммиакатов приводит к их разложению, например:

Значение и применение комплексных соединений

Комплексные соединения имеют большое значение в природе. Достаточно сказать, что почти все ферменты, многие гормоны, лекарства, биологически активные вещества представляют собой комплексные соединения. Например, гемоглобин крови является комплексным соединением железа, а хлорофилл — комплексным соединением магния, витамин В₁₂ — комплексным соединением кобальта. Образование комплексных соединений используют в химической технологии для извлечения золота, металлов платиновой группы и др. Эти соединения широко применяют в аналитической химии в качестве индикаторов.

Соединения, в состав которых входят сложные ионы, существующие как в кристалле, так и в растворе, называются комплексными, или координационными. Комплексные соединения образованы двумя составляющими: внутренней координационной сферой и внешней координационной сферой. Комплексообразователями являются металлы. Окружающие комплексообразователя ионы, атомы или молекулы, называются лигандами. Число лигандов, располагающихся вокруг комплексообразователя, определяет координационное число центрального атома. Координационное число принимает значения от 2 до 12, но чаще всего оно равно 2, 4 и 6.

Биологическая роль переходных металлов

Хром — постоянная составная часть растительных и животных организмов. Биологическая активность хрома объясняется главным образом способностью ионов Сr 3- образовывать комплексные соединения. Например, ионы Сr 3- участвуют в стабилизации структуры нуклеиновых кислот. Недостаток хрома замедляет рост живых организмов, нарушает углеводный обмен вызывает болезнь глаз, симптомы диабета. Соединения хрома ядовиты и в медицине не применяются.

Марганец. Марганец — микроэлемент. Биогенная функция ионов Мn 2+ состоит в регуляции активности ферментов. Поэтому ионы Мn 2+ обладают широким спектром биологических эффектов: оказывают влияние на кроветворение, минеральный обмен, рост, размножение и т. д. Кроме того, ионы Мn 2+ стабилизируют структуру нуклеиновых кислот. В медицине используется перманганат калия КМnO₄. Этот антисептик применяется в водных растворах для промывания ран, полоскания горла и т. д.

Железо. Железо входит в состав ферментов, которые катализируют окислительно-восстановительные процессы в организме человека. Играет важную роль в синтезе белков, процессах фотосинтеза и дыхания растений. Недостаток железа в организме человека приводит к болезни крови (анемии) и нарушению иммунной системы. В организме взрослого человека содержится около 3,5 г железа. Основная его масса сконцентрирована в гемоглобине. По форме гемоглобин похож на шарик диаметром около 5,5 нм. Гемоглобин — сложный белок,который переносит кислород по всем тканям и органам. В нашей жизни становится все больше продуктов, которые могут вызвать недомогание у любого человека. Одним из таких продуктов является оксид углерода (II) — угарный газ. Оксид углерода (II) образуется при неполном сгорании любого топлива (газ, уголь, дрова, бензин и др.) Кроме того увеличивается количество транспорта, а с ним и угарного газа в атмосфере. При этом распространяется газ быстро, смешиваясь с воздухом без потери своих отравляющих свойств. Для человека угарный газ — сильнейший яд. Поступая в организм при дыхании, он проникает из легких в кровеносную систему, где и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окси-, так и с дезоксигемоглобином:

где Нb — гемоглобин. Образующийся комплекс карбоксигемоглобин (НbСО) не способен присоединять к себе кислород. Таким образом,связываясь с гемоглобином угарный газ препятствует снабжению организма кислородом. В результате кровь утрачивает способность переносить и доставлять тканям кислород и развивается кислородное голодание или гипоксия. В первую очередь страдает головной мозг, но возможно поражение и других органов — в зависимости от общего состояния здоровья.

Такое состояние опасно для жизни и при тяжелом отравлении может быть смертельным. Основная проблема состоит в том, что угарный газ не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха, не вызывает вообще никаких ощущений.

К первым симптомам отравления угарным газом относятся: тошнота, рвота, головокружение, частый пульс, дезориентация. Возможно развитие обморока, эйфории, спутанности сознания.

• Если начинается озноб, падает температура — укутайте потеплее, напоите сладким чаем (если человек в сознании, разумеется).

• Устройте поудобнее (и желательно — на свежем воздухе или, хотя бы, у открытого окна), чтобы облегчить дыхание.

• Потерявшего сознание уложите на бок и следите, чтобы его голова не запрокидывалась, особенно если вдруг возникнет рвота, дайте понюхать ватку, смоченную нашатырным спиртом, для того, чтобы привести человека в сознание; При необходимости сделать пострадавшему непрямой массаж сердца и провести искусственное дыхание.

• Чем раньше пострадавшему будет оказана медицинская помощь, тем больше шансов на его выздоровление.

Учтите: от отравления угарным газом существует противоядие. Этот препарат называется ацизол, выпускается в виде капсул и в виде раствора в ампулах (для внутримышечных инъекций).

Для того, чтобы предотвратить отравление угарным газом нужно соблюдать несложные правила:

• не ночевать в гараже;

• не использовать газовую горелку или керосиновую лампу для отопления закрытого помещения;

• не оставлять в гараже машину с включенным двигателем;

• не спать в машине с включенным двигателем.

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Общие свойства d-металлов

Свойства d металлов и их соединений

d-Элементы обладают рядом характерных свойств: переменные состояния окисления; способность к образованию комплексных ионов; образование окрашенных соединений.

Хром и его соединения.

При высоких температурах хром горит в кислороде с образованием , в раскаленном состоянии он реагирует с парами воды:

при нагревании с галогенами хром образует галогениды состава

Ранее уже упоминалось, что хром (так же, как алюминий) пассивируется холодными концентрированными . Однако при сильном нагревании эти кислоты растворяют хром:

Хром растворяется при обычной температуре в разбавленных кислотах с выделением водорода. В этих случаях в отсутствие воздуха образуются соли , а на воздухе — соли .

По своим химическим свойствам соли похожи на соли Обрабатывая их растворы щелочами в отсутствие кислорода, можно получить желтый осадок гидроксида хрома (II):

который обладает типичными основными свойствами. При прокаливании в отсутствие кислорода образуется оксид хрома (II)

Соли трехвалентного хрома сходны с солями алюминия по составу, строению кристаллической решетки и растворимости. При действии щелочей соли хрома (III) выпадает студнеобразный осадок гидроксида хрома зеленого цвета:

Гидроксид хрома (III) обладает амфотерными свойствами, растворяясь как в кислотах с образованием солей хрома (III)

так и в щелочах с образованием тетрагидроксихромитов, т.е. солей, в которых входит в состав аниона:

(сравните с образованием алюминатов).

В результате прокаливания можно получить оксид хрома :

представляет собой зеленые кристаллы, практически нерастворимые в воде. может быть также получен при прокаливании дихроматов калия и аммония:

При сплавлении со щелочами, содой и кислыми солями получаются соединения растворимые в воде:

(Сравните с аналогичными реакциями )

Наиболее важными соединениями хрома в высшей степени окисления являются оксид хрома (VI) хромат (VI) калия и дихромат (VI) калия

Оксид хрома (VI) — кислотный оксид, ангидрид хромовой и дихромовой кислот. представляет собой ярко-красные кристаллы, легко растворимые в воде. Он также реагирует со щелочами, образуя желтые хроматы например:

В кислой среде ион превращается в ион . В щелочной среде эта реакция протекает в обратном направлении:

В кислой среде дихромат-ион восстанавливается до

Марганец и его соединения.

Металлический марганец реагирует с кислотами, образуя соли марганца (II), например:

В различных соединениях марганец проявляет степени окисления 2+, 4+, 6+ и 7+. Чем выше степень окисления, тем более ковалентный характер имеют соответствующие соединения. С возрастанием степени окисления марганца увеличивается также кислотность его оксидов.

Наиболее важным соединением марганца (IV) является его оксид . Это соединение коричнево-черного цвета не растворяется в воде. Оксид марганца (IV) — сильный окислитель, который, например, окисляет концентрированную соляную кислоту до хлора:

Эта реакция часто используется для получения хлора в лаборатории.

Соединения марганца (VI) малоустойчивы, однако наиболее известное соединение — манганат калия — устойчив в щелочной среде. Он образуется при восстановлении перманганата калия в щелочной среде, например:

Высшую степень окисления марганец имеет в кислотном оксиде и перманганате калия Последнее вещество — кристаллы фиолетового цвета, хорошо растворимые в воде.

Перманганат калия — сильнейший окислитель. В кислой среде он восстанавливается до ионов

в щелочной среде — до (см. выше), а в нейтральной среде — до :

Железо и его соединения.

Железо — металл серого цвета. В чистом виде оно довольно мягкое, ковкое и тягучее. Металлическое железо реагирует с водяным паром, образуя черно-бурое вещество — смешанный оксид железа (II,III)

На воздухе железо легко окисляется, особенно в присутствии влаги (ржавление):

Взаимодействуя с галогенами при нагревании, железо всегда образует галогениды железа (III), например:

Железо легко вступает во взаимодействие с соляной и разбавленной серной кислотами, вытесняя водород и образуя соли железа (II):

Концентрированные кислоты — окислители пассивируют железо на холоде, однако растворяют его при нагревании:

Гидроксид железа (II) можно получить при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:

представляет собой студенистый осадок белого цвета, плохо растворимый в воде. В присутствии кислорода воздуха он сразу же окисляется до гидроксида железа (III):

давая бурый студенистый осадок.

Растворимые соли железа в воде сильно гидролизованы, и их водные растворы имеют кислую реакцию, поскольку гидроксиды железа (II) и (III) являются нерастворимыми основаниями. Гидроксид проявляет более основные свойства, чем . В частности, это проявляется в амфотерности При нагревании в горячих концентрированных растворах щелочей происходит его частичное растворение:

с образованием гексагидроферрата (III) калия. Это — один из анионных комплексов трехвалентного железа.

Кроме этого, отметим также две важные комплексные соли железа: гексацианоферрат (П) калия (желтая кровяная соль) и гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль), которые являются реактивами для качественного определения ионов соответственно.

Медь и ее соединения.

Медь — довольно мягкий металл красно-желтого цвета. Ее атомы имеют электронную конфигурацию внешнего уровня Медь обладает наименьшей активностью среди всех рассмотренных выше переходных металлов. Так, например, она не реагирует с разбавленными соляной и серной кислотами. Она растворяется только в кислотах-окислителях:

В соединениях медь проявляет две степени окисления: 14- и 24-, из которых более устойчиво состояние 24-. Одновалентная медь встречается либо в нерастворимых соединениях , либо в виде растворимых комплексов типа .

Хлорид меди (I) растворяется в концентрированном растворе аммиака с образованием комплексного иона диамминмеди (I)

Так же в аммиаке растворяется оксид меди (I) :

Ионы в водном растворе существуют в виде комплексов гексааквамеди (II) , имеющих характерную сине-голубую окраску. При добавлении гидроксида натрия к раствору, содержащему эти ионы, образуется голубой осадок гидратированного гидроксида меди (II):

Полученный осадок, в свою очередь, растворяется в растворе аммиака, образуя ярко-синий комплекс:

Изменение окраски соединений меди при переходе из степени окисления в степень окисления используется в органической химии для качественного анализа. Так, свежеосажденный гидроксид синего цвета восстанавливается до оранжевого осадка альдегидами или восстанавливающими углеводами, например глюкозой.

Цинк и его соединения.

Цинк в соединениях проявляет только одну степень окисления . В лабораториях его часто используют для получения водорода из разбавленной соляной кислоты:

Оксид цинка проявляет амфотерные свойства, реагируя как с кислотами

так и с щелочами

В последней реакции образуется анионный комплекс тетрагидроксицинката.

Гидроксид цинка также проявляет амфотерные свойства.

Он нерастворим в воде, но растворяется в кислотах и щелочах:

Серебро и его соединения.

Серебро, так же, как и медь, не реагирует с разбавленными соляной и серной кислотами, но растворяется в кислотах-окислителях:

В большинстве соединений серебро проявляет степень окисления . Растворимый нитрат серебра используется как реактив для качественного определения ионов (см. § 9):

При добавлении к раствору образуется темно-коричневый осадок оксида серебра

Подобно соединениям меди (I), осадки могут растворяться в растворах аммиака с образованием комплексных соединений:

Последний комплекс используется в органической химии в качественной реакции на альдегиды (реакция «серебряного зеркала»).

Рекомендуемая литература: [Кузьменко, 1977, гл. 19, 20], [Третьяков, § 70—74], [Фримантл, т. 2, гл. 14], [Хомченко, 1993, гл. 14].

Переходные d-элементы и их соединения широко применяются в лабораторной практике, промышленности и технике. Они также играют важную роль в биологических системах. В предыдущем разделе и разд. 10.2 уже упоминалось, что ионы таких d-элементов, как железо, хром и марганец, играют важную роль в окислительновосстановительном титровании и других лабораторных методиках. Здесь мы коснемся только применений этих металлов в промышленности и технике, а также их роли в биологических процессах.

Применения в качестве конструкционных материалов. Сплавы железа

Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав - это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.

Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в табл. 14.10. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.

Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.

Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.

Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при

Таблица 14.10. Углеродистые стали

высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.

Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.

Другие сплавы

Кроме сплавов железа, существуют также сплавы на основе других d-металлов.

Сплавы титана. Титан легко сплавляется с такими металлами, как олово, алюминий, никель и кобальт. Сплавы титана характеризуются легкостью, коррозионной устойчивостью и прочностью при высоких температурах. Они используются в авиастроении для изготовления лопастей турбин в турбореактивных двигателях. Их используют также в медицинской промышленности для изготовления электронных устройств, имплантируемых в грудную стенку пациента для нормализации аномального ритма сердца.

Сплавы никеля. Одним из важнейших сплавов никеля является монель. Этот сплав содержит 65% никеля, 32% меди и небольшие количества железа и марганца. Он используется для изготовления конденсаторных трубок холодильников, пропеллерных осей, а также в химической, пищевой и фармацевтической промышленности. Другим важным сплавом никеля является нихром. Этот сплав содержит 60% никеля, 15% хрома и 25% железа. Сплав алюминия, кобальта и никеля, называемый альнико, используется для изготовления очень сильных постоянных магнитов.

Сплавы меди. Медь используется для изготовления самых разнообразных сплавов. Наиболее важные из них указаны в табл. 14.11.

Таблица 14.11. Сплавы меди

Промышленные катализаторы

d-Элементы и их соединения находят широкое применение в качестве промышленных катализаторов. Приведенные ниже примеры относятся только к d-элементам первого переходного ряда.

Хлорид титана . Это соединение используется в качестве катализатора полимеризации алкенов по методу Циглера (см. гл. 20):

Оксид . Этот катализатор используется на следующей стадии контактного процесса получения серной кислоты (см. гл. 7):

Железо или оксид . Эти катализаторы используются в процессе Габера для синтеза аммиака (см. гл. 7):

Никель. Этот катализатор используется для отверждения растительных масел в процессе гидрирования, например в производстве маргарина:

Медь или оксид меди(II). Эти катализаторы используются для дегидрирования этанола в процессе получения этаналя (уксусного альдегида):

В качестве промышленных катализаторов применяются также родий (-элемент второго переходного ряда) и платина (-элемент третьего переходного ряда). Оба они используются, например, в процессе Оствальда получения азотной кислоты (см. гл. 15).

Пигменты

Мы уже упоминали о том, что одной из важнейших отличительных особенностей d-злементов является их способность образовывать окрашенные соединения. Например, окраска многих драгоценных камней обусловлена присутствием в них небольшого количества примесей d-металлов (см. табл. 14.6). Оксиды d-элементов применяются для изготовления цветных стекол. Например, оксид кобальта (II) придает стеклу темно-синюю окраску. Целый ряд соединений d-металлов используется в различных отраслях промышленности в качестве пигментов.

Оксид титана . Мировое производство оксида титана превышает 2 млн. т. в год. Он применяется главным образом в качестве белого пигмента в производстве красок и, кроме того, в бумажной, полимерной и текстильной промышленности.

Соединения хрома. Хромовые квасцы (додекагидрат сульфата хрома имеют фиолетовую окраску. Они используются для крашения в текстильной промышленности. Оксид хрома используется в качестве зеленого пигмента. На основе хромата свинца (IV) изготовляются такие пигменты, как хромовый зеленый, хромовый желтый и хромовый красный.

Гексацианоферрат(Ш) калия . Это соединение применяется в крашении, травлении и для изготовления светокопировальной бумаги («синьки»).

Соединения кобальта. Пигмент кобальтовый синий состоит из алюмината кобальта. Пурпурный и фиолетовый пигменты кобальта получают, осаждая соли кобальта с помощью фосфатов щелочноземельных элементов.

Другие промышленные применения

До сих пор мы рассматривали применения -элементов в качестве конструкционных сплавов, промышленных катализаторов и пигментов. Эти элементы имеют, кроме того, множество других применений.

Хром используется для нанесения хромового покрытия на стальных предметах, например на деталях автомашин.

Чугун. Это не сплав, а неочищенное железо. Его используют для изготовления разнообразных предметов, например сковородок, крышек канализационных люков и газовых плит.

Кобальт. Изотоп используется в качестве источника гамма-излучения для лечения онкологических заболеваний.

Медь широко используется в электротехнической промышленности для изготовления проволоки, кабелей и других проводников. Она используется также для изготовления медных канализационных труб.

d-Элементы в биологических системах

d-Элементы играют важную роль во многих биологических системах. Например, организм взрослого человека содержит около 4 г железа. Примерно две трети этого количества приходится на долю гемоглобина, красного пигмента крови (см. рис. 14.11). Железо также входит в состав мышечного белка миоглобина и, кроме того, накапливается в таких органах, как печень.

Элементы, обнаруживаемые в биологических системах в очень небольших количествах, называются микроэлементами. В табл. 14.12 указана масса различных минеральных

Таблица 14.12. Среднее содержание макро- и микроэлементов в организме взрослого человека

Марганец - незаменимый компонент пищи домашней птицы.

К числу микроэлементов, играющих жизненно важную роль для здорового роста сельскохозяйственных растений, относятся многие d-металлы.

элементов и некоторых микроэлементов в организме взрослого человека. Следует обратить внимание на то, что пять из этих элементов принадлежат к числу d-металлов первого переходного рада. Эти и другие микроэлементы из числа d-металлов выполняют разнообразные важные функции в биологических системах.

Хром принимает участие в процессе усвоения глюкозы в человеческом организме.

Марганец входит в состав различных ферментов. Он необходим растениям и является существенным компонентом пищи птиц, хотя не столь важен для овец и крупного рогатого скота. Марганец обнаружен и в человеческом организме, но пока не установлено, насколько он необходим нам. Много марганца содержится в . Хорошими источниками этого элемента служат орехи, специи и крупы.

Кобальт необходим для овец, крупного рогатого скота и человека. Он содержится, например, в витамине Этот витамин используется для лечения злокачественной пернициозной анемии; он необходим также для образования ДНК и РНК (см. гл. 20).

Никель обнаружен в тканях человеческого организма, однако его роль пока не установлена.

Медь является важной составной частью ряда ферментов и необходима для синтеза гемоглобина. Она нужна растениям, а овцы и крупный рогатый скот особенно чувствительны к дефициту меди в рационе питания. При недостатке меди в пище овец появляются ягнята с врожденными уродствами, в частности параличом задних конечностей. В рационе человека единственным продуктом, который содержит значительные количества меди, является печень. Небольшие количества меди содержатся в морепродуктах, бобовых, сушеных фруктах и крупах.

Цинк входит в состав ряда ферментов. Он необходим для выработки инсулина и является составной частью фермента ангидразы, который играет важную роль в процессе дыхания.

Заболеиаиия, связанные с недостатком циика

В начале 1960-х гг. д-р А. С. Прасад открыл в Иране и Индии заболевание, связанное с дефицитом цинка в пище, которое проявляется в замедлении роста детей и анемии. С тех пор недостаток цинка в диете считается главной причиной замедленного развития детей, страдающих от сильного недоедания. Цинк необходим для действия Т-лимфоцитов, без которого иммунная система человеческого организма не может бороться с инфекциями.

Препараты цинка помогают при сильных отравлениях металлами, а также при некоторых наследственных заболеваниях, например при серповидноклеточной анемии. Серповидноклеточная анемия-врожденный дефект эритроцитов, обнаруживаемый у коренного населения Африки. У больных серповидноклеточной анемией эритроциты имеют аномальную (серповидную) форму и поэтому неспособны переносить кислород. Это происходит из-за пересыщения эритроцитов кальцием, который изменяет распределение зарядов на поверхности клеток. Добавление цинка в диету приводит к тому, что цинк конкурирует с кальцием и уменьшает аномалию формы клеточной мембраны.

Препараты цинка помогают также в лечении анорексии (потери аппетита) вызванной нарушениями нервной системы.

Итак, повторим еще раз!

1. Наиболее распространенным на Земле -элементом является железо, за ним следует титан.

2. d-Элементы обнаруживаются в виде микропримесей в растениях, организмах животных и в драгоценных камнях.

3. Для промышленного получения железа используются две руды: гематит и магнетит

4. Железо получают в доменной печи путем восстановления железной руды оксидом углерода. Для удаления примесей в виде шлака в руду добавляют известняк.

5. Углеродистые стали получают главным образом при помощи кислородноконвертерного процесса (процесс Линца-Донавица).

6. Для получения высококачественных легированных сталей используется электроплавильном печь.

7. Титан получают из ильменитовой руды с помощью процесса Кролля. При этом оксид который содержится в руде, сначала превращают в

8. Никель получают из пентландитовой руды. Содержащийся в ней сульфид никеля сначала превращают в оксид который затем восстанавливают углеродом (коксом) до металлического никеля.

9. Для получения меди используется халькопиритовая руда (медный колчедан). Содержащийся в ней сульфид восстанавливают нагреванием в условиях ограниченного доступа воздуха.

10. Сплав - это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.

11. Стали - это сплавы железа, которое является в них главным компонентом.

12. Твердость углеродистых сталей тем больше, чем больше в них содержание углерода.

13. Нержавеющая сталь, инструментальная сталь и кремнистая сталь - это разновидности легированных сталей.

14. Сплавы титана и никеля широко используются в технике. Сплавы меди используются для изготовления монет.

15. Хлорид оксид оксид оксиды никеля и используются как промышленные катализаторы.

16. Оксиды -металлов используются для изготовления цветных стекол, другие соединения -металлов используются в качестве пигментов.

17. d-Металлы играют важную роль в биологических системах. Например, гемоглобин, который является красным пигментом крови, содержит железо.

Читайте также: