Общие свойства переходных металлов

Переходные элементы располагаются в побочных подгруппах периодической системы Д.И.Менделеева. Их подразделяют на d-элементы и f-элементы. f- элементы – это лантаноиды и актиноиды.

При образовании соединений атомы металлов могут использовать не только валентные s и p-электроны , но и d- электроны. Поэтому для d-элементов гораздо более характерна переменная валентность, чем для элементов главных подгрупп. Благодаря этому свойству переходные металлы часто образуют комплексные соединения.

Переходные элементы - это металлы. Поэтому в своих соединениях они проявляют положительные степени окисления. Очень сильно видно различие в свойствах у элементов IV – VIII подгрупп периодической системы. Элементы побочных подгрупп –это металлы, а главных подгрупп – неметаллы. Однако , когда элементы главных и побочных подгрупп находятся в высших степенях окисления, их соединения проявляют заметное сходство.

Например, оксид CrO₃ близок по свойствам SO₃.Оба эти вещества в обычных условиях находятся в твердом состоянии и образуют при взаимодействии с водой кислоты состава H₂ЭO₄. Точно также оксиды марганца и хлора. Соответствующие высшие оксиды Mn₂O₇ и Cl₂O₇. Им соответствуют кислоты состава HЭО₄. Подобная близость свойств объясняется тем, что часто элементы главных и побочных подгрупп в высших степенях окисления приобретают сходное электронное строение. Что касается химических свойств d- элементов, то обращает на себя внимание тот факт, что в пределах одной декады переходных элементов, число стабильных степеней окисления сначала увеличивается, а потом уменьшается .См. Таб.1.Химические свойства переходных элементов довольно сложны.

Таб. 1

Значение переходных металлов для организма и жизнедеятельности.

Без переходных металлов наш организм существовать не может. Железо - это действующее начало гемоглобина. Цинк участвует в выработке инсулина. Кобальт – центр витамина

В-12. Медь, марганец и молибден, а также некоторые другие металлы входят в состав ферментов.

Многие переходные металлы и их соединения используются в качестве катализаторов. Например, реакция гидрирования алкенов на платиновом или палладиевом катализаторе. Полимеризация этилена проводится с помощью титансодержащих катализаторов.

Рис. 1

Большое использование сплавов переходных металлов: сталь, чугун, бронза, латунь, победит. Рис.1.При исследовании сплавов прослеживается уникальное значение железа для человека. Сплавы даже разделяют на черные и цветные по содержанию в них железа.

Химические свойства железа и его соединений.

Железо- это химический элемент №26, который находится в побочной подгруппе VIII группы, в четвертом периоде. Электронная конфигурация атома железа 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s².

Рис. 2

Распределение валентных электронов на орбиталях представлено на Рис.2.

Степени окисления железа: 0,+2,+3.Соединения железа (III) проявляют слабые окислительные свойства, образуемые оксиды и гидроксиды Fe₂O₃ и Fe(OH)₃ проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства у этих соединений значительно преобладают.

1. Взаимодействие с неметаллами.

При нагревании железо особенно порошкообразное способно взаимодействовать практически со всеми неметаллами. Хлор и фтор окисляют железо до Fe⁺³.бром может окислить и до Fe⁺² и до Fe⁺³ в зависимости от количества, а йод окисляет только до степени окисления +2 Fe⁺². При реакции с серой сначала образуется сульфид железа, а затем дисульфид железа.

Fe + S  FeS

FeS + S  FeS₂ природный минерал такого состава называется пирит.Рис.3

Он используется для получения серной кислоты, а также железа и соединений железа.

Рис. 3

2. Взаимодействие железа с кислородом.

При взаимодействии железа с кислородом в зависимости от его количества, могут образовываться разные оксиды. В том числе и смешанный оксид Fe₃O₄.

2Fe + О₂ 2FeО

4Fe + 3О₂ 2Fe₂О₃

3Fe + 2О₂ Fe₃О₄

3. Взаимодействие железа с водой.

При сильном нагревании металлическое железо взаимодействует с водой.

3Fe + 4Н₂О  Fe₃О₄ + 4Н₂↑

Во влажном воздухе  при обычных условиях железо реагирует м парами воды и кислородом, с образованием ржавчины. Она состоит из смешенных оксидов, гидроксидов и соединений кислорода. Это не индивидуальное вещество.

Примерная схема ржавления железа:

4Fe + 6Н₂О + 3О₂ → 4Fe(ОН)₃

4. Взаимодействие железа с кислотами.

Как и другие типичные металлы, железо взаимодействует с кислотами не окислителями с выделением водорода.

Fe + 2НCl → FeCl₂ + Н₂↑

С кислотами окислителями железо не реагирует из-за пассивации. Но с разбавленными кислотами реакция происходит.

Fe + 4НNO₃ → Fe(NO₃)₃ +NO↑ + 2Н₂O

5. С растворами солей.

Металлическое железо вытесняет менее активные металлы из растворов их солей.

Fe + CuSO₄ → Cu + FeSO₄

Амфотерные свойства железа.

Железо и некоторые его соединения способны проявлять амфотерные свойства.

Fe + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Fe(OH)₄] + H₂↑ В горячем концентрированном растворе щелочи образуется комплексное соединение и выделяется водород.

Соединения железа(II).

Соли железа (II) можно получить при взаимодействии металлического железа с кислотами не окислителями или восстановлением железа(III).

2FeCl₃ + Fe→ 3FeCl₂

Соединения железа(II) обладают восстановительными свойствами.

FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂ ↓+ 2NaCl. На воздухе Fe(OH)₂ ↓окисляется кислородом.

4Fe(OH)₂ ↓+2H₂O + O₂ → 4Fe(OH)₃↓

Соединения железа(III).

Соли железа(III) получают либо окислением железа галогенами, либо при его взаимодействии с разбавленными кислотами окислителями. Соли железа(III) могут проявлять слабые окислительные свойства.

2FeCl₃ +2 KI → 2FeCl₂ + I₂↓ + 2KCl.  На этой реакции основан йодометрический способ определения солей железа.

Качественная реакция на соли железа(III).

FeCl₃ + 6NaSCN →Na₃[Fe(SCN)₆] + 3NaCl. При взаимодействии с роданидами образуются ярко-красные похожие на кровь комплексы различного состава.

Взаимодействие со щелочью.

FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃ ↓+ 3NaCl

Fe(OH)₃ ↓как и Fe(OH)₂ ↓ амфотерен, с преобладание основных свойств.

Fe(OH)₃ ↓+3HCl → FeCl₃ + 3H₂O

Fe(OH)₃ + NaOH  → NaFeO₂+ 2H₂O

Железная кислота и её соли. При окислении Fe(OH)₃ ↓ или при электролизе раствора щелочи на железном аноде образуются соли, содержащие железо в составе аниона:

2Fe(OH)₃ + 3Cl₂ + 10NaOH →2Na₂FeO₄ + 6NaCl + 8H₂O

Fe + 2KOH + 2H₂O K₂FeO₄ + 3H₂↑

Железо имеет степень окисления +6 .Такие соли называются ферраты: Na₂FeO_4, K₂FeO₄. Это соли несуществующей в свободном виде железной кислоты Н₂FeO₄. Они относятся к наиболее сильным органическим окислителям и способны медленно окислять даже воду.