09. Переходные металлы

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 им 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. Химические свойства переходных элементов довольно сложны.

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.

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

Химические свойства 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.

Распределение валентных электронов на орбиталях представлено на.

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 +2Fe⁺². При реакции с серой сначала образуется сульфид железа, а затем дисульфид железа.

Fe + SFeS

FeS + SFeS₂ — природный минерал такого состава называется пирит.

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

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 + 4Н₂ОFe₃О₄ + 4Н₂↑

Во влажном воздухе при обычных условиях железо реагирует с 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-неокислителями 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) и железа (III)

Соединения железа (II)

Соли железа (II) можно получить при взаимодействии металлического железа с кислотами-неокислителями 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 +2KI → 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 преобладанием 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: Na₂FeO₄, K₂FeO₄. Это соли не существующей в свободном виде железной кислоты Н₂FeO₄. Они относятся к наиболее сильным органическим окислителям и способны медленно окислять даже воду.

Подведение итога урока

В ходе урока вы изучили тему «Переходные металлы». Вы узнали о некоторых общих свойствах переходных металлов, о химических свойствах железа как наиболее важного переходного металла. Мы подчеркнули важность и необходимость для организма человека наличия именно переходных металлов. Рассмотрели некоторые примеры сплавов переходных металлов, исследовали амфотерные свойства железа и его соединений с различными степенями окисления. Немного узнали о железной кислоте и ее солях – ферратах.

Список литературы

1. Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Попель П. П. Химия: 8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений / П. П. Попель, Л. С. Кривля. – К.: ИЦ «Академия», 2008. – 240 с.: ил.

3. Габриелян О. С. Химия. 11 класс. Базовый уровень. 2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2007. – 220 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «chemport.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. №№ 1, 5-б, в (с. 173) Габриелян О. С. Химия. 11 класс. Базовый уровень. 2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2007. – 220 с.

2. Что такое металлотермия? Приведите примеры.

3. Какие свойства характерны для соединений железа (III)?