Элементы d и f-блоков 12 класс конспекты химия глава 8

В этой главе мы изучим обычные и необычные свойства элементов d-блока. Классификация элементов по блокам основана на их характерных свойствах. При заполнении электронов последний электрон определяет блок элемента. d-блок содержит от 3 до 12 групп. Ряд соединений элементов этого блока являются важными катализаторами в промышленности.

Положение в периодической таблице

d-блок периодической таблицы содержит элементы группы 3-12, у которых d-орбитали постепенно заполняются в каждом из четырех длинных периодов. Название “переходный” дано элементам d-блока только из-за их положения между элементами s- и p-блока. Существует четыре серии переходных металлов 3d серии (Sc – Zn), 4d серии (Y – Cd) и 5d (La, Hf – Hg) и 6d серии (AC, unq – Uub).

Определение переходного элемента

Переходный элемент определяется как элемент, который имеет неполностью заполненные d-орбитали в основном состоянии или в любом из состояний окисления. Zn, Cd и Hg не являются типичными переходными элементами, поскольку они имеют полную конфигурацию d 10 в основном состоянии, а также в своем общем состоянии окисления.

Однако, будучи последними членами трех переходных рядов, их химия изучается вместе с химией переходных металлов.

Электронные конфигурации элементов d-блока

Общая электронная конфигурация элементов d-блока выглядит следующим образом

Для 3d серии 3d 1-10 4s 1-2 Для 4d серии 4d 1-10 5s 1-2 Для 5d серии 5d 1-10 6s 1-2 Для 6d серии 6d 1-10 7s 1-2 В целом (n-1) d 1-10 ns 1-2

Орбитали d переходного элемента выступают на периферию атома больше, чем другие орбитали (s и p). Следовательно, они в большей степени подвержены влиянию окружения, а также воздействию окружающих их атомов или молекул.

Общие свойства переходных элементов

1. Физические свойства

Почти все переходные элементы проявляют металлические свойства, такие как высокая прочность на разрыв, пластичность, ковкость, высокая тепло- и электропроводность и металлический блеск.

Переходные металлы (за исключением Zn, Cd, Hg) очень твердые и обладают низкой летучестью. Их температуры плавления и кипения высоки.

В любом ряду точки плавления этих металлов поднимаются до максимума при d5, за исключением анамольного поведения Mn и Tc, и плавно снижаются по мере увеличения атомного номера. Они имеют высокую энтальпию атомизации.

В целом, чем больше число валентных электронов, тем сильнее связь. Поскольку энтальпия атомизации является важным фактором при определении стандартного электродного потенциала металла, металлы с очень высокой энтальпией атомизации, т.е. с очень высокой температурой кипения, как правило, являются благородными в своих реакциях.

2. Атомный и ионный размер

В целом, ионы с одинаковым зарядом в данном ряду показывают прогрессивное уменьшение радиуса с увеличением атомного номера. Это происходит потому, что новый электрон попадает на d-орбиталь каждый раз, когда ядерный заряд увеличивается на единицу, и экранирующий эффект d-электрона не эффективен, поэтому чистое электростатическое притяжение между ядерным зарядом и внешним электроном увеличивается, и радиус иона уменьшается.

Заполнение 4f перед 5d орбиталями приводит к регулярному уменьшению атомных радиусов, называемому лантаноидным сокращением, которое в основном компенсирует ожидаемое увеличение размера атома с ростом атомного номера.

3. Плотность

Уменьшение металлического радиуса в сочетании с увеличением массы приводит к общему увеличению плотности этих элементов. Так, от Ti к Cu можно отметить значительное увеличение плотности.

4. Энтальпия ионизации

Вследствие увеличения ядерного заряда, сопровождающего заполнение внутренних d-орбиталей, происходит увеличение энтальпии ионизации в каждом ряду переходных элементов слева направо. Однако существует множество небольших вариаций.

5. Состояние окисления

Одной из примечательных особенностей переходного элемента является большое разнообразие состояний окисления. Элементы, дающие наибольшее число состояний окисления, находятся в середине ряда или около нее. Mn имеет все степени окисления от +2 до +7.

6. Химическая реакционная способность

Переходные металлы сильно различаются по своей химической реакционной способности. Многие из них достаточно электроположительны, чтобы растворяться в минеральной кислоте, хотя некоторые являются благородными, что означает, что они не реагируют ни с одной кислотой. Металлы 3d-серии, за исключением Cu, относительно более реакционноспособны и окисляются 1M H + , хотя фактическая скорость реакции этих металлов с окислителями, такими как ион водорода (H + ), является медленной.

7. Магнитные свойства

Когда к веществу прикладывается магнитное поле. В основном наблюдаются два типа магнитного поведения: диамагнетизм и парамагнетизм. Диамагнитные вещества не содержат неспаренных электронов и отталкиваются от магнита, а парамагнитные вещества притягиваются и содержат один или несколько неспаренных электронов. Вещества, которые сильно притягиваются магнитом, называют ферромагнитными. Парамагнетизм возникает из-за наличия неспаренных электронов, каждый из которых имеет магнитный момент, связанный со спиновым угловым моментом и орбитальным угловым моментом.

где n – число неспаренных электронов, BM – магнетон Бора.

8. Образование цветных ионов

Когда электрон с более низкой энергии d-орбитали возбуждается на более высокую энергию d-орбитали, энергия возбуждения соответствует частоте поглощаемого света. Эта поглощенная частота обычно лежит в видимой области. Наблюдаемый цвет соответствует комплементарному цвету поглощенного света. Частота поглощаемого света определяется (i) природой лиганда, (ii) размером иона металла и (iii) состоянием окисления металла.

9. Образование комплексного соединения

Благодаря меньшим размерам ионов металла, высоким ионным зарядам и наличию d-орбиталей для образования связей, переходные элементы образуют ряд сложных соединений. Примерами некоторых комплексных соединений/ионов являются:

10. Каталитические свойства

Переходные металлы и их соединения известны своей каталитической активностью. Эта активность приписывается им благодаря их способности

1. принимать несколько состояний окисления
2. образовывать комплексы

Катализатор на твердой поверхности включает в себя образование связей между молекулами реагентов и атомами поверхности катализатора. Это приводит к увеличению концентрации реагирующих веществ на поверхности катализатора, а также к ослаблению связей в реагирующих молекулах. Кроме того, поскольку ионы переходных металлов могут изменять свои состояния окисления, они становятся более эффективными в качестве катализатора.

11. Образование интерстициальных соединений

Междоузельные соединения – это соединения, которые образуются, когда небольшие атомы, такие как H, C или N, оказываются в ловушке внутри кристаллической решетки металлов. Они обычно не являются стохиометрическими и, как правило, не являются ни ионными, ни ковалентными. Например, TiC, Mn₄N, Fe₃H, VH_0.56 и TiH_1.7 и т.д.

Основные физические и химические характеристики этих соединений следующие:

1. Они имеют высокую температуру плавления, выше, чем у чистого металла.
2. Они очень твердые.
3. Они сохраняют металлическую проводимость.
4. Они химически инертны.

12. Образование сплавов

Сплав может быть однородным твердым раствором, в котором атомы одного металла распределены случайным образом среди атомов другого. Такие сплавы образованы атомами с металлическими радиусами, которые находятся в пределах примерно 15 процентов друг от друга. Из-за сходства радиусов и других характеристик переходных металлов сплавы легко образуются из этих металлов. Образованные таким образом сплавы твердые и часто имеют высокую температуру плавления. Наиболее известными являются сплавы черных металлов. Cr, V, W, Mo и Mn используются для производства разнообразных сталей и нержавеющей стали.

Получение и свойства соединений элементов d-блока

(1) Перманганат калия (KMnO₄)

Перманганат калия получают из пиролюзита (MnO₂) с помощью следующих шагов:

(i) Превращение пиролюзита (MnO₂) в манганат калия: Порошкообразный пиролюзит сплавляется с KOH в присутствии воздуха или окислителя, такого как KNO₃или KClO₃ с получением зеленого цвета манганата калия.

(ii) Окисление хлором

Свойства перманганата калия

Перманганат калия образует темно-фиолетовые игольчатые кристаллы с металлическим блеском. Его м.п. составляет 523 К. Он умеренно растворим в воде, давая фиолетовый раствор.

При нагревании перманганат калия превращается в манганат с выделением кислорода.

При нагревании со щелочами перманганат калия превращается в манганат и выделяется газообразный кислород.

Окисляющий агент: KMnO₄ является сильным окислителем в кислой, нейтральной и щелочной среде. В кислой среде:

Структура манганата и перманганат-иона

(a) MnO₄ 2- ионно-тетраэдрическая структура.

(a) MnO₄ – ионно-тетраэдрическая структура.

(2) Дихромат калия, K₂Cr₂O₇

Является наиболее важным соединением хрома. K₂Cr₂O₇ получают из хромитовой руды (FeO.Cr₂O₃). При этом выполняются следующие этапы:

(i) Получение хромата натрия: Порошкообразная руда нагревается с гидроксидом натрия в присутствии воздуха, образуется хромат натрия и выделяется CO2.

(ii) Превращение хромата натрия в дихромат натрия: Раствор хромата натрия обрабатывают разбавленной водой. H₂SO₄ для получения дихромата натрия, Na₂Cr₂O₇.

(iii) Превращение дихромата натрия в дихромат калия: Дихромат натрия фильтруют и затем обрабатывают разб. H2SO4. Сульфат натрия, будучи менее растворимым, отделяется. Затем горячий концентрированный раствор охлаждают, когда красные кристаллы дихромата натрия выделяются при стоянии, и затем горячий концентрированный раствор дихромата натрия обрабатывают хлоридом калия для получения дихромата калия.

1. Это оранжевое кристаллическое твердое вещество с температурой плавления 670 K.
2. Он хорошо растворим в горячей воде, но умеренно растворим в холодной воде.
3. При нагревании K₂Cr₂O₇ разлагается, давая хромат калия и оксид хрома.

(d) Испытание на хлористый хром: При нагревании смеси хлорида металла с K₂Cr₂O₇ и конц. H₂SO₄ кислотой, образуются оранжево-красные пары хлористого хромила.

(e) Реакция с H₂O₂: Подкисленный раствор дихромат-ионов образует темно-синий цвет с H₂O₂ в результате образования [CrO(O₂)₂].

1. Для объемного определения солей железа, иодидов и сульфидов.
2. Для приготовления других соединений хрома, таких как хромовые квасцы, хромовый желтый и т.д.
3. Используется при хромовом дублении в кожевенной промышленности.
4. Используется в качестве окислителя.

Структура хромат- и дихромат-иона

(a) CrO₄ 2- ионно-тетраэдрическая структура.

(b) Cr₂O₇ 2- ион – два тетраэдра, имеющих один атом кислорода на одном углу.

Внутренние переходные элементы

Блок f состоит из двух серий – лантаноидов и актиноидов. Лантан близко похож на лантаноиды, поэтому его обычно включают в любое обсуждение лантаноидов, для которых часто используется общий символ Ln. Точно так же обсуждение актиноидов включает актиний, помимо четырнадцати элементов, составляющих серию.

Лантаноиды похожи друг на друга больше, чем члены обычных переходных элементов в любой серии. Они имеют только одно стабильное состояние окисления, и их химия дает прекрасную возможность изучить влияние малого размера и ядерного заряда в ряду в остальном похожих элементов.

Лантаноиды

1. Электронная конфигурация

Можно отметить, что атомы этих элементов имеют электронную конфигурацию 6s 2 5d 0 или 1 4f 1-14.

2. Атомный размер и ионный размер

Уменьшение размера от La к Lu является уникальной особенностью в химии лантаноидов. Это связано с сокращением лантаноидов. Уменьшение атомных радиусов происходит не совсем регулярно, как это происходит в ионе M 3+. Это сокращение аналогично тому, что наблюдается в обычном переходном ряду, и объясняется той же причиной – несовершенным экранированием одного электрона другим в той же подоболочке.

3. Состояние окисления

В лантаноидах преобладают соединения La(II) и Ln(III). Однако некоторые элементы могут иметь степень окисления III и IV. Pr, Nd, Tb и Dy могут проявлять +4 О.С. только в MO₂ оксиде.

4. Общие характеристики

1. Все лантаноиды являются серебристо-белыми мягкими металлами и быстро тускнеют.
2. Твердость возрастает с увеличением атомного номера, самарий (Sm) – стальная твердь.
3. Они являются хорошими проводниками электричества.
4. Плотность и другие свойства изменяются плавно, за исключением Eu и Yb и иногда Sm и Tm.
5. Многие ионы трехвалентных лантаноидов окрашены как в твердом состоянии, так и в растворе. Цвет этих ионов может быть объяснен наличием f-электронов.

5. Реакция

6. Применение

1. Наилучшее применение лантаноиды находят для производства легированных сталей для листов и труб.
2. Хорошо известный мишметалл состоит из лантаноидного металла (~95%) и железа (~5%) и следов S, C, Ca и Al. Он используется в сплаве на основе Mg для формирования пуль.
3. Смешанные оксиды лантаноидов используются в качестве катализаторов при крекинге нефти.
4. Некоторые отдельные оксиды лантаноидов используются для изготовления телевизионных экранов и аналогичных антифрикционных поверхностей.

Актиноиды

Актиноиды включают четырнадцать элементов от Th до Lr. Название символ и некоторые свойства этих элементов показаны ниже.

Актиноиды являются радиоактивными элементами, причем ранние элементы имеют относительно длительный период полураспада, а последние имеют период полураспада от одного дня до 3 минут для лауренция (Z-103).

1. Электронная конфигурация

Общая электронная конфигурация всех элементов приведена в таблице. Четырнадцать электронов формально добавлены к 5f, хотя не в тории (Z-90), но начиная с Pa и далее орбитали 5f являются полными у элемента 103. Неровности в электронных конфигурациях актиноидов, как и лантаноидов, связаны с устойчивостью f 0, f 7, f 14 мест на орбиталях 5f.

2. Атомный размер и ионный размер

В ряду происходит постепенное уменьшение размера атомов или ионов M3+. Это называется актиноидным сокращением, которое больше, чем лантаноидное сокращение.

3. Состояние окисления

Существует больший диапазон состояний окисления, что частично объясняется тем, что уровни 5f, 6d и 7s имеют сравнимые энергии. Элементы, находящиеся в первой половине актиноидов, часто проявляют более высокие степени окисления. Однако ионы +3 и +4 склонны к гидролизу.

4. Общие характеристики

1. Все они серебристые на вид, но имеют разнообразную структуру. Это связано с неравномерностью металлических радиусов.
2. Это высокореакционные металлы.
3. HCl реагирует со всеми актиноидами.
4. Большинство из них слабо подвержены воздействию HNO₃ из-за образования защитного оксидного слоя. Однако щелочи не оказывают никакого действия.
5. Магнитные свойства актиноидов сложнее, чем у лантаноидов.
6. IE₁ Магнитные свойства ранних актиноидов меньше, чем ранних лантаноидов, поскольку орбитали 5f глубоко зарыты.
7. Соединения актиноидов или их ионы окрашены, скорее всего, из-за переноса заряда или f-f перехода.

Некоторые области применения элементов d- и f-блоков

1. Железо и сталь являются наиболее важными строительными материалами. Их производство основано на восстановлении оксидов железа, удалении примесей и добавлении углерода и легирующих металлов, таких как Cr, Mn и Ni.
2. Некоторые соединения производятся для специальных целей, например, TiO для пигментной промышленности и MnO₂ для использования в сухих элементах наряду с использованием Zn.
3. Многие из элементов или соединений элементов этого блока являются важными катализаторами.
4. AgBr является важным химическим веществом, используемым в фотографии. Наряду с AgBr могут также использоваться Ag и AgI.
5. Некоторые соединения, такие как MnO4 – , CrO₄ 2- являются хорошими окислителями.

Резюме

Переходный элемент: Он определяется как элемент, который имеет неполностью заполненные d-орбитали в основном состоянии или в любом из состояний окисления.

Общая э.к. d-блока: (n – 1)d 1-10 ns 0-2

Температура плавления повышается до середины, а затем понижается.

Hg существует в жидком состоянии при комнатной температуре.

Энергия ионизации увеличивается слева направо, но тенденция не регулярна. Энтальпии последовательной ионизации не увеличиваются так круто, как у элементов основной группы с увеличением атомного номера.

Эти элементы имеют различные степени окисления.

Как правило, эти элементы и их соединения окрашены.

Из-за наличия неспаренных электронов они, как правило, парамагнитны.

KMnO4 получают из MnO2.

В f-блоке присутствуют две серии

Все актиноиды радиоактивны, тогда как в лантаноидах радиоактивен только Pm.

Для лантаноидов наиболее распространенным состоянием окисления является +3.

Уменьшение размера из-за плохого экранирования 4f-орбиталей известно как сокращение лантаноида.