Переходные металлы

Что означает для вас слово “переход”? Оно происходит от латинского transientum, что означает “переход”, и подразумевает переход из одного места в другое.

Так вот, это и есть переходные металлы – группа элементов, которые преодолевают разрыв между двумя сторонами периодической таблицы. В этой статье мы окунемся в удивительный мир этих металлов.

• Эта статья – введение в переходные металлы в неорганической химии.
• Мы начнем с определения переходных металлов.
• Затем мы рассмотрим их расположение в периодической таблице.
• Мы рассмотрим их общие свойства.
• Наконец, мы изучим некоторые их виды использования и применения.

Определение переходных металлов

Ученые иногда расходятся во мнениях относительно точной классификации переходных металлов. На самом деле, существует несколько различных определений.

Но для сдачи экзамена вам необходимо знать следующее:

Переходные металлы – это элементы, образующие по крайней мере один стабильный ион с частично заполненной d-подоболочкой электронов.

Вы можете подумать, что это определение охватывает все элементы d-блока периодической таблицы, но на самом деле это не так. Это связано с тем, что не все элементы d-блока образуют стабильные ионы с неполными d-подоболочками электронов. Примерами элементов d-блока, которые не являются транстионными металлами, являются скандий (Sc) и цинк (Zn). Позже мы рассмотрим, почему это так.

Вы можете увидеть переходные металлы в периодической таблице ниже. Здесь они выделены синим цветом.

Рис. 1 – Периодическая таблица элементов с выделенными переходными металлами

IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии) дает несколько иное определение переходного металла. Они согласны с тем, что переходный металл – это элемент, образующий по крайней мере один стабильный ион с частично заполненной d-подоболочкой электронов, но они также говорят, что переходными металлами могут быть элементы, атомы которых имеют частично заполненную d-подоболочку. Это определение означает, что скандий и цинк на самом деле являются переходными металлами.

Вы также можете увидеть лантаноиды, которые являются элементами с атомными номерами 57 – 71, и актиниды, которые имеют номера 89 – 103, называемые внутренними переходными металлами. Но для этой статьи мы будем придерживаться первого определения, которое мы выучили – только элементы, выделенные синим цветом выше.

Переходные металлы в периодической таблице

Как мы показали выше, переходные металлы находятся в середине d-блока периодической таблицы.

d-блок – это раздел периодической таблицы. Самая высокоэнергетическая подоболочка, встречающаяся в элементах d-блока, всегда является d-подоболочкой. Блок d находится между s- и p-блоками и обеспечивает связь между ними.

Более конкретно, переходные металлы встречаются в группах 3-12 и периодах 4-7, но это не важно – важно лишь то, что вы можете найти их в периодической таблице.

Электронная конфигурация переходных металлов

Мы

Как мы уже говорили выше, все переходные металлы находятся в d-блоке периодической таблицы. Это означает, что все их валентные электроны находятся в d-подоболочке.

Следует помнить, что электроны находятся в оболочках. Они разбиты на подоболочки. Существует четыре различных типа электронных подоболочек: s-, p-, d- и f-подоболочки. Положение элемента в периодической таблице говорит о том, в какой подоболочке с наивысшей энергией находятся его электроны. Например, у элементов p-блока самая высокоэнергетическая подоболочка – это p-подоболочка.

По мере продвижения по периоду в периодической таблице каждый переходный металл имеет на один электрон больше, чем предыдущий. Эти электроны постепенно заполняют d-подоболочку, но есть несколько коварных исключений. Давайте рассмотрим их подробнее, используя в качестве примера первый ряд переходных металлов (период 4). Ниже мы выделили этот период.

Рис. 2 – Периодическая таблица с выделенным периодом 4

Давайте посмотрим на их электронные конфигурации. Как и в периодической таблице, мы выделили переходные металлы.

Рис. 3 – Электронная конфигурация периода 4

Первые два элемента периода 4, калий (K) и кальций (Ca), находятся в s-блоке. Их валентные электроны находятся в 4s-подоболочке, а 3d-подоболочка пуста.

Помните, что подоболочки заполняются в определенном порядке, от наименьшей энергии к наибольшей. Обычно это происходит по схеме от наименьшего номера к наибольшему. Например, 2s заполняется раньше, чем 3s. Однако 3d является аномалией – его энергия немного выше, чем у 4s, и поэтому он заполняется после 4s. Это еще один пример досадного исключения из правил, которые вам необходимо выучить!

Следующие 10 элементов – это элементы d-блока. По мере продвижения по периоду электроны добавляются к внутренней 3d-подоболочке один за другим. Например, скандий (Sc) имеет 21 электрон и только один электрон на 3d-подоболочке, что дает ему электронную конфигурацию [Ar] 3d 1 4s 2 , тогда как титан имеет 22 электрона и два электрона на 3d-подоболочке. Это дает ему электронную конфигурацию [Ar] 3d 2 4s 2 .

Но, как мы уже упоминали выше, эта схема заполнения грубо прерывается двумя элементами: хромом (Cr) и медью (Cu). Оба они имеют частично заполненные 4s-подоболочки. Почему так происходит?

Да потому, что 4s- и 3d-подоболочки имеют очень похожие энергетические уровни. Поскольку электрон в 4s-подоболочке неспаренный, он не испытывает электрон-электронного отталкивания. Это понижает его энергию и более чем компенсирует дополнительный электрон в немного более высокоэнергетической 3d-подоболочке. Электронам просто нравится находиться в самом низком энергетическом состоянии. Также считается, что полузаполненная 3d-подоболочка, как в случае хрома, или полностью заполненная 3d-подоболочка, как в случае меди, помогает стабилизировать атом.

Рис. 4 – Ожидаемые и наблюдаемые электронные конфигурации хрома и меди

Электронная конфигурация ионов переходных металлов

Все переходные металлы образуют положительные катионы, теряя электроны.

Возможно, вы помните

Возьмем для примера железо (Fe). Оно обычно образует ионы с зарядами 2+ или 3+. Железо имеет электронную конфигурацию [Ar] 3d 6 4s 2 . При образовании иона 2+ оно сначала теряет свои 4s-электроны, что дает ему электронную конфигурацию [Ar] 3d 6 4s 0 . Для образования иона 3+ необходимо потерять еще один электрон. Поскольку 4s-подоболочка теперь пуста, этот электрон теряется с 3d-подоболочки, придавая иону электронную конфигурацию [Ar] 3d 5 4s 0 .

Рис. 5 – Электронная конфигурация железа, железа(II) и железа(III)

Почему не все элементы d-блока являются переходными металлами?

Потому что не все они образуют стабильные ионы с неполными d-подоболочками. Например, скандий (Sc) во всех своих соединениях образует только ионы 3+, что дает ему электронную конфигурацию [Ar] 3d 0 4s 0 . Его 3d-подоболочка полностью пуста, поэтому он не является переходным металлом. Аналогично, цинк (Zn) во всех своих соединениях образует только ионы 2+. Эти ионы имеют электронную конфигурацию [Ar] 3d 10 4s 0 . Его 3d-подоболочка полностью заполнена, поэтому он не является переходным металлом.

Свойства переходных металлов

Все переходные металлы обладают схожими свойствами. Они являются хорошими проводниками тепла и электричества, твердые и прочные, имеют высокие температуры плавления и кипения. По сравнению с металлами групп 1 и 2, они также относительно малореактивны. Это делает их чрезвычайно полезными, но об этом мы поговорим в следующем разделе. Пока же давайте рассмотрим некоторые другие их характерные свойства. В частности, есть четыре свойства, о которых вам необходимо знать, когда речь идет о переходных металлах:

Переходные металлы образуют ионы с несколькими степенями окисления. Мы уже рассмотрели, как железо образует ионы 2+ и 3+.

Они образуют комплексные ионы. Комплексные ионы – это ионы, соединенные с другими ионами или молекулами, известными как лиганды, с помощью дативных ковалентных связей.

1. Они образуют цветные соединения. Например, медь часто образует синие растворы.
2. Они являются хорошими катализаторами, то есть веществами, которые увеличивают скорость химической реакции, не расходуясь в процессе.
3. Более подробно эти свойства рассматриваются в разделе “Свойства переходных металлов”.
4. Применение переходных металлов

Благодаря своим свойствам, переходные металлы имеют широкий спектр применения. Их можно найти в электронике, строительных материалах и многом другом. Вот некоторые из наиболее распространенных областей их применения:

Алюминий легок и нетоксичен, поэтому используется не только в производстве деталей автомобилей и самолетов, но и для изготовления консервных банок и фольги для упаковки продуктов питания.

Железо используется в строительных материалах, например, в мостах, кораблях и в каркасах зданий. Это объясняется его высокой прочностью и низкой стоимостью. Фактически, на долю железа приходится 90 процентов мирового производства металлов.

Медь используется в электрических проводах из-за ее хорошей электропроводности.

Порошкообразный титан можно встретить в пиротехнической промышленности, например, в фейерверках, поскольку он производит ярко горящие частицы.

Вольфрам используется в нитях накаливания ламп и рентгеновских трубках.

Переходные металлы часто образуют сплавы. Это соединения, полученные из смесей элементов, из которых хотя бы один является металлом. Сплавы обычно прочнее чистых металлов. Металлы образуют решетки, а в чистых металлах ионы металла в решетке имеют одинаковый размер, поэтому они легко скользят друг по другу.

Однако сплавы содержат ионы металла разного размера. Они искажают решетку и затрудняют скольжение ионов друг по другу. К полезным сплавам переходных металлов относятся латунь (из меди и цинка), сталь (из железа и углерода, неметалла) и стерлинговое серебро (из серебра и другого металла, обычно меди).

Более подробную информацию о металлических решетках можно найти в разделе Металлическая связь.

Переходные металлы – основные выводы

Переходные металлы – это элементы, атомы которых имеют частично заполненную d-подоболочку или образуют по крайней мере один стабильный ион с частично заполненной d-подоболочкой электронов.

Переходные металлы находятся в d-блоке периодической таблицы. Это означает, что их самая высокоэнергетическая подоболочка всегда является d-подоболочкой. Более конкретно, переходные металлы находятся в группах 3-12 и периодах 4-7.

Переходные металлы различаются по количеству электронов в их d-подоболочках. Однако у меди и хрома электронные конфигурации несколько отличаются от ожидаемых из-за сходства энергетических уровней 4s- и 3d-подоболочек.

При образовании ионов переходные металлы теряют свои 4s-электроны раньше, чем 3d-электроны.

Переходные металлы твердые и прочные, имеют высокие температуры плавления и кипения и относительно малореактивны.

Переходные металлы также образуют ионы с несколькими степенями окисления, образуют комплексные ионы, производят цветные соединения и действуют как катализаторы.

Переходные металлы используются в качестве строительных материалов и в электронике. Они также образуют множество различных сплавов.

Часто задаваемые вопросы о переходных металлах

Почему переходные металлы являются хорошими катализаторами?

Переходные металлы являются хорошими катализаторами, поскольку они могут изменять свою степень окисления и обладают способностью адсорбировать другие вещества.

Реактивны ли переходные металлы?

Переходные металлы менее реакционноспособны, чем другие группы, благодаря высокой энергии ионизации и высокой температуре плавления.

Какие металлы являются переходными?

Элементы, расположенные между группами 3-12 в периодической таблице, являются переходными металлами.

Объясните, почему Sc и Zn не относятся к переходным металлам.

Они не имеют частично заполненной d-подоболочки в своем атомном состоянии или в своем общем состоянии окисления (т.е. Zn 2+ , Sc 3+ ), поэтому они не считаются переходными элементами.

Что такое переходные металлы и где они находятся в периодической таблице?

Переходные металлы – это металлы, атомы которых имеют частично заполненную d-подоболочку или образуют по крайней мере один стабильный ион с частично заполненной d-подоболочкой электронов. Они находятся между группами 3-12 в периодической таблице.