Вопросы и задачи

1. Какие степени окисления характерны для металлов второй группы главной подгруппы? Почему они имеют более низкую восстановительную способность, чем щелочные металлы?

2. Почему карбонаты кальция и магния растворяются в природной воде? Написать уравнения реакций.

3. С помощью каких химических реакций можно осуществить химические превращения:

Ca  Ca(OH)₂  CaCO₃  Ca(HCO₃)₂?

4. Написать уравнения реакций следующих переходов:

BaSO₄  BaS  BaCO₃  BaCl₂  Ba.

5. Раствор содержит ионы кальция, стронция и бария. К нему по каплям приливают раствор сульфата натрия. Какой осадок выпадет в первую очередь и почему?

6. Какие соли придают воде жесткость и как она устраняется?

7. Закончить уравнения реакций:

1. CaH₂ + H₂O 

2. Mg + HNO₃ (разб.) 

3. BaO₂ + H₂SO₄ 

4. FeSO₄ + BaO₂ + H₂SO₄ 

8. Определить временную жесткость воды, если для ее устранения на 1000 л воды понадобилось прибавить 40 г NaOH.

Переходные металлы

Программа

Зависимость свойств переходных металлов от электронных структур s-, p-, d- и f-подуровней атомов. Особенности атомных характеристик d- и f-металлов, отличающие их от s-металлов.

Физические свойства металлов и причины их разнообразия. Общие химические особенности d-металлов. Разнообразие степеней окисления, устойчивых при обычных условиях. Соединения с низшими и высшими степенями окисления.

Комплексные соединения двух- и трехзарядных катионов d-металлов. Их устойчивость в водных растворах и различия в устойчивости, связанные с зарядом катиона и природой комплексообразующего лиганда.

Основные химические особенности лантанидов и актинидов.

К переходным металлам относятся d- и f-элементы. Они занимают промежуточное положение между начинающими каждый период s-элементами и заканчивающими его р-элементами. Все переходные элементы - металлы.

Вследствие сходства в строении внешних электронных оболочек атомов переходные элементы близки по свойствам. Однако эта близость относительна, так как и физические и химические свойства переходных металлов достаточно разнообразны. Наиболее значительная близость физических и химических свойств объединяет 4f- и 5f-металлы в отдельные семейства, называемые соответственно лантанидами и актинидами.

Наиболее своеобразными свойствами обладают металлы первого переходного ряда - 3d-элементы. Свойства d-элементов определяются строением их валентных электронных оболочек. Их валентные 4s- и 3d-подуровни мало различаются энергетически, и это приводит к некоторым особенностям в порядке заполнения этих подуровней. Конфигурации с заполненным наполовину или полностью 3d-подуровнем (3d⁵ и 3d¹⁰) обладают повышенной энергетической устойчивостью вследствие своей симметричности. В атоме хрома 3d-подуровень заполнен не четырьмя, а пятью электронами, причем один из электронов 4s-подуровня «проваливается» на 3d-подуровень. Точно также атом меди имеет конфигурацию валентных подуровней 3d¹⁰4s¹, а не 3d⁹4s². Устойчивость этих конфигураций определяет свойства элементов.

Особенности валентных оболочек 3d-металлов сильно сказываются на структуре и физических свойствах их кристаллов, и как следствие, на всех свойствах этих металлов. Участие d-подуровней в образовании металлических связей сильно увеличивает число возможных типов гибридизации электронных орбиталей атомов в кристалле металла. В итоге у каждого из атомов существует большое число соседних атомов, с которыми они связаны металлическими связями. Большинство переходных металлов имеет плотноупакованные структуры; и притом часто не одну, а две структуры с очень близкими энергиями.

Химические свойства d-металлов имеют несколько характерных черт. Важнейшими среди них являются следующие особенности, позволяющие рассматривать d-металлы как единую группу:

1. все d-элементы - металлы, отличающиеся от s-металлов меньшей восстановительной способностью;

2. для большинства d-элементов характерно проявление двух или нескольких степеней окисления, сравнимых по термодинамической устойчивости в обычных условиях. Это значит, что для них характерно большее число окислительно-восстановительных реакций;

3. многие d-элементы в высших степенях окисления проявляют кислотные свойства, а в низших - слабоосновные;

4. Образуют большое количество разнообразных комплексных соединений, многие из которых устойчивы в водных растворах.

Первые потенциалы ионизации, электроотрицательности, металлические и ионные радиусы 3d-металлов изменяются в узких пределах (табл.2). Характеристики 4d- и 5d-металлов также мало отличаются друг от друга.

Сравнение характеристик 3d-металлов с одноименными характеристиками кальция показывает, что у 3d-металлов меньше металлические и ионные радиусы, и заметно выше потенциалы ионизации и электроотрицательности. Поэтому естественна гораздо меньшая восстановительная способность 3d-металлов, которая выражается более положительными значениями стандартных электродных потенциалов.

Для большинства d-элементов известно несколько степеней окисления. Существуют не все возможные степени окисления. У марганца достигается наибольшая для 3d-элементов степень окисления +7. Максимальная степень окисления уменьшается на единицу при уменьшении или увеличении на единицу (от марганца) порядкового номера элемента. Некоторая электронная конфигурация и соответствующие им степени окисления обладают повышенной устойчивостью. Так, устойчивы все высшие для каждого из 3d-элементов степени окисления от Sc (III) до Mn (II). Кроме того, более или менее устойчивы степени окисления +2 всех 3d-металлов, начиная с Mn⁺² и до Zn⁺² включительно, а также степени окисления +3 для Sc, Cr, Fe и в меньшей степени для Со.

Таблица 2

Характеристики свойств 3d-металлов

Свойства	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn
Потенциал ионизации I1, кДж/моль	631	658	650	652	716	759	758	736	745	906
Электроотри-цательность	1,3	1,5	1,6	1,6	1,5	1,8	1,8	1,8	1,9	1,6
Металличес-кий радиус, пм	161	145	131	125	137	124	125	125	128	133
Ионный радиус катиона М2+, пм	-	-	79	82	83	78	74,5	69	73	75
Ионный радиус катиона М3+, пм	74,5	67	64	61,5	64,5	64,5	61	-	-	-
Ео полуреакции М2++2е -М, В	-	-1,6	-1,18	-0,92	-1,17	-0,44	-0,28	-0,2	0,34	-0,8
Ео полуреакции М3++3е -М, В	-2,08	-	-0,87	-0,74	-	-0,04	0,33	-	-	-