Характеристика переходных элементов (меди, цинка, хрома, железа) по их положению в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностям строения их атомов

Переходные элементы имеют d- и f-электроны, у них происходит заполнение внутренних оболочек. В Периодической системе химических элементов (ПСХЭ) они заполняют В-группы (побочные) 4, 5 и 6 периодов (рис. 1). В основном расположены между s- и р-элементами. 

Наибольшее практическое значение среди переходных элементов имеют медь, цинк, хром и железо. На примере элементов, простых веществ и соединений можно проследить общие закономерности изменения свойств.

Медь, Cu

Латинское название — Cuprum, символ — Cu. Относительная атомная масса — 63,5. Медь находится в 4 периоде, I B-группе ПСХЭ. Порядковый номер — 29.

Распределение электронов по уровням и подуровням характеризует следующая электронная формула: 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d¹⁰ 4s¹. В возбужденном состоянии на 4s уровень и подуровень «проскакивает» один d-электрон. Атом получает более устойчивую конфигурацию электронных оболочек.

Типичные значения валентностей и степеней окисления в соединениях: I(+), II(+), 0, +1, +2 соответственно. Заряд катиона 2+.

Способ получения меди в лаборатории — восстановление из оксида с помощью водорода при нагревании.

Промышленное получение:

• Восстановление водородом. Схема процесса: Cu⁺²O + H₂ → Cu⁰ + H₂O.
• Металлотермия. Происходит реакция обмена CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. далее идет вытеснение меди железом CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu↓.
• Электролиз водного раствора сульфата меди. На катоде происходит восстановление Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰; на аноде — окисление 2H₂O – 4ē → 4H⁺ + O₂↑. 

Описание металла — простого вещества

• золотисто-красный цвет (рис. 2);
• металлический блеск;
• пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в листы;
• тепло- и электропроводность высокие.

Химические свойства:

• Медь в ряду активности находится после водорода, это инертный металл.
• Не взаимодействует с водой.
• Не реагирует при обычных условиях с водородом, углеродом, кремнием, азотом, с растворами соляной и серной кислот, растворами щелочей.
• Взаимодействует с концентрированными растворами серной и азотной кислот.

Таблица 1

Важнейшие соединения меди

Применение меди, ее соединений и сплавов:

• изготовление конденсаторов, механизмов для часов, ювелирных изделий с применением латуни (сплава);
• использование чистого металла и сплавов в машиностроении;
• использование оксидов в производстве стекла, эмалей;
• производство дистилляторов воды;
• выпуск проволоки, кабеля.

Кристаллогидрат сульфата меди (медный купорос) — средство для борьбы с грибковыми инфекциями растений. Применяется в смеси с гашеной известью для получения более сильной бордоской жидкости. Медь используется в производстве микроудобрений. Элемент необходим растениям и животным для нормального роста и развития.

Цинк, Zn

Латинское название Zincum, химический символ Zn. Элемент 4 периода, расположен во II группе, В-подгруппе. Порядковый номер 30. Масса — 65,37. Строение электронных оболочек: 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d¹⁰ 4s² (в основном состоянии). Валентность и степень окисления: II(+) и +2 (соответственно).

Способы получения в промышленности:

• Восстановление углеродом при нагревании: ZnO+ C → CO↑ + Zn.
• Гидрометаллургия: ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄+ H₂O; ZnSO₄+ Fe → FeSO₄+ Zn↓.
• Электролиз: цинк восстанавливается на катоде Zn²⁺ + 2H⁺ + 4ē → Zn↓ + H_2.

Цинк — металл серебристо-серого цвета (рис. 3). Твердый, проводит тепло и электричество. Окисляется кислородом при нагревании. Не взаимодействует с бором, углеродом, кремнием, азотом. В воде не растворяется, но при сильном нагревании реагирует с водяным паром с образованием оксида цинка и выделением водорода. Реагирует с кислотами, кроме азотной, вытесняет водород. Вытесняет металлы, расположенные в ряду активности правее, из растворов их солей. 

Таблица 2

Характеристика соединений

Цинк находит применение как защитный материал для предотвращения ржавчины (оцинковки) изделий из стали, железа. Металл используется в строительстве, производстве бытовой техники и для других целей.

Хром, Cr

Латинское название Chromium, химический символ Cr. Элемент 4 периода, VI В-группы. Порядковый номер 24. Относительная атомная масса — 52. Строение электронных оболочек характеризует формула 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d⁵ 4s¹ (в невозбужденном состоянии).

Значения валентности и степени окисления в соединениях: II(+), III(+) VI(+); +2, +3, +6 (соответственно). Наиболее устойчивое состояние достигается при степени окисления +3. Повышение значения ведет к появлению и возрастанию кислотных свойств, ослаблению основных.

Способы получения в промышленности — пирометаллургия и электролиз. В первом случае используется вытеснение алюминием из оксида. Схема процесса: Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr. Проводят электролиз концентрированных водных растворов оксидов (CrO₃ или Cr₂O₃₎, либо соли Cr₂(SO₄)₃. Второй метод служит для получения наиболее чистого вещества.

Хром — твердый металл серого цвета с металлическим блеском (рис. 4). Вытесняет водород при взаимодействии с растворами неокисляющих кислот (соляной, фосфорной и др.). При сильном нагревании растворяется в серной и азотной кислотах.

Таблица 3 

Химические свойства соединений

Металл применяется для хромирования стали, изготовления декоративных изделий, бижутерии. Растворами солей пропитывают древесину для защиты от вредителей. Хром применяется для изготовления красителей, окраски стекла.

Железо, Fe

Латинское название Ferrum, химический символ Fe. Элемент находится в 4 периоде, VIII В-группе ПСХЭ. Порядковый номер 26. Относительная атомная масса — 56. Строение электронных оболочек характеризует формула 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d⁶ 4s² (в невозбужденном состоянии).

Значения валентности и степени окисления в соединениях: II(+), III(+) VI(+); +2, +3, +6 (соответственно). Самое устойчивое состояние — при степени окисления +3. Железо в степени окисления +6 — сильный окислитель.

Железо получают в промышленности двумя основными способами. Пирометаллургический заключается в восстановлении алюминием или водородом при высоких температурах. Схема алюмотермии: Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O. Подвергают растворы солей, например хлорид. На катоде происходит восстановление по схеме: Fe⁺³+ 3ē → Fe↓. На аноде собирают газообразный хлор. Сплавы железа — чугун и сталь — производят в мартеновских печах, получают электрометаллургическим способом.

Железо — твердый металл серебристо-черного цвета с металлическим блеском (рис. 5). Взаимодействует с кислородом при сильном нагревании. Вытесняет водород из растворов кислот. В воде окисляется с образованием оксидов и гидроксидов. Эту смесь в быту называют ржавчиной (рис. 6).

Таблица 4

Свойства соединений

Сплавы железа применяется во многих отраслях промышленности, строительстве, в транспортной отрасли. Сам металл менее прочный, ржавеет. Раствор сульфата железа используют в сельском хозяйстве для борьбы с болезнями и для подкормок растений.

Смотри также:

• Закономерности изменения свойств элементов и их соединений по периодам и группам
• Общая характеристика металлов IА–IIIА групп
• Общая характеристика неметаллов IVА–VIIА групп