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. 

Периодическая таблица Менделеева

Периодическая таблица Менделеева
Рис. 1. Периодическая таблица

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

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.
Cu - медь
Рис. 2. Медь

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

Класс веществ

Название соединения

Характер свойств

Оксиды

Оксид меди (I) Cu2O Основной.

Оксид меди (II) CuO

Амфотерный (преобладают основные свойства).

Гидроксиды

Гидроксид меди (I) СuOH

Основной.

Гидроксид меди (II) Cu(ОН)2 Амфотерный (преобладают основные свойства).

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

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: 1s2s22p3s23p63d10 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↓ + H2.

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. 

Рис. 3. Цинк

Таблица 2

Характеристика соединений

Классы веществ

Названия и формулы

Свойства

Оксиды

Оксид цинка, ZnO

Амфотерный.

Гидроксиды

Гидроксид цинка Zn(ОН)2

Амфотерный.

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

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 3s23p63d4s1 (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.

Рис. 4. Хром

 

Таблица 3 

Химические свойства соединений

Классы веществ

Названия и формулы

Свойства

Оксиды Оксид хрома (II), СгО. Основной.
Оксид хрома (III), Сг2О3. Амфотерный.
Оксид хрома (VI), СгО3. Кислотный. Образует две кислоты — хромовую и дихромовую.

Гидроксиды

Гидроксид хрома (II), Сг(ОН)2.

Основной.

Гидроксид хрома (III), Сг(ОН)3. Амфотерный

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

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 2s22p3s23p63d4s2 (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).

Железо
Рис. 5. Железо

 

Таблица 4

Свойства соединений

Классы веществ

Названия и формулы

Свойства

Оксиды

Оксид железа (II) FeO. Основной.

Оксид железа (III) Fe2O3.

Амфотерный, с преобладанием основных свойств.

Гидроксиды

 

Гидроксид железа (II) Fe(ОН)2.

Основной.

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)3.

Амфотерный, с преобладанием основных свойств.

Ржавчина на железном изделии
Рис. 6. Ржавчина на железном изделии

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:

14 сентября 2020, 15:05

Комментарии

Для добавления комментариев необходимо авторизоваться.