Переходные металлы в ЕГЭ по химии: электронное строение и физические свойства

Содержание

1. Электронное строение.  
2. Физические свойства.  
 

1. Электронное строение.

В курс ЕГЭ по химии входит тема, связанная с переходными металлами. В этой статье мы дадим характеристику этим металлам, опишем их электронное строение и физические свойства.

Само понятие «переходности» связано с электронной структурой атомов. Мы хорошо знаем, что элементы главных подгрупп первых двух групп являются s-элементами. Это означает, что в них происходит заполнение ns орбитали (n – номер периода), на которой может быть один или два электрона. Например, литий находится во 2 периоде, поэтому у него заполняется 2s уровень. Элементы I и II групп главной подгруппы представляют собой типичные металлы, которые, теряя свои s-электроны, проявляют сильные восстановительные свойства. Литий, натрий, калий, барий – это как раз типичные s-металлы.

Если брать 2 и 3 периоды, то после двух s-элементов идет ряд из шести p-элементов. В них заполняются три p-орбитали, на каждой из которой тоже может быть ноль, один или два электрона. Эти элементы, особенно когда p-электронов много, проявляют типичные неметаллические свойства. Они, как правило, выступают окислителями. Например, кислород с четырьмя p-электронами или фтор с пятью p-электронами – типичные неметаллы-окислители. 
  
Так вот переходные элементы – это такие, в которых заполняется электронная оболочка между s- и p-оболочками. Такая оболочка называется d-оболочкой, впервые она начинает заполняться в 4 периоде. То есть элементы с валентными d-электронами называются переходными элементами или переходными металлами. Также в эту группу входят элементы, в которых заполняется f-оболочка, но в курсе ЕГЭ они не рассматриваются. Термин «переходные» указывает на то, что d-элементы находятся между типичными s-металлами и типичными p-неметаллами. И действительно, в их химических свойствах мы наблюдаем ту же «переходность», а именно сочетание свойств металлов и неметаллов.

Теперь можно посмотреть более подробно, как заполняется электронная оболочка в 4 периоде. Ниже на схеме показано, каким элементам соответствуют заполняемые орбитали электронных оболочек. Пустые квадраты как раз соответствуют орбиталям. На s-оболочке одна орбиталь, на d-оболочке пять, а на p-оболочке три. Учитывая, что на каждой орбитали может быть максимум два электрона, то s-элементов два, d-элементов десять, а p-элементов шесть. 

 
При движении по периоду направо каждый следующий элемент имеет на один электрон больше. У Ca на валентной оболочке на один электрон больше, чем у K, а у Sc на один электрон больше, чем у Са, и так далее. 

K и Сa – это s-элементы, их электронная конфигурация определяется заполнением 4s оболочки. У K конфигурация 4s¹, а у Ca 4s², цифры 1 и 2 верхним индексом после 4s означают наличие на этой оболочке 1 или 2 электронов. При этом ни d-, ни p-электронов у этих элементов нет. Если двигаться дальше, то мы переходим к Sc, Ti, V и далее. Это и есть переходные элементы, потому что здесь начинает застраиваться d-оболочка, которая заполняется после s-оболочки, но до p-оболочки. Конфигурация атома Sc поэтому выглядит так:

 
Получается, что скандий – это первый d-элемент. Обратим внимание на то, что d-оболочка имеет номер 3d, а не 4d. Все дело в том, что d-оболочка впервые появляется в 3 периоде, как и положено по правилам, ведь число оболочек на внешнем уровне равно главному квантовому числу, то есть номеру периода. Поэтому в 3 периоде 3 оболочки – s, p и d. Однако d-оболочка в 3 периоде не заполняется и остается у всех элементов пустой. Именно поэтому в 4 периоде мы имеем дело с заполнением 3d-оболочки, а не 4d. Она как бы «перешла» из 3 периода.  

Теперь можно двигаться дальше по периоду, то есть от скандия к титану, ванадию и так далее. Здесь есть правило: каждый новый электрон стремится встать первым электроном в пустую орбиталь, а не вторым электроном в орбиталь, на которой уже есть один электрон. Поэтому для титана мы получим: 

Соответственно у ванадия будет 3 d-электрона, по одному на трех из пяти d-орбиталей, а вот у хрома появляется интересная особенность, так называемая аномалия. По правилам для хрома как четвертого d-элемента мы должны были бы получить конфигурацию 4s²3d⁴. Тем не менее это неверно. Ввиду особой устойчивости конфигурации 3d⁵, у хрома наблюдается проскок одного электрона с 4s уровня на 3d уровень с образованием устойчивой конфигурации 3d⁵. Поэтому правильная запись электронной структуры будет выглядеть как 4s¹3d⁵, что и показано на рисунке ниже. Получается, что у хрома на внешнем 4s уровне только один электрон. Этот момент очень часто становится темой задания 1 в ЕГЭ по химии.

Тогда у следующего после хрома элемента, то есть марганца, новый электрон встанет в 4s оболочку, потому что там есть вакансия. Конфигурация марганца тогда будет 4s²3d⁵.

Далее идет железо, у которого должно быть шесть d-электронов. Первые пять d-электронов мы разместили по одному в пяти d-орбиталях, поэтому шестой d-электрон пойдет вторым в первую d-орбиталь.

 
У кобальта и никеля будет продолжать заполняться 3d оболочка, новые электроны будут входить вторыми в частично заполненные одним электроном d-орбитали. А вот у меди снова аномалия. Если следовать правилам, то от девятого d-элемента мы ждем конфигурации 4s²3d⁹. Однако подобно конфигурации 3d⁵ конфигурация 3d¹⁰ тоже обладает особой устойчивостью. Поэтому у меди снова происходит проскок одного электрона с 4s уровня на 3d уровень. Тогда валентная часть электронной структуры будет иметь вид 4s¹3d¹⁰.  

За медью следует цинк, и это последний d-элемент с электронной структурой 4s²3d¹⁰. На этом d-элементы 4 периода кончаются, следующие далее галлий, германий и т.п. – это уже p-элементы, и переходными не являются.

Ниже в таблице приведены полные электронные конфигурации для всех переходных элементов 4 периода. 
 

В таблице электронная структура элементов разбита на две части – невалентную и валентную. Электроны невалентной части не могут участвовать в образовании химических связей, а в валентную входят электроны 3d-оболочки. То есть 3d-электроны наряду с 4s-электронами могут образовывать химические связи. Последнее обстоятельство, то есть наличие довольно большого числа валентных электронов, позволяет объяснить многие наблюдаемые явления для переходных металлов. К ним относятся возможность проявлять высокие степени окисления (например, +7 у марганца или +6 у железа), способность образовывать комплексные соединения, а также окраска растворов солей этих металлов.

Переходные элементы могут встретиться в задании 1 ЕГЭ по химии. Здесь нужно понимать, как заполнена их внешняя оболочка. У переходных элементов 4 периода внешней является 4s оболочка, а 3d, которая заполняется позже, является внутренней, хотя обе они валентные. Поэтому в задании 1 можно утверждать, что у хрома и калия одинаковая конфигурация внешнего электронного уровня, а именно 4s¹. Аналогично, например, одинаковая конфигурация у кальция и железа - 4s².

2. Физические свойства.

Переходные элементы являются металлами, поэтому для них характерны многие свойства металлов. У них относительно низкая электроотрицательность в диапазоне 1,5-2,0, тогда как у большинства s-металлов примерно 0,8-1,0 (по Полингу). Это означает, что переходные металлы сравнительно легко могут отдавать электроны и проявлять восстановительные свойства. 

Также они хорошо проводят электрический ток. Особенно это касается металлов с конфигурацией s¹d¹⁰, то есть меди, серебра и золота. Это обстоятельство используется в электротехнике. Проводящие свойства для металлов с конфигурацией s²d¹⁰ выражены слабее. В плане электропроводных свойств конфигурация s¹d⁵ также более предпочтительна по сравнению с s²d⁵.

Ниже в таблице приведены физические свойства переходных металлов 4 периода, а также серебра, который тоже входит в курс ЕГЭ по химии.

В целом переходные металлы довольно тугоплавки. Это объясняется более прочной металлической связью, в образовании которой участвуют не только s-электроны, как в случае s-металлов I и II группы, но и d-электроны. 

Особенностью хрома является высокая твердость. Чистый хром является пластичным, однако часто он загрязнен примесями кислорода, азота или углерода. Подобные примеси делают его хрупким, поэтому такие образцы хрома можно разбить ударом молотка. Добавки хрома в сталь делают ею нержавеющей. Также можно с той же целью хромировать металлические поверхности. По сравнению с железом хром является менее активным. В отличие от железа, хром не тускнеет даже во влажном воздухе.  

Особенностью марганца является возможность его добавки в стали для повышения твердости. Вводят обычно от 7 до 20% марганца.

Что касается железа, то у него проявляются ферромагнитные свойства, то есть способность притягиваться магнитом. При нагревании до 769°С ферромагнитные свойства железа исчезают, но если металл охладить, они появляются снова. 

Применение чистого железа ограничено по причине его мягкости. Поэтому его гораздо чаще используют в виде сплавов. Железо образует с углеродом два важнейших семейства сплавов – чугуны и стали. Главное отличие между ними заключается в содержании углерода, в чугунах его более 2,14%, а в сталях меньше этой величины. Также трудностью в работе с железом является его способность ржаветь во влажном воздухе, то есть окисляться. Учитывая, что слой оксида, образующийся на поверхности железа при ржавлении, имеет рыхлую структуру, процесс не останавливается на поверхности, как в случае с алюминием, и протекает во всем объеме металла.

Особенностью серебра является хорошая ковкость. Образец серебра маленькой массы можно раскатать в большую по площади фольгу или очень длинную проволоку. Давно известны дезинфицирующие свойства ионов серебра. Поэтому вода, в которую были опущены серебряные изделия, обладает целебными свойствами и, в частности, убивает бактерии. Серебро является прекрасным проводником тока, поэтому из него делают компоненты электротехнических изделий.  

Также хорошей ковкостью и пластичностью обладает цинк, который тоже можно прокатать в фольгу или вытянуть в проволоку.