blank

6 задание ЕГЭ по химии. Часть 2 Переходные элементы

Продолжаем разбирать 6 вопрос ЕГЭ по химии и сегодня изучать будем химию переходных элементов первого ряда, а точнее медь, цинк, железо и хром. Начнем по порядку.

Переходные элементы первого ряда (это элементы начиная со скандия и заканчивая цинком) отличаются от элементов главных подгрупп медленным изменением свойств при движении по периоду от группы к группе в отличие от элементов главных подгрупп.

Отметим, что все переходные элементы первого ряда, как и все переходные элементы в целом – металлы, в то время как любой период начинается с самого активного и наиболее электроположительного элемента металла и заканчивается электроотрицательным неметаллом.  Поэтому мы и можем рассматривать элементы дополнительных подгрупп иначе чем элементы главных подгрупп, а именно мы двигаемся не по группам, а по периоду, рассматривая простые вещества и определенные классы соединений.

Строение атомов. Состояние окисления элементов первого ряда переходных элементов меди, цинка, железа и хрома.

В первом переходном ряду последовательно заполняется электронами 3d-оболочка у атомов реализуется конфигурация 3dx4s2 за исключением меди и хрома (у хрома полузаполненая 3d5 оболочка, а у меди заполнена 3d10-оболочка и у двух этих элементов по одному 4s-электрону.

Электроотрицательность увеличивается очень плавно в ряду с ростом атомного номера и числа валентных d-электронов.

При ионизации у d-элементов отрывается s-электрон. Относительно низкая эненргяи отрыва электронов способствует образованию двухзарядного катиона, устойчивого в окружении противоионов и дипольных молекул. Их радиусы значительно меньше радиусов атома и близки к радиусам ионов магния и кальция. Это объясняет наиболее характерной степень окисления +2 для всех переходных элементов первого ряда, равно как и для элементов главной подгруппы, в то время как степень окисления +1 для них редкость. Исключение из правил –медь, образующая большое количество соединений сто степенью окисления +1. Это объясняется большой разностью между первым и вторым потенциалом ионизации, способствующей образованию однозарядного катиона меди с замкнутой 3d10-оболочкой.

При движении слева направо по первому переходному ряду с ростом числа d-электронов увеличивается возможность атомов образовывать большое количество ковалентных связей, а также проявлять более высокие степени окисления. Но, после марганца эта закономерность рушится, например, высшая степень окисления железа в ферратах – шесть. Это обусловлено ростом эффективного заряда ядра. То есть ядро все больше притягивает к себе электроны в результате чего их способность к перекрыванию с валентными орбиталями других атомов снижается.

Получение металлов.

Все переходные элементы первого ряда химически активны, поэтому в самородном виде в природе практически не встречаются, поэтому способы обогащения руд и получения из них металлов важнейший промышленный вопрос. Если подойти к вопросу очень поверхностно и обобщенно, то процесс выглядит следующим образом:

Руда обогащается, после чего в зависимости от форм ы нахождения элементы в руде идет процесс обжига или непосредственно восстановление. Это либо пирометаллургический способ, либо гидрометаллургический. После чего полученный металл рафинируют посредством монооксида углерода, и получают особо чистый металл, либо сплавляют.

Реакция восстановления красной цинковой руды, например, проходит при высоких температурах и цинк образуется в газообразном виде, после чего проходит его очистка методом фракционной перегонки в вакууме.

Сплав железа и хрома можно получить восстановлением хромистого железняка углем мартеновской печи или электропечи. Чистый хром получают методом алюминотермией.

Восстановление металлов из растворов происходит при помощи электрического тока или цементацией – осаждение металла с более высоким потенциалом на металле с более низким потенциалом.

К примеру, после обработки медных руд серной кислотой медь выщелачивается – переходит в раствор в виде катионов двухвалентных с потенциалом восстановления 0,337 В. Соответственно она может быть выделена из раствора электролизом или цементацией на железе, у которого потенциал восстановления равен -0440 В.

Электролизом кислого водного раствора можно выделить в том числе хром и цинк.

Химические свойства переходных элементов

Электроотрицательность и потенциал ионизации металлов первого переходного ряда возрастает от хрома к цинку, это означает, что металлические свойства ослабевают в этом направлении.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы всех металлов первого  переходного ряда отрицательные. За исключением меди. Значит эти металлы должны располагаться в электрохимическом ряду напряжений выше водорода.

Исходя из этого данные переходные элементы вытесняют водород из кислот, образовывают водные растворы, с ионами данных металлов. При этом хром например, реагирует с кислотами крайне неохотно благодаря наличию на поверхности оксидной пленки.

Хром.

blank

собой твердый бело-голубоватый металл. Реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами с выделением водорода и образованием солей трехзарядного катиона хрома. При высокой температуре горит в атмосфере кислорода, а с водой вступает в реакцию с образованием оксида хрома трехвалентного. С галогенами образует галогениды, с концентрированными холодными серной и азотной кислотами пассивируется, но при сильном нагревании может растворяться в них с образованием соответствующих солей хрома.

Железо.

Металлическое железо получают при помощи восстановления его оксидов. Они реагируют с водяным паром с образованием смешанного оксида железа (двух-и трехвалентного).

На воздухе в присутствии воды (испарений, жидкой фазы) металл подвергается коррозии, образуется гидроксид железа. С галогенами металл вступает в реакцию с образованием галогенидов трехвалентного железа. С разбавленными соляной и серной кислотами образуется соль двухвалентного железа. Концентрированные кислоты-окислители (азотная, серная) пассивируют металл на холоде, но при нагревании растворяют его с получением соли сульфата и нитрата железа. С водой, не содержащей растворенного кислорода, железо при комнатной температуре не взаимодействует, из-за образования на его поверхности компактного защитного слоя двухвалентного гидроксида железа. А в присутствии воздуха образуется пористый гидратированный оксид железа трехвалентный и коррозия прогрессирует.

blank

Медь.

 Металл красно-желтого цвета, обладающий наименьшей активностью среди всех металлов первого ряда, вытесняющих медь из ее солей.  Медь не вступает в реакцию с соляной и разбавленной серной кислотами. Растворяется в кислотах-окислителях (концентрированной азотной и концентрированной серной кислотах) с образованием сульфата меди и нитрата меди двухвалентных.  Медь, как уже было написано нами выше, проявляет степень окисления +1 и +2. Второй вариант дает более устойчивые комплексы соединений.  Одновалентная медь дает нерастворимые соли (такие как хлорид меди) или растворимые комплексные соединения.

Цинк.

Металл серебристо-белого цвета. Имеет только одну степень окисления в соединениях — +2. Имеет основное применение в лаборатории в синтезе водорода из разбавленной соляной кислоты.  Вступает в реакцию с водородом с образование гидрида цинка, реагирует с растворами сильных щелочей с образование гидроксид-аниона цинка. Обладает ярко выраженными восстановительными свойствами. Обладает антикоррозийными свойствами (вспомните выражение «оцинкованный кузов»). На воздухе сгорает с образованием ярко-голубого пламени и с образованием оксида цинка. В обычных условиях реагирует с галогенами с образованием галогенидов, с фосфором образует фосфиды цинка, а с водой при температуре красного каления происходит образование оксида цинка. К кислотам –неокислителями вступает в реакцию с образованием сульфатов и хлоридов цинка и выделением водорода в ходе реакции. С разбавленной азотной кислотой образует нитрат цинка и нитрат аммония или диоксид азота.

С концентрированными серной и азотными кислотами реагирует с образованием соответствующих солей цинка. Также цинк вытесняет из солей металлы, стоящие правее него в ряду напряжений.

Оставить Комментарий