Переходный металл: химический элемент.

переходный металл, любой из различных химических элементов, которые имеют валентные электроны, т. е. электроны, которые могут участвовать в образовании химических связей, в двух оболочках вместо одной. Хотя термин « переход» не имеет особого химического значения, это удобное название, позволяющее различать сходство атомных структур и результирующих свойств обозначаемых таким образом элементов. Они занимают средние части длинных периодов периодической таблицы элементов между группами слева и группами справа. В частности, они образуют группы с 3 (IIIb) по 12 (IIb).

Общие свойства группы

Наиболее поразительное сходство между 24 рассматриваемыми элементами заключается в том, что все они являются металлами и что большинство из них твердые, прочные и блестящие, имеют высокие температуры плавления и кипения и являются хорошими проводниками тепла и электричества. Диапазон этих свойств значителен; поэтому утверждения сравниваются с общими свойствами всех других элементов.

Многие элементы имеют технологически важное значение: например, титан, железо, никель и медь используются в конструкции и в электротехнике. Во-вторых, переходные металлы образуют множество полезных сплавов друг с другом и с другими металлическими элементами. В-третьих, большинство этих элементов растворяется в минеральных кислотах, хотя некоторые из них, например платина, серебро и золото, называются «благородными», т. е. не подвержены влиянию простых (неокисляющих) кислот.

Все без исключения элементы основного переходного ряда (т. е. исключая указанные ниже лантаноиды и актиноиды) образуют устойчивые соединения в двух и более формальных степенях окисления.

Переходные металлы можно разделить в соответствии с электронной структурой их атомов на три основные переходные серии, называемые первой, второй и третьей переходными сериями, и две внутренние переходные серии, называемые лантаноидами и актиноидами.

Первая основная серия переходов начинается либо со скандия (символ Sc, атомный номер 21), либо с титана (символ Ti, атомный номер 22) и заканчивается цинком (символ Zn, атомный номер 30). Вторая серия включает элементы от иттрия (символ Y, атомный номер 39) до кадмия (символ Cd, атомный номер 48). Третья серия простирается от лантана (символ La, атомный номер 57) до ртути (символ Hg, атомный номер 80). Эти три основных переходных ряда входят в набор из 30 элементов, часто называемый d -блоком переходных металлов. Поскольку скандий, иттрий и лантан фактически не образуют соединений, аналогичных соединениям других переходных металлов, и поскольку их химический состав вполне гомологичен химическому составу лантаноидов, они исключены из настоящего обсуждения основных переходных металлов. Аналогично, поскольку цинк, кадмий и ртуть обладают немногими свойствами, характерными для других переходных металлов, их рассматривают отдельно ( см. элемент группы цинка). Остальные переходные металлы d -блока и некоторые их характерные свойства приведены в таблице.

Некоторые свойства переходных элементов

		символ	атомный номер	атомная масса	плотность (граммы на кубический сантиметр, 20 °C)	температура плавления (°С)	температура кипения (°С)
1-я основная серия	титан	Из	22	47 867	4.54	1668	3287
ванадий	В	23	50 942	6.11	1910	3,407
хром	Кр	24	51 996	7.14	1907	2672
марганец	Мин.	25	54 938	7.21–7.44	1246	2061
железо	Фе	26	55 845	7,87	1538	2861
кобальт	Ко	27	58 933	8,9	1495	2927
никель	В	28	58 693	8,9	1455	2913
медь	С	29	63 546	8,92	1085	2927
2-я основная серия	цирконий	Зр	40	91.224	6.51	1855	4409
ниобий	Нб	41	92,906	8.57	2477	4744
молибден	Мо	42	95,94	10.22	2623	4639
технеций	Тс	43	98	11,5	2157	4265
рутений	RU	44	101.07	12.41	2334	4150
родий	резус	45	102,906	12.41	1964	3695
палладий	ПД	46	106,42	12.02	1555	2963
серебро	В	47	107 868	10.49	962	2162
3-я основная серия	гафний	хф	72	178,49	13.31	2233	4603
тантал	Та	73	180 948	16.65	3017	5,458
вольфрам	В	74	183,84	19,3	3,422	5,555
рений	Ре	75	186,207	21.02	3186	5,596
осмий	Ты	76	190,23	22.57	3033	5,012
иридий	И	77	192,217	22.56	2446	4,428
платина	Пт	78	195.084	21.45	1768	3825
золото	В	79	196 967	~19,3	1064	2856

В первый из внутреннего переходного ряда входят элементы от церия (символ Ce, атомный номер 58) к лютецию (символ Lu, атомный номер 71). Эти элементы называются лантаноидами (или лантанидами), потому что химический состав каждого из них очень похож на химический состав лантана. Сам лантан часто считают одним из лантаноидов. Ряд актиноидов состоит из 15 элементов от актиния (символ Ac, атомный номер 89) до лоуренсия (символ Lr, атомный номер 103). Эти внутренние переходные серии относятся к редкоземельным элементам и актиноидным элементам. Для элементов 104 и выше см. трансурановый элемент .

Относительное расположение переходных металлов в периодической таблице, а также их химические и физические свойства можно лучше всего понять, рассмотрев их электронные структуры и то, как эти структуры изменяются по мере увеличения атомных номеров.

Атомные орбитали атома водорода

Как отмечалось ранее, электроны, связанные с атомным ядром, локализованы или сконцентрированы в различных конкретных областях пространства, называемых атомными орбиталями, каждая из которых характеризуется набором символов (квантовых чисел), определяющих объем, форму и ориентация в пространстве относительно других орбиталей. На орбитали может разместиться не более двух электронов. Энергия, входящая во взаимодействие электрона с ядром, определяется орбиталью, которую он занимает, и электроны в атоме распределяются по орбиталям таким образом, что полная энергия минимальна. Таким образом, под электронной структурой или конфигурацией атома подразумевается способ, которым электроны, окружающие ядро, занимают различные доступные им атомные орбитали. Простейшей конфигурацией является набор одноэлектронных орбиталей атома водорода. Орбитали можно классифицировать, во-первых, по главному квантовому числу, и орбитали имеют возрастающую энергию по мере увеличения главного квантового числа от 1 до 2, 3, 4 и т. д. (Наборы орбиталей, определяемые главными квантовыми числами 1, 2 , 3, 4 и т. д. часто называют оболочками, обозначаемыми K, L, M, N и т. д.) Для главного квантового числа 1 существует только один тип орбитали, называемый s- орбиталью. По мере увеличения главного квантового числа увеличивается число различных типов орбиталей или подоболочек, соответствующих каждому: s, p, d, f, g и т. д. Более того, каждый дополнительный тип орбиталей входит в более крупные наборы. Таким образом, для каждого главного квантового числа существует только одна s- орбиталь, но в наборе, обозначенном p , есть три орбитали, в каждом наборе, обозначенном d , — пять , и так далее. Для атома водорода энергия полностью определяется тем, какую орбиталь занимает одиночный электрон. Особенно примечательно, что энергия атома водорода определяется исключительно главным квантовым числом орбитали, занимаемой электроном (за исключением некоторых небольших эффектов, которые здесь не рассматриваются); то есть у водорода электронные конфигурации третьей оболочки, например, эквиэнергетические (одной и той же энергии, какую бы из них ни занимал электрон), чего нельзя сказать ни об одном из других атомов, каждый из которых содержит два и более электрона.

Атомные орбитали многоэлектронных атомов

Для понимания электронных конфигураций других атомов принято пользоваться принципом Ауфбау (нем. «наращивание»), в основе которого лежит то, что для достижения многоэлектронной конфигурации необходимо добавить необходимое количество электронов к орбитали по одной, сначала заполняя наиболее стабильные орбитали, пока не будет добавлено общее количество. Таким образом, «строя» периодическую таблицу, человек переходит от одного элемента к другому, добавляя один протон к ядру и один электрон к атомной области вне ядра. Существует одно ограничение этой концепции, а именно принцип исключения Паули, который гласит, что только два электрона могут занимать каждую орбиталь. Таким образом, на любой s- орбитали может быть не более двух электронов , на любом наборе р- орбиталей — шести электронов, на любом наборе d- орбиталей — десяти электронов и т. д. Однако при осуществлении этого процесса нельзя просто использовать упорядочение электронов. орбитали, соответствующие атому водорода. По мере добавления электронов они взаимодействуют друг с другом, а также с ядром, и в результате присутствие электронов на некоторой орбитали приводит к тому, что энергия электрона, входящего на другую орбиталь, отличается от той, которая была бы, если бы этот электрон присутствовал один. . Общий результат этих межэлектронных взаимодействий (иногда называемых экранированием) состоит в том, что относительный порядок различных атомных орбиталей в многоэлектронных атомах отличается от порядка в атоме водорода; на самом деле он постоянно меняется по мере увеличения числа электронов.

По мере образования многоэлектронных атомов различные подоболочки s, p, d, f, g и т. д. главного квантового числа перестают быть эквиэнергетическими; все они падают, хотя и не в одинаковой степени, до более низких энергий. Общее снижение энергии происходит потому, что защита от заряда ядра, которую электрон на определенной орбитали создают все остальные электроны в атоме, недостаточна для предотвращения устойчивого увеличения эффекта, который заряд ядра оказывает на это электрона по мере увеличения атомного номера. Другими словами, каждый электрон несовершенно экранирован от заряда ядра другими электронами. Кроме того, различные типы орбиталей в каждой основной оболочке из-за их различного пространственного распределения в разной степени экранируются электронным ядром под ними; соответственно, хотя все они уменьшают энергию, они уменьшаются на разную величину, и, таким образом, их относительный порядок по энергии постоянно меняется. Чтобы указать электронную конфигурацию конкретного атома, необходимо использовать порядок орбиталей, соответствующий конкретному значению атомного номера этого атома. Следует особенно отметить поведение различных d- и f -орбиталей в отношении того, где в периодической таблице встречаются переходные металлы.

Атом аргона (атомный номер 18) имеет электронную конфигурацию 1 s 22 s 22 p 63 s 23 p 6 (т. е. он имеет два электрона на s -орбитали первой оболочки; два на s-орбитали и шесть на p- орбитали вторая оболочка; две на s -орбитали и шесть на р- орбиталях третьей оболочки: это выражение часто сокращается [Ar], особенно при указании конфигураций элементов между аргоном и криптоном, поскольку оно представляет собой общую часть конфигураций всех эти элементы). 3d - орбитали более защищены от ядерного заряда, чем 4s - орбиталь, и, следовательно, последняя имеет меньшую энергию. Следующие добавляемые электроны переходят на 4s- орбиталь , а не на 3d- или 4p - орбитали. Двумя элементами, следующими за аргоном в периодической таблице, являются калий с одним 4s - электроном и кальций с двумя 4s - электронами. Из-за присутствия 4s - электронов 3d - орбитали менее экранированы, чем 4p - орбитали; поэтому первая регулярная серия переходов начинается в этой точке с элемента скандия, имеющего электронную конфигурацию [Ar]4 s 23 d 1. Через следующие девять элементов, в порядке возрастания атомного номера, к 3 d добавляются электроны. орбитали до тех пор, пока у элемента цинка они не будут полностью заполнены и электронная конфигурация не станет [Ar]3 d 104 s 2. Тогда 4 p- орбитали будут орбиталями с наименьшей энергией, и они заполнятся через следующие шесть элементов, шестой из которых следующий благородный газ, криптон, с электронной конфигурацией 1 s 22 s 22 p 63 s 23 p 64 s 23 d 104 p 6, или [Kr].

В течение следующего периода характер изменения орбитальных энергий аналогичен непосредственно предыдущему. Когда достигнута конфигурация благородного газа криптона, 5 -секундная орбиталь более стабильна, чем 4- d- орбитали. Таким образом, следующие два электрона переходят на 5s - орбиталь, но затем 4- d -орбитали падают до более низкой энергии, чем 5- p -орбитали, и вторая регулярная серия переходов начинается с элемента иттрия. Электроны продолжают присоединяться к 4 d -орбиталям до тех пор, пока эти орбитали полностью не заполнятся в положении элемента кадмия, имеющего электронную конфигурацию [Kr]4 d 105 s 2. Следующие шесть электронов перейдут на 5 p- орбитали до тех пор, пока не появится еще одна благородная орбиталь. газовая конфигурация достигается на элементе ксенон. Аналогично двум предыдущим периодам, следующие два электрона добавляются к следующей доступной орбитали, а именно к 6- секундной орбитали, образуя следующие два элемента, цезий и барий. Однако на этом этапе упорядочение орбиталей становится более сложным, чем раньше, поскольку теперь существуют незаполненные 4 f- орбитали, а также 5 d -орбитали, и оба набора имеют примерно одинаковую энергию. В следующем элементе, лантане (атомный номер 57), электрон добавляется к 5 d -орбиталям, но следующий за ним элемент, церий (атомный номер 58), имеет два электрона на 4 f- орбиталях и ни одного на 5 d- орбиталях . . Через следующие 12 элементов дополнительные электроны попадают на 4 f- орбитали, хотя 5- d -орбитали имеют лишь немного более высокую энергию. Этот набор элементов, охватывающий диапазон от лантана, где 4 f- орбитали еще были вакантны или собирались заполниться, до лютеция, у которого 4 f -орбитали полностью заполнены 14 электронами, и составляют упомянутые выше лантаноиды.

На данный момент следующими доступными орбиталями являются 5 d- орбитали, а элементы от гафния до золота, третья регулярная переходная серия, соответствуют последовательному заполнению этих 5 d -орбиталей. После этой серии снова должны быть заполнены p- орбитали (6p ) , и когда это достигается, достигается благородный газ радон.

Молекулярные орбитали

Если два атома расположены близко друг к другу, некоторые из их орбиталей могут перекрываться и участвовать в образовании молекулярных орбиталей. Электроны, занимающие молекулярную орбиталь, взаимодействуют с ядрами обоих атомов: если в результате этого взаимодействия общая энергия меньше, чем у разделенных атомов, как в случае, если орбиталь лежит преимущественно в области между двумя ядрами, орбиталь Говорят, что это связующая орбиталь, и ее заселение электронами образует ковалентную связь, которая связывает атомы вместе при образовании соединения и в которой электроны считаются общими. Если занятие орбитали электронами повышает энергию системы, как в случае, если орбиталь лежит в основном вне области между двумя ядрами, такая орбиталь называется разрыхляющей; присутствие электронов на таких орбиталях имеет тенденцию компенсировать силу притяжения, возникающую от связывающих электронов.

Связывающая или разрыхляющая молекулярная орбиталь может располагаться вдоль линии, проходящей через два ядра, и в этом случае она обозначается греческой буквой σ (сигма); или он может занимать области, приблизительно параллельные этой линии, и обозначаться π (пи).