Общие свойства переходных элементов (d-блок)

Элементы с частично заполненными d-орбиталями известны как переходные элементы (иногда называемые переходными металлами). Переходные элементы определяются ИЮПАК как элементы с частично полной d-подоболочкой или элементы, способные образовывать стабильные катионы с не полностью заполненной d-орбиталью.

В общем, любой элемент, который соответствует d-блоку современной периодической таблицы (группы 3-12), считается переходным элементом. Даже лантаноиды и актиноиды, входящие в состав элементов f-блока, можно отнести к переходным металлам. Однако, поскольку элементы f-блока содержат частично полные f-орбитали, их часто называют внутренними переходными элементами или внутренними переходными металлами.

Размещение переходных элементов

Переходные металлы все еще присутствуют между элементами s- и p-блока. В основном их делят на три группы.

1. Первый переходный ряд (Sc в Cu)
2. Вторая серия переходов (Y в Ag)
3. Третий переходный ряд (La и элементы от Hf к Au)

Лантаниды и актиниды представляют собой элементы f-блока, встречающиеся в шестой и седьмой сериях. Лантаноиды — это четырнадцать элементов от церия до лютеция. Актиниды, с другой стороны, представляют собой четырнадцать элементов с ядерным номером от 90 (торий) до 103 (лауренций). Элементы актиноидов радиоактивны, а элементы с Z=92 обычно создаются людьми в ускорителях или ядерных реакторах. Медь, железо и серебро являются важными переходными элементами. Кроме того, титан и железо являются наиболее распространенными.

Общие свойства переходных элементов

Конфигурация электронов соответствует (n-1)d ⁵ нс ¹ или (n-1)d ¹⁰ нс ¹ . Это происходит из-за стабильности, обеспечиваемой наполовину или полностью заполненными электронными орбиталями. Поскольку их электрическая конфигурация отличается от конфигурации других переходных металлов, цинк, кадмий и ртуть не считаются переходными элементами. Однако характеристики остальных элементов d-блока несколько схожи, и это сходство можно увидеть в каждой строке периодической таблицы.

Если мы пройдем слева направо по периодической таблице, свойства элементов второго и третьего рядов постепенно изменятся. Внешние оболочки этих элементов имеют низкий экранирующий эффект, который увеличивает эффективный ядерный заряд по мере того, как к ядру добавляется больше протонов. Эти атрибуты элемента перехода перечислены ниже.

1. Эти элементы объединяются, чтобы генерировать окрашенные соединения и ионы. Этот цвет объясняется электронным dd-переходом.
2. Энергетический разрыв между потенциальными степенями окисления этих элементов относительно невелик. В результате степени окисления переходных элементов разнообразны.
3. Из-за неспаренных электронов на d-орбитали эти элементы создают большое количество парамагнитных соединений.
4. Эти элементы могут быть связаны широким спектром лигандов. В результате переходные элементы образуют широкий спектр стабильных комплексов.
5. Эти элементы имеют высокое отношение заряда к радиусу.
6. Переходные металлы тверды и имеют относительно высокую плотность по сравнению с другими элементами.
7. Поскольку делокализованные d-электроны участвуют в металлической связи, температуры кипения и плавления этих элементов высоки.
8. Из-за металлической связи делокализованных d-электронов переходные элементы также являются сильными проводниками электричества.

Некоторые переходные металлы обладают каталитическими свойствами, которые чрезвычайно полезны при коммерческом производстве определенных соединений. Железо, например, используется в качестве катализатора в процессе Габера для производства аммиака. С другой стороны, пятиокись ванадия используется в качестве катализатора в коммерческом синтезе серной кислоты.

• Степень окисления: Поскольку переходные элементы существуют в различных степенях окисления, их атомы могут терять различное количество электронов. Поскольку энергии ns- и (n-1)d-подоболочек почти сравнимы, это связано с участием/вкладом внутренних (n-1) d-электронов в дополнение к внешним ns-электронам. Когда оба его 4s-электрона используются для связывания, степень окисления sc равна +2. Когда он использует два s-электрона и один d-электрон, он также может указывать на степень окисления +3. Другой атом также имеет степени окисления ns и (n – 1) d электронов. Zn имеет степень окисления +2. Степени окисления хрома варьируются от +2, +3, +4, +5, +6. Хром имеет наивысшую степень окисления +6.
• Атомные ионные радиусы: из-за неадекватного экранирования, обеспечиваемого крошечным количеством d-электронов, атомные и ионные радиусы переходных элементов уменьшаются от группы 3 к группе 6. Элементы, расположенные между группами 7 и 10, имеют атомные радиусы, которые примерно одинаковы. , но те, что расположены между группами 11 и 12, имеют больший радиус. Это связано с тем, что электрон-электронное отталкивание уравновешивает ядерный заряд. По мере продвижения вниз по группе вы увидите увеличение атомных и ионных радиусов элементов. Наличие большего количества подоболочек может объяснить увеличение радиуса.
• Энтальпия ионизации: количество энергии, необходимое для удаления валентного электрона из элемента, называется его энтальпией ионизации. Чем больше эффективный заряд ядра, действующий на электроны, тем больше потенциал ионизации элемента. В результате энтальпии ионизации переходных элементов часто выше, чем у s-блочных элементов.
• Металлические радиусы и плотности: переходные металлы плотнее, чем металлы s-блока, и плотность увеличивается от скандия к меди. Этот коэффициент плотности меняется из-за неравномерного уменьшения металлических радиусов и увеличения атомной массы. В результате ионный радиус уменьшается, а атомный номер увеличивается.
• Точки кипения и плавления: из-за перекрытия (n-1)d-орбитальных и d-орбитальных неспаренных электронов при ковалентной связи эти элементы имеют высокие температуры кипения и плавления. К металлам с полностью полными (n-1)d-орбиталями относятся Hg, Cd и Zn. Поскольку они не могут образовывать ковалентные связи, их температура кипения ниже, чем у других элементов d-блока.
• Металлическая природа: Поскольку у переходных элементов меньше электронов в их самых внешних оболочках, все они являются металлами. В результате они обладают всеми свойствами металла, такими как ковкость и пластичность. Они также являются отличными проводниками тепла и электричества. За исключением ртути, которая жидкая и больше похожа на щелочные металлы, все эти элементы твердые и хрупкие.
• Химическая активность: переходные элементы проявляют различные химические свойства. Некоторые металлы обладают высокой восстановительной способностью, основанной на их восстановительном потенциале, в то время как другие имеют низкую восстановительную способность. Например, все лантаноиды образуют водные катионы 3+. С другой стороны, металлы с высокой восстановительной способностью, такие как золото и платина, могут противостоять окислению и отлично подходят для изготовления ювелирных изделий и схем.

Примеры проблем

Вопрос 1: Каковы металлические свойства переходных металлов?

Решение:

Transition metals have typical metallic qualities such malleability, ductility, high tensile strength, and metallic lustre. They tend to crystallize and are generally good conductors of heat and electricity. Trends in the metallic characteristics of the transition elements, on the other hand, can be seen. Because they contain a large number of unpaired electrons, elements such as chromium and molybdenum are among the hardest transition metals.

Вопрос 2: Почему некоторые переходные металлы называют благородными?

Решение:

Noble metals are elements in the lower right corner of the contemporary periodic table’s d-block (such as gold, silver, and platinum). Because of their low hydration enthalpies and high ionisation enthalpies, these metals are very unreactive.

Вопрос 3: Каковы области применения переходных металлов?

Решение:

The transition element nickel is mostly used in the manufacturing of stainless steel. Copper, a transition metal, is often used in electrical wire due to its high tensile strength, malleability, ductility, and electrical conductivity.

Вопрос 4: Почему все переходные элементы являются металлами?

Решение:

Because all transition elements have only two electrons in their outermost shells, they are all metals. They are also malleable, hard, and ductile due to strong metallic connections.

Вопрос 5: Что такое внутренние переходные элементы?

Решение:

Lanthanides and actinides are two groupings of elements in the periodic table. These groups have a total of 30 elements known as inner transition elements. They are usually placed behind the core area of the periodic table.