1. Общие свойства переходных металлов

Пе­ре­ход­ные эле­мен­ты рас­по­ла­га­ют­ся в по­боч­ных под­груп­пах Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы Д.И. Мен­де­ле­е­ва. Их под­раз­де­ля­ют на d-эле­мен­ты и f-эле­мен­ты. f-эле­мен­ты – это лан­та­но­и­ды и ак­ти­но­и­ды.

При об­ра­зо­ва­нии со­еди­не­ний атомы ме­тал­лов могут ис­поль­зо­вать не толь­ко ва­лент­ные s- и p-элек­тро­ны , но и d-элек­тро­ны. По­это­му для d-эле­мен­тов го­раз­до более ха­рак­тер­на пе­ре­мен­ная ва­лент­ность, чем для эле­мен­тов глав­ных под­групп. Бла­го­да­ря этому свой­ству пе­ре­ход­ные ме­тал­лы часто об­ра­зу­ют ком­плекс­ные со­еди­не­ния.

Пе­ре­ход­ные эле­мен­ты – это ме­тал­лы. По­это­му в своих со­еди­не­ни­ях они про­яв­ля­ют по­ло­жи­тель­ные сте­пе­ни окис­ле­ния. Очень силь­но видно раз­ли­чие в свой­ствах у эле­мен­тов IV–VIII под­групп пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы. Эле­мен­ты по­боч­ных под­групп – это ме­тал­лы, а глав­ных под­групп – неме­тал­лы. Од­на­ко, когда эле­мен­ты глав­ных и по­боч­ных под­групп на­хо­дят­ся в выс­ших сте­пе­нях окис­ле­ния, их со­еди­не­ния про­яв­ля­ют за­мет­ное сход­ство.

На­при­мер, оксид CrO₃ бли­зок по свой­ствам SO₃. Оба эти ве­ще­ства в обыч­ных усло­ви­ях на­хо­дят­ся в твер­дом со­сто­я­нии и об­ра­зу­ют при вза­и­мо­дей­ствии с водой кис­ло­ты со­ста­ва H₂ЭO₄. Точно также – ок­си­ды мар­ган­ца и хлора. Со­от­вет­ству­ю­щие им выс­шие ок­си­ды – Mn₂O₇ и Cl₂O₇. Им со­от­вет­ству­ют кис­ло­ты со­ста­ва HЭО₄. По­доб­ная бли­зость свойств объ­яс­ня­ет­ся тем, что часто эле­мен­ты глав­ных и по­боч­ных под­групп в выс­ших сте­пе­нях окис­ле­ния при­об­ре­та­ют сход­ное элек­трон­ное стро­е­ние. Что ка­са­ет­ся хи­ми­че­ских свойств d-эле­мен­тов, то об­ра­ща­ет на себя вни­ма­ние тот факт, что в пре­де­лах одной де­ка­ды пе­ре­ход­ных эле­мен­тов число ста­биль­ных сте­пе­ней окис­ле­ния сна­ча­ла уве­ли­чи­ва­ет­ся, а потом умень­ша­ет­ся. См. Табл. 1. Хи­ми­че­ские свой­ства пе­ре­ход­ных эле­мен­тов до­воль­но слож­ны.

Табл. 1 Проявляемые и наиболее характерные положительные сте­пе­ни окис­ле­ния d-элементов 4 периода

Зна­че­ние пе­ре­ход­ных ме­тал­лов для ор­га­низ­ма и жиз­не­де­я­тель­но­сти

Без пе­ре­ход­ных ме­тал­лов наш ор­га­низм су­ще­ство­вать не может. Же­ле­зо – это дей­ству­ю­щее на­ча­ло ге­мо­гло­би­на. Цинк участ­ву­ет в вы­ра­бот­ке ин­су­ли­на. Ко­бальт – центр ви­та­ми­на

В-12. Медь, мар­га­нец и мо­либ­ден, а также неко­то­рые дру­гие ме­тал­лы вхо­дят в со­став фер­мен­тов.

Мно­гие пе­ре­ход­ные ме­тал­лы и их со­еди­не­ния ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­стве ка­та­ли­за­то­ров. На­при­мер, ре­ак­ция гид­ри­ро­ва­ния ал­ке­нов на пла­ти­но­вом или пал­ла­ди­е­вом ка­та­ли­за­то­ре. По­ли­ме­ри­за­ция эти­ле­на про­во­дит­ся с по­мо­щью ти­тан­со­дер­жа­щих ка­та­ли­за­то­ров.

Рис. 1 Боль­шое ис­поль­зо­ва­ние спла­вов пе­ре­ход­ных ме­тал­лов: сталь, чугун, брон­за, ла­тунь, по­бе­дит

Боль­шое ис­поль­зо­ва­ние спла­вов пе­ре­ход­ных ме­тал­лов: сталь, чугун, брон­за, ла­тунь, по­бе­дит. Рис. 1. При ис­сле­до­ва­нии спла­вов про­сле­жи­ва­ет­ся уни­каль­ное зна­че­ние же­ле­за для че­ло­ве­ка. Спла­вы даже раз­де­ля­ют на чер­ные и цвет­ные по со­дер­жа­нию в них же­ле­за.

2. Химические свойства железа

Хи­ми­че­ские свой­ства же­ле­за и его со­еди­не­ний

Же­ле­зо – это хи­ми­че­ский эле­мент №26, ко­то­рый на­хо­дит­ся в по­боч­ной под­груп­пе VIII груп­пы, в чет­вер­том пе­ри­о­де. Элек­трон­ная кон­фи­гу­ра­ция атома же­ле­за – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s².

Рис. 2 Элек­трон­ная кон­фи­гу­ра­ция атома же­ле­за – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

Рас­пре­де­ле­ние ва­лент­ных элек­тро­нов на ор­би­та­лях пред­став­ле­но на Рис. 2.

Сте­пе­ни окис­ле­ния же­ле­за: 0, +2, +3. Со­еди­не­ния же­ле­за (III) про­яв­ля­ют сла­бые окис­ли­тель­ные свой­ства, об­ра­зу­е­мые ок­си­ды и гид­рок­си­ды Fe₂O₃ и Fe(OH)₃ про­яв­ля­ют ам­фо­тер­ные свой­ства, хотя ос­нов­ные свой­ства у этих со­еди­не­ний зна­чи­тель­но пре­об­ла­да­ют.

1. Вза­и­мо­дей­ствие с неме­тал­ла­ми

При на­гре­ва­нии же­ле­зо, осо­бен­но по­рош­ко­об­раз­ное, спо­соб­но вза­и­мо­дей­ство­вать прак­ти­че­ски со всеми неме­тал­ла­ми. Хлор и фтор окис­ля­ют же­ле­зо до Fe⁺³. Бром может окис­лить и до Fe⁺², и до Fe⁺³ в за­ви­си­мо­сти от ко­ли­че­ства, а йод окис­ля­ет толь­ко до сте­пе­ни окис­ле­ния +2 Fe⁺². При ре­ак­ции с серой сна­ча­ла об­ра­зу­ет­ся суль­фид же­ле­за, а затем ди­суль­фид же­ле­за.

Fe + S  FeS

FeS + S  FeS₂ при­род­ный ми­не­рал та­ко­го со­ста­ва на­зы­ва­ет­ся пирит. Рис. 3.

Он ис­поль­зу­ет­ся для по­лу­че­ния сер­ной кис­ло­ты, а также же­ле­за и со­еди­не­ний же­ле­за.

Рис. 3 Пирит

2. Вза­и­мо­дей­ствие же­ле­за с кис­ло­ро­дом

При вза­и­мо­дей­ствии же­ле­за с кис­ло­ро­дом, в за­ви­си­мо­сти от его ко­ли­че­ства, могут об­ра­зо­вы­вать­ся раз­ные ок­си­ды. В том числе и сме­шан­ный оксид Fe₃O₄.

2Fe + О₂ 2FeО

4Fe + 3О₂ 2Fe₂О₃

3Fe + 2О₂ Fe₃О₄

3. Вза­и­мо­дей­ствие же­ле­за с водой

При силь­ном на­гре­ва­нии ме­тал­ли­че­ское же­ле­зо вза­и­мо­дей­ству­ет с водой.

3Fe + 4Н₂О  Fe₃О₄ + 4Н₂↑

Во влаж­ном воз­ду­хе при обыч­ных усло­ви­ях же­ле­зо ре­а­ги­ру­ет с па­ра­ми воды и кис­ло­ро­дом, с об­ра­зо­ва­ни­ем ржав­чи­ны. Она со­сто­ит из сме­шен­ных ок­си­дов, гид­рок­си­дов и со­еди­не­ний кис­ло­ро­да. Это не ин­ди­ви­ду­аль­ное ве­ще­ство.

При­мер­ная схема ржав­ле­ния же­ле­за:

4Fe + 6Н₂О + 3О₂ → 4Fe(ОН)₃

4. Вза­и­мо­дей­ствие же­ле­за с кис­ло­та­ми

Как и дру­гие ти­пич­ные ме­тал­лы, же­ле­зо вза­и­мо­дей­ству­ет с кис­ло­та­ми-неокис­ли­те­ля­ми с вы­де­ле­ни­ем во­до­ро­да.

Fe + 2НCl → FeCl₂ + Н₂↑

С кис­ло­та­ми-окис­ли­те­ля­ми же­ле­зо не ре­а­ги­ру­ет из-за пас­си­ва­ции. Но с раз­бав­лен­ны­ми кис­ло­та­ми ре­ак­ция про­ис­хо­дит.

Fe + 4НNO₃ → Fe(NO₃)₃ +NO↑ + 2Н₂O

5. С рас­тво­ра­ми солей

Ме­тал­ли­че­ское же­ле­зо вы­тес­ня­ет менее ак­тив­ные ме­тал­лы из рас­тво­ров их солей.

Fe + CuSO₄ → Cu + FeSO₄

Ам­фо­тер­ные свой­ства же­ле­за

Же­ле­зо и неко­то­рые его со­еди­не­ния спо­соб­ны про­яв­лять ам­фо­тер­ные свой­ства.

Fe + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Fe(OH)₄] + H₂↑ В го­ря­чем кон­цен­три­ро­ван­ном рас­тво­ре ще­ло­чи об­ра­зу­ет­ся ком­плекс­ное со­еди­не­ние, и вы­де­ля­ет­ся во­до­род.

3. Соединения железа (II) и железа (III)

Со­еди­не­ния же­ле­за (II)

Соли же­ле­за (II) можно по­лу­чить при вза­и­мо­дей­ствии ме­тал­ли­че­ско­го же­ле­за с кис­ло­та­ми-неокис­ли­те­ля­ми или вос­ста­нов­ле­ни­ем же­ле­за (III).

2FeCl₃ + Fe→ 3FeCl₂

Со­еди­не­ния же­ле­за (II) об­ла­да­ют вос­ста­но­ви­тель­ны­ми свой­ства­ми.

FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂ ↓+ 2NaCl. На воз­ду­хе Fe(OH)₂ ↓окис­ля­ет­ся кис­ло­ро­дом.

4Fe(OH)₂ ↓+2H₂O + O₂ → 4Fe(OH)₃↓

Со­еди­не­ния же­ле­за (III)

Соли же­ле­за (III) по­лу­ча­ют либо окис­ле­ни­ем же­ле­за га­ло­ге­на­ми, либо при его вза­и­мо­дей­ствии с раз­бав­лен­ны­ми кис­ло­та­ми-окис­ли­те­ля­ми. Соли же­ле­за (III) могут про­яв­лять сла­бые окис­ли­тель­ные свой­ства.

2FeCl₃ +2 KI → 2FeCl₂ + I₂↓ + 2KCl.  На этой ре­ак­ции ос­но­ван йо­до­мет­ри­че­ский спо­соб опре­де­ле­ния солей же­ле­за.

Ка­че­ствен­ная ре­ак­ция на соли же­ле­за (III)

FeCl₃ + 6NaSCN →Na₃[Fe(SCN)₆] + 3NaCl. При вза­и­мо­дей­ствии с ро­да­ни­да­ми об­ра­зу­ют­ся яр­ко-крас­ные, по­хо­жие на кровь ком­плек­сы раз­лич­но­го со­ста­ва.

Вза­и­мо­дей­ствие со ще­ло­чью.

FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃ ↓+ 3NaCl

Fe(OH)₃ ↓как и Fe(OH)₂ ↓ ам­фо­те­рен, с пре­об­ла­да­ни­ем ос­нов­ных свойств.

Fe(OH)₃ ↓+3HCl → FeCl₃ + 3H₂O

Fe(OH)₃ + NaOH  → NaFeO₂+ 2H₂O

4. Железная кислота

Же­лез­ная кис­ло­та и её соли

При окис­ле­нии Fe(OH)₃ ↓ или при элек­тро­ли­зе рас­тво­ра ще­ло­чи на же­лез­ном аноде об­ра­зу­ют­ся соли, со­дер­жа­щие же­ле­зо в со­ста­ве ани­о­на:

2Fe(OH)₃ + 3Cl₂ + 10NaOH →2Na₂FeO₄ + 6NaCl + 8H₂O

Fe + 2KOH + 2H₂O K₂FeO₄ + 3H₂↑

Же­ле­зо имеет сте­пень окис­ле­ния +6. Такие соли на­зы­ва­ют­ся фер­ра­ты: Na₂FeO_4, K₂FeO₄. Это соли не су­ще­ству­ю­щей в сво­бод­ном виде же­лез­ной кис­ло­ты Н₂FeO₄. Они от­но­сят­ся к наи­бо­лее силь­ным ор­га­ни­че­ским окис­ли­те­лям и спо­соб­ны мед­лен­но окис­лять даже воду.

Под­ве­де­ние итога

Вы изу­чи­ли тему «Пе­ре­ход­ные ме­тал­лы». Вы узна­ли о неко­то­рых общих свой­ствах пе­ре­ход­ных ме­тал­лов, о хи­ми­че­ских свой­ствах же­ле­за как наи­бо­лее важ­но­го пе­ре­ход­но­го ме­тал­ла. Мы под­черк­ну­ли важ­ность и необ­хо­ди­мость для ор­га­низ­ма че­ло­ве­ка на­ли­чия имен­но пе­ре­ход­ных ме­тал­лов. Рас­смот­ре­ли неко­то­рые при­ме­ры спла­вов пе­ре­ход­ных ме­тал­лов, ис­сле­до­ва­ли ам­фо­тер­ные свой­ства же­ле­за и его со­еди­не­ний с раз­лич­ны­ми сте­пе­ня­ми окис­ле­ния. Немно­го узна­ли о же­лез­ной кис­ло­те и ее солях – фер­ра­тах.