Общая характеристика d-элементов

К d-элементам относятся элементы, в атомах которых происходит заполнение d-подуровня предвнешнего энергетического уровня. Их называют также переходными, расположены в периодической системе в больших периодах в побочных подгруппах всех групп между s- и p-элементами. Общая электронная формула валентных электронов атомов d-элементов (n-1)d^1-10ns², где n-главное квантовое число, т.е. валентные электроны находятся на разных энергетических уровнях, поэтому d-элементы расположены в побочных подгруппах.

На внешнем уровне у d-элементов находятся 1-2 электрона (n s-состояние), остальные валентные электроны расположены на (n-1)d подуровне (предвнешний слой). Такое строение электронных оболочек атомов d-элементов определяет ряд их общих свойств:

1. Все d-элементы являются металлами, которые отличаются высокой твердостью, тугоплавкостью, значительной электрической проводимостью.

2. Для каждой декады d-элементов наиболее устойчивы электронные конфигурации: d⁰,d⁵,d¹⁰.

[d⁰]: (так, Sc, Y, Lа, в отличие от других d-элементов проявляют постоянную степень окисления +3) (n-1)d¹ns²

[d⁵]: (Mn, Fe, Re) – (n-1)d⁵ns²

проскок электрона ₂₄Cr: …3d⁴4s²→…3d⁵4s¹.

[d¹⁰]: (Zn, Cd, Hg) – (n-1)d¹⁰ns²

проскок электрона: ₂₉Cu:...3d¹⁰4s¹; ₄₇Ag:...4d¹⁰5s¹; ₇₉Au:...5d¹⁰6s¹; ₄₆Pd:...4d¹⁰5s⁰.

3. Повышенная стабильность незаполненных, наполовину и полностью заполненных d-оболочек определяет наиболее характерные степени окисления этих элементов и устойчивость их соединений. Так, соединения Fe³⁺(d⁵), Zn²⁺(d¹⁰) устойчивы, а соединения Cr²⁺ и Mn³⁺, имеющие конфигурацию d⁴, нестабильны.

4. При образовании соединений используются s-электроны и часть или все d-электроны. Причем, вначале в образовании связей принимают участие s-электроны, а потом – d-электроны. Исключение составляют элементы подгруппы Zn, в атомах которых нет неспаренных d-электронов – [(n-1)d¹⁰ns²] и Pd – (4d¹⁰5s⁰), у атома которого в невозбужденном состоянии нет внешних s-электронов. В связи с этим, особенностями d-элементов являются:

– большой набор валентных состояний;

– широкие пределы изменения окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств их соединений.

5. В каждой подгруппе свойства первых элементов (элементы IV периода) заметно отличаются от свойств остальных элементов. Сходство элементов V и VI периодов обусловлено лантаноидным сжатием.

6. В отличие от р-элементов, d-элементы не проявляют отрицательные степени окисления. Они не образуют газообразных соединений с водородом. Если у р-элементов в группе сверху вниз уменьшается тенденция к проявлению высшей степени окисления, то у d-элементов такая тенденция, наоборот, усиливается. Повышение устойчивости высших степеней окисления обусловлено тем, что все валентные электроны в тяжелых атомах находятся на большом расстоянии от ядра и более эффективно экранированы от него. Так, для d-элементов VI группы Mo и W характерна степень окисления +6, Cr же устойчив в соединениях, где его степень окисления +3. Следствием этого является уменьшение окислительной способности соединений в высшей степени окисления d-элементов в группе сверху вниз.

Например: H₂CrO₄ H₂MoO₄ H₂WO₄ HMnO₄ HТсO₄ HReO₄

увеличивается устойчивость,

наблюдается ослабление окислительных свойств.

Так, например, оксид Mn (VII) неустойчив и разлагается со взрывом: 2Mn₂O₇=4MnO₂+3O₂,

тогда как соответствующие оксиды технеция и рения ­­­­­­­­­­­­­­­­­– устойчивые кристаллические вещества. По этой же причине Mn и Re по-разному взаимодействуют с азотной кислотой:

Mn + 4HNO₃ = 4Mn(NO₃)₂ + 2NO₂ + 4H₂O,

Re + 7HNO₃ = HReO₄ + 7NO₂ + 3H₂O

7. Кислотно-основные свойства гидроксидов d-элементов зависят от их степени окисления: с повышением степени окисления химические свойства гидроксидов изменяются от основных через амфотерные к кислотным. Например:

Fe(OH)₂ Fe(OH)₃ H₂FeO₄

Cr(OH)₂ Cr(OH)₃ H₂CrO₄

основной амфотерный кислотный

МnO Mn₂O₃ MnO₂ MnO₃ Mn₂O₇

основной амфотерный кислотный

8. В группе сверху вниз кислотные свойства гидроксидов, при проявлении элементами одинаковой степени окисления, падают. Например: H₂MnO₄—H₂ТсO₄—H₂ReO₄

ослабление кислотных свойств

9. Для d-элементов характерно образование разнообразных координационных соединений (особенно, 4d- и 5d-элементы). Большинство соединений d-элементов окрашены.

10. d-элементы являются хорошими катализаторами и используются во многих каталитических процессах.