Переходные металлы

Переходные металлы (также переходные элементы) — это химические элементы, расположенные в побочных подгруппах (B-группах) периодической таблицы Д. И. Менделеева, в атомах которых происходит заполнение d- или f-орбиталей. К ним относятся все элементы, у которых валентные электроны находятся на d- и f-подуровнях. В узком смысле под переходными металлами понимают d-элементы, у которых заполняется d-подуровень предвнешнего электронного слоя. Эти элементы занимают центральное положение в периодической системе, образуя три большие декады (4-й, 5-й и 6-й периоды) и два ряда лантаноидов и актиноидов (f-элементы). Переходные металлы характеризуются рядом уникальных свойств: переменной степенью окисления, способностью образовывать окрашенные ионы и комплексные соединения, а также выраженной каталитической активностью.

История открытия

Многие переходные металлы были известны с глубокой древности. Медь, золото, серебро, железо, олово, свинец и ртуть использовались человечеством за несколько тысячелетий до нашей эры. Однако систематическое изучение этих элементов началось лишь в XVIII—XIX веках. В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот открыл цирконий и уран. В 1801 году английский химик Чарльз Хэтчетт открыл ниобий, а в 1802 году шведский химик Андерс Густав Экеберг — тантал. В 1803 году были открыты палладий и родий, а в 1804 году — осмий и иридий. В 1844 году русский химик Карл Карлович Клаус открыл рутений, названный в честь России (Ruthenia — латинское название Руси). В 1869 году Д. И. Менделеев, создавая периодическую систему, предсказал существование нескольких переходных элементов, в том числе скандия, галлия и германия, которые были открыты в 1875, 1879 и 1886 годах соответственно. В XX веке были синтезированы все искусственные переходные элементы, начиная с технеция (1937 год) и заканчивая самыми тяжёлыми элементами, такими как оганесон (2002 год).

Классификация

Переходные металлы подразделяются на две основные группы в зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами:

d-Элементы

Это элементы, у которых валентные электроны находятся на d-подуровне предвнешнего слоя. Они расположены в 4, 5, 6 и 7 периодах и образуют три декады (по 10 элементов в каждом). К ним относятся:

• 3d-элементы: скандий (Sc), титан (Ti), ванадий (V), хром (Cr), марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), медь (Cu), цинк (Zn).
• 4d-элементы: иттрий (Y), цирконий (Zr), ниобий (Nb), молибден (Mo), технеций (Tc), рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Pd), серебро (Ag), кадмий (Cd).
• 5d-элементы: гафний (Hf), тантал (Ta), вольфрам (W), рений (Re), осмий (Os), иридий (Ir), платина (Pt), золото (Au), ртуть (Hg).
• 6d-элементы: резерфордий (Rf), дубний (Db), сиборгий (Sg), борий (Bh), хассий (Hs), мейтнерий (Mt), дармштадтий (Ds), рентгений (Rg), коперниций (Cn).

f-Элементы

Это элементы, у которых валентные электроны находятся на f-подуровне третьего снаружи электронного слоя. Они расположены в 6 и 7 периодах и образуют два ряда по 14 элементов:

• Лантаноиды (лантаниды): элементы с 57 (лантан) по 71 (лютеций). Включают церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий.
• Актиноиды (актиниды): элементы с 89 (актиний) по 103 (лоуренсий). Включают торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий.

Физические свойства

Переходные металлы обладают рядом характерных физических свойств, отличающих их от элементов главных подгрупп:

• Высокая прочность и твёрдость. Большинство переходных металлов (вольфрам, хром, осмий) являются одними из самых твёрдых веществ. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов (3422 °C).
• Высокие температуры плавления и кипения. Это связано с прочными металлическими связями, образованными за счёт d-электронов. Например, температура плавления рения составляет 3180 °C, осмия — 3033 °C.
• Электропроводность и теплопроводность. Серебро, медь и золото являются лучшими проводниками электричества. Электропроводность переходных металлов, как правило, выше, чем у s-элементов.
• Парамагнетизм и ферромагнетизм. Наличие неспаренных d-электронов придаёт многим переходным металлам магнитные свойства. Железо, кобальт и никель являются ферромагнетиками — они способны намагничиваться в отсутствие внешнего магнитного поля.
• Пластичность и ковкость. Золото, серебро, медь, алюминий (хотя алюминий не является переходным металлом) обладают высокой пластичностью, позволяющей прокатывать их в тончайшие листы (фольгу) или вытягивать в проволоку.

Химические свойства

Химические свойства переходных металлов определяются строением их электронных оболочек, в первую очередь — наличием d-электронов.

Переменная степень окисления

Переходные металлы могут проявлять несколько степеней окисления, от +1 до +7 и выше. Например, марганец проявляет степени окисления +2, +3, +4, +6, +7. Хром — +2, +3, +6. Железо — +2, +3. Эта способность обусловлена тем, что d-электроны могут участвовать в образовании химических связей наряду с s-электронами внешнего слоя.

Образование окрашенных ионов

Многие соединения переходных металлов окрашены. Это связано с расщеплением d-орбиталей в кристаллическом поле лигандов и переходами электронов между этими уровнями. Например, ионы Cu²⁺ окрашивают растворы в синий цвет, Fe³⁺ — в жёлто-коричневый, Cr³⁺ — в зелёный, MnO₄⁻ — в фиолетовый.

Комплексообразование

Переходные металлы являются сильными комплексообразователями. Они способны присоединять к себе молекулы (например, аммиак, воду) или ионы (например, CN⁻, Cl⁻), образуя устойчивые комплексные соединения. Примеры: гексацианоферрат(II) калия (жёлтая кровяная соль) K₄[Fe(CN)₆], гексацианоферрат(III) калия (красная кровяная соль) K₃[Fe(CN)₆], аммиакаты меди [Cu(NH₃)₄]²⁺.

Каталитическая активность

Многие переходные металлы и их соединения являются катализаторами химических реакций. Железо используется в синтезе аммиака (процесс Габера-Боша), платина и палладий — в реакциях гидрирования и окисления, ванадий(V) — в производстве серной кислоты. Каталитическая активность связана с возможностью переходных металлов менять степень окисления и образовывать промежуточные соединения с реагентами.

Применение

Переходные металлы и их сплавы имеют широчайшее применение в промышленности, технике, медицине и быту.

Металлургия и машиностроение

• Железо и его сплавы (чугун, сталь) являются основой современной промышленности. Сталь используется в строительстве, машиностроении, производстве инструментов.
• Титан и его сплавы (например, с алюминием и ванадием) применяются в авиа- и ракетостроении, судостроении, медицине (имплантаты) благодаря высокой прочности, лёгкости и коррозионной стойкости.
• Хром используется для легирования стали (нержавеющая сталь), а также для хромирования (защитные и декоративные покрытия).
• Вольфрам применяется в производстве нитей накаливания для ламп, в электродах для сварки, в высокотемпературных сплавах.

Электротехника и электроника

• Медь — основной материал для электрических проводов и кабелей.
• Серебро используется в контактах, микросхемах, аккумуляторах.
• Золото — в электронике (контакты, разъёмы, микросхемы) благодаря высокой коррозионной стойкости и электропроводности.
• Никель — в производстве аккумуляторов (никель-кадмиевые, никель-металлогидридные), а также в сплавах.

Химическая промышленность

• Платина и палладий — катализаторы в нефтепереработке, производстве удобрений, фармацевтике.
• Ванадий — катализатор в производстве серной кислоты.
• Марганец — в производстве стали, а также в качестве окислителя.

Медицина

• Платина — основа противоопухолевых препаратов (цисплатин, карбоплатин).
• Титан — материал для зубных и костных имплантатов.
• Серебро — антисептик, используется в повязках, катетерах, стоматологии.
• Золото — в стоматологии (коронки), а также в ревматологии (препараты золота).

Ювелирное дело

Золото, серебро, платина, палладий, родий (для покрытий) и их сплавы широко используются для изготовления ювелирных изделий.

Биологическая роль

Некоторые переходные металлы являются жизненно важными микроэлементами для живых организмов:

• Железо входит в состав гемоглобина, миоглобина, цитохромов, участвует в транспорте кислорода и клеточном дыхании.
• Цинк — кофактор многих ферментов (например, алкогольдегидрогеназы, карбоангидразы), необходим для роста и деления клеток.
• Медь — компонент ферментов (цитохромоксидаза, супероксиддисмутаза), участвует в метаболизме железа, синтезе коллагена.
• Марганец — необходим для работы ферментов, участвующих в метаболизме аминокислот и углеводов.
• Кобальт — входит в состав витамина B₁₂, необходим для кроветворения.
• Молибден — кофактор ферментов, участвующих в метаболизме серы и азота.

Избыток или недостаток этих элементов может приводить к заболеваниям. Например, дефицит железа вызывает анемию, а избыток меди — болезнь Вильсона-Коновалова.

Экологические аспекты

Некоторые переходные металлы (кадмий, ртуть, свинец, хром(VI)) являются токсичными и могут накапливаться в окружающей среде и живых организмах. Источниками загрязнения служат промышленные выбросы, горнодобывающая промышленность, сжигание топлива, использование удобрений и пестицидов. В России существуют нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) для тяжёлых металлов в почве, воде и воздухе. Для очистки сточных вод и почв от ионов переходных металлов применяются методы осаждения, ионного обмена, адсорбции, электрокоагуляции, а также фиторемедиация (использование растений, способных накапливать металлы).

Источники

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1998.
• Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. — М.: Мир, 2004.