Общие свойства первых переходных элементов в современной таблице Менделеева

Большинство переходных элементов притягиваются к внешним магнитным полям, потому что спин неспаренных электронов на подуровне (d) создает магнитное поле, которое заставляет атом притягиваться к внешнему магнитному полю . Плотность элементов первой переходной серии увеличивается. за счет увеличения атомного номера, потому что атомный номер увеличивается, и атомная масса увеличивается, а размер атома немного уменьшается.

Атомная масса

Атомная масса первых переходных элементов постепенно возрастают с увеличением их атомный номера , но никель является ненормальной , потому что он имеет пять стабильные изотопы со средними массовым 58.7U, Существует небольшое изменение в атомных радиусах по мере продвижения по первой переходной серии , радиус атомного из эти переходные элементы является относительно постоянной из (Cr) до (Cu), это связано с двумя противоположными факторами:

Первый фактор вызывает уменьшение атомного радиуса с увеличением атомного номера, где эффективный ядерный заряд для этих элементов увеличивается, а также количество электронов в атоме увеличивается от (Sc) до (Cr), поэтому ядерное притяжение к электронам увеличивается. которые вызывают уменьшение атомного радиуса.

Второй фактор вызывает увеличение атомного радиуса. Увеличение количества электронов на 3d-подуровне увеличит силу отталкивания между ними. В результате этих двух противоположных факторов атомные радиусы этих элементов относительно постоянны, что объясняет использование их при изготовлении сплавов.

Происходит постепенное уменьшение размера атома от ₂₁ Sc до ₂₉ Cu (относительно постоянный от Cr к Cu). Переходные элементы имеют небольшой размер атома, и изменение размера атома невелико, элементы трудно окислить из-за незначительного уменьшение радиуса и увеличение силы ядерного притяжения к  валентным электронам .

Благодаря атомный радиус относительно постоянна, эти элементы используются в сплавах промышленности, когда атомные радиусы одинаковы, свойства подобны, это объясняет сходство свойств в триады железа (Fe, Co, Ni ), то плотность из железо (7,87 г / см3) меньше, чем у кобальта (8,8 г / см3), потому что атомная масса железа меньше, чем у кобальта, а разница в их радиусах незначительна.

Постепенное уменьшение атомного радиуса по элементам первой серии переходов слева направо невелико, потому что отталкивание электронов, добавленных на орбитали, компенсирует уменьшение радиуса из-за увеличения ядерного притяжения к электронам в качестве эффективного ядерного заряд увеличивается.

Металлическое свойство

Металлические свойства переходных элементов проявляются по следующим причинам :

• Все переходные элементытвердые, характеризуются металлическим блеском, хорошей проводимостью тепла и электричества. Они имеют высокие температуры плавления и кипения из-за прочной металлической связи, которая образуется из-за совместного использования как 4S, так и 3d-электронов в образовании этой связи.
• Большинство переходных элементовимеют высокую плотность, и плотность увеличивается за счет увеличения атомной массы, где размер атома (атомный объем) относительно постоянен.
• Активность этих элементов варьируется, так как медь имеет ограниченную химическую активность, а некоторые из них умеренные, как железо, которое ржавеет при контакте с воздухом, а некоторые очень активны, как скандий, который сильно замещает водород в воде.

Плотность переходных элементов увеличивается слева направо, где плотность железа (7,87 г / см³) меньше, чем плотность кобальта (8,8 г / см³), потому что плотность = атомная масса / атомный объем, а атомная масса железа меньше чем у кобальта и атомный объем (Fe & Co) почти равен.

Точки кипения и плавления

Все переходные элементы имеют высокую температуру плавления и кипения из-за сильной связи между их атомами, где электроны (4S) и (3d) образуют прочные металлические связи. Переходные элементы более твердые, чем типичные элементы из-за увеличения свободных валентных электронов (4S). ² + 3d неспаренных электронов), поэтому прочность металлической связи увеличивается, количество валентных электронов ∝ прочность металлической связи ∝ температура плавления и температура кипения.

Cu и Zn относительно мягкие и имеют более низкие температуры кипения, поскольку их металлические связи более слабые, поскольку в них участвуют только 4S- электроны . Переходные элементы обладают некоторыми свойствами, которые отличают их от типичных элементов, эти свойства являются магнитными свойствами, окрашенными соединения, каталитическая активность элементов и соединений.

Магнитные свойства

Существует два различных магнитных свойства, которые представляют собой парамагнитное свойство и диамагнитное свойство. Переходные элементы классифицируются на парамагнитные вещества и диамагнитные вещества, большинство соединений переходных элементов являются парамагнитными:

Парамагнитное свойство проявляется в ионах, атомах или молекулах, которые имеют неспаренные электроны на своих орбиталях (↑), которые формируют магнитное поле из-за своего вращения, притягивая внешнее магнитное поле . Парамагнитное вещество — это вещество, которое притягивается к внешнему магнитному полю. поле из-за наличия неспаренных электронов на d-подуровне, которые вращаются в одном направлении, образуя магнитное поле.

Магнитный момент парамагнитных веществ увеличивается с увеличением числа неспаренных электронов, большинство соединений переходных элементов парамагнитны из-за спиновых движений электронов.

Максимальное количество неспаренных электронов = 5

Магнитный момент = количество неспаренных электронов на d подуровне

Для неспаренных электронов спин будет в одном направлении (↑), что создает магнитное поле и формирует парамагнитное вещество, в то время как для спаренных электронов спин будет в противоположных направлениях (↑ ↓), а магнитное поле отсутствует и образует диамагнитное вещество.

Диамагнитное свойство проявляется в веществах, в которых все орбитали спарены с электронами (↑ ↓), поэтому их магнитный момент равен нулю из-за противоположного спинового движения всех спаренных электронов. Диамагнитное вещество — это вещество, которое отталкивается от внешнего магнитного поля из-за наличие парных электронов на подуровне d, которые вращаются в противоположном направлении, поэтому магнитный момент равен нулю.

Магнитные моменты вещества можно измерить количеством неспаренных электронов. Мера магнитных моментов вещества указывает количество неспаренных электронов и электронную конфигурацию иона металла.

Измерение магнитного момента помогает в определении электронной конфигурации, потому что, когда магнитный момент равен нулю, это означает, что все электроны связаны, когда он имеет определенное значение, это означает наличие ряда неспаренных электронов, а магнитный момент прямо пропорционален величине количество неспаренных электронов.

FeCl ₃ притягивается к магниту больше, чем TiCl _3, потому что Fe ⁺³ имеет 5 неспаренных электронов, а Ti ⁺³ имеет только один электрон, соответственно, магнитный момент Fe ⁺³ больше, чем Ti ⁺³ , поэтому FeCl ₃ притягивается. к магниту больше, чем TiCl ₃ .

Каталитическая активность

Переходные элементы считаются идеальным катализатором, где мелкодисперсный никель используется в качестве катализатора в процессе гидрирования нефти, а разделенное железо используется в качестве катализатора при получении газообразного аммиака NH ₃ по методу Габера-Боша.

N ₂ + 3H ₂ → 2 NH ₃

Пятиокись ванадия V ₂ O ₂ используется в качестве катализатора при получении серной кислоты контактным методом.

2 SO ₂ + O ₂ → 2 SO ₃

SO ₃ + H ₂ O → H ₂ SO ₄

Каталитическая активность металлов первой переходной серии связана с наличием 4S- и 3d- электронов, которые могут быть использованы для образования связей между атомами поверхности металла и реагирующими молекулами, что приводит к увеличению концентрации этих молекул. на поверхности катализатора ослабляют связь в молекулах реагента и, таким образом, уменьшают энергию активации, что способствует увеличению скорости реакции.

Элементы первой переходной серии являются хорошими катализаторами, мелкодисперсный никель используется в качестве катализатора для гидрирования нефти из-за присутствия 4S- и 3d-электронов, которые образуют связи между реагирующими молекулами и поверхностью катализатора, что приводит к:

• Повышение концентрации реагентов на поверхности катализатора.
• Скорость столкновения реагирующих молекул увеличивается.
• Связи в молекулах реагентов ослабевают.
• Энергия активации уменьшается, а скорость реакции увеличивается.

Цветные ионы

Большинство соединений переходных элементов и их водный раствор окрашены. Цвет образуется за счет поглощения некоторых фотонов в области видимого света. Глаз видит только оставшийся цвет (отраженный), который представляет собой смесь некоторых цветов.

Свет — это форма энергии, и каждое соединение переходных элементов, особенно у которых есть неспаренные электроны на подуровне d, при воздействии света их электроны возбуждаются белым светом определенного цвета (белый свет состоит из 7 цветов), поэтому вещество поглощает его и не поглощает другие (дополнительные), которые мы видим по нему.

• Если вещество не поглощает световой цвет, оно кажется белым (бесцветным), это имеет место в случае d ⁰ и d ¹⁰ , в случае ионов репрезентативных элементов, когда у них есть неспаренные электроны на подуровне S и P, где энергия видимый свет не может возбудить их до более высоких уровней энергии, поэтому они бесцветны.
• Если вещество поглощает весь видимый светлый цвет, оно кажется глазом черным.
• Если вещество поглощает определенный цвет, его цвет определяется дополнительным цветом.

Гидратированные ионы Sc ⁺³ (3d ⁰ ), Zn ⁺² (3d ¹⁰ ) являются бесцветными и непереходными элементами, поскольку они содержат пустые (d ⁰ ) или полностью заполненные (d ¹⁰ ) орбитали d , то можно сделать вывод, что цвет в переходных элементах ионах происходит из-за частичного заполнения орбиталей d-подуровня (1 → 9) электронами из-за наличия неспаренных электронов в d-подуровне.

Дополнительные цвета — это совокупность цветов, которые не поглощаются веществом. Это видимые цвета. Пример: Соединения хрома (III) поглощают красный цвет, поэтому он кажется зеленым. Есть некоторые соединения, хотя (d) подуровень d ⁰ или d ¹⁰ , они окрашены, например, KMnO ₄ фиолетовый, хотя Mn ⁺⁷ .

Соединения кобальта имеют синий цвет, потому что энергия, необходимая для возбуждения неспаренных электронов на 3d-подуровне, равна энергии оранжевого цвета, поэтому он появляется с дополнительным цветом, который является синим цветом.

Cu ⁺¹ бесцветен, потому что подуровень d завершен d ¹⁰ , электроны подуровня 3d не поглощают никакой цвет белого света и не отражают его, в то время как Cu ⁺² синий, потому что подуровень d не завершен d ⁹ , Подуровень не полностью заполнен, поэтому неспаренные электроны поглощают один из семи цветов, и виден дополнительный цвет.

Растворы солей кобальта окрашены, потому что подуровень 3d ⁷ частично заполнен, что означает, что на d-подуровне имеется ряд неспаренных электронов, поэтому он поглощает цвет от белого света, и виден дополнительный цвет, тогда как растворы солей цинка бесцветны потому что подуровень 3d ¹⁰ полностью заполнен, что означает, что на d-подуровне нет неспаренных электронов, поэтому он не поглощает никакой цвет.