Свойства первых переходных элементов, электронная конфигурация и степени окисления

bystudin | 2 октября, 2021 | Химия

Переходный элемент — это элемент, в котором орбитали d или F заняты электронами, но не полностью заполнены ни в его атомарном состоянии, ни в одном из его состояний окисления. Переходные элементы имеют элементы с несколькими степенями окисления, но типичные элементы в основном имеют один степень окисления.

Электронная конфигурация и степени окисления

Степени окисления увеличиваются в первой серии переходов от Sc до максимума в Mn, затем снова уменьшаются до Zn, за исключением элементов группы I – B, потому что от Sc к Mn количество неспаренных электронов увеличивается, а от Mn к Zn спаривается. из электронов происходит.

Элементы первой переходной серии расположены в четвертом периоде после кальция ₂₀ Ca, электронная конфигурация которого [ ₁₈ Ar] 4S ² , после чего происходит постепенное заполнение пяти орбиталей (3d) подуровня одним электроном в каждой. орбитали последовательно до марганца (3d ⁵ ), после марганца спаривание электронов происходит на каждой орбитали до цинка (3d ¹⁰ ) (правило Хунда).

Хром и медь являются аномальными по сравнению с ожидаемой электронной конфигурацией, поскольку их конфигурации ₂₄ Cr (Ar) 3d ⁵ 4S ¹ и медь ₂₉ Cu (Ar) 3d ¹⁰ 4S ¹ , в этих элементах мы обнаруживаем, что их самый внешний подуровень 4s и 3d в хроме наполовину заполнены, в то время как в меди 4s наполовину заполнено, но 3d заполнено, это объясняет, что атом имеет энергию, это означает, что он имеет дополнительную стабильность, когда самый внешний подуровень заполнен наполовину (d ⁵ ) или заполнен (d ¹⁰ ) но это не единственный главный фактор, обуславливающий стабильность атома.

Хром ₂₄ Cr и медь ₂₉ Cu имеют аномальную электронную конфигурацию, потому что в ₂₄ Cr один электрон перейдет с 4S на 3d, поэтому подуровни становятся наполовину заполненными, и это делает атом более стабильным, а в ₂₉ Cu один электрон перейдет с 4S на 3d. Таким образом, подуровень 4S заполняется наполовину, а подуровень 3d становится заполненным, что делает атом более устойчивым.

Максимальная степень окисления любого элемента не может превышать его номер группы, единственное отклонение наблюдается для элементов группы I – B (Cu, Ag, Au). При окислении (когда атом теряет электроны ) атом теряет первые электроны 4S. (имеющий высокое квантовое число ), за которым следуют электроны 3d (более низкое квантовое число ), чтобы дать различные степени окисления.

Переходные элементы характеризуются наличием многих состояний окисления, в связи с подуровня 3d не полностью заполненной и подуровней (3d и 4S) почти равны по энергии, так что , когда атом получает постепенное количество энергии, два электронов из сначала теряются подуровень 4S, затем последовательно теряются электроны подуровня 3d, так как разница в энергиях ионизации мала.

Атом или ион становятся стабильными, когда подуровень d равен:

Пусто (d ⁰), как в случае Sc ⁺³ и Ti ⁺⁴ .
Наполовину заполнен (d ⁵), как в случае Mn ⁺² и Fe ⁺³ .
Полностью заполнен (d ¹⁰), как в случае Zn ⁺² .

Железо (II) легко окисляется до железа (III), в то время как марганец (II) нелегко окисляется до марганца (III), ион железа (III) более стабилен, поскольку подуровень 3d наполовину заполнен 3d ⁵ , поэтому реакция идет в сторону образования более стабильного соединения, но в случае атома марганца электронная конфигурация ₂₅ Mn (Ar) 3d ⁵ , 4S ² , 3d-подуровень наполовину заполнен 3d ⁵ в ионе Mn ⁺² , поэтому, он более стабилен, чем ион Mn (III), поэтому ион Mn ⁺² не окисляется легко до иона Mn ⁺³ .

Fe ⁺² [ ₁₈ Ar], 3d ⁶ (окисление) → Fe ⁺³ [ ₁₈ Ar], 3d 5

Mn ⁺² , 3d ⁵ → Mn ⁺³ , 3d 4

Ион железа (III) трудно окислить до иона IV, тогда как ион титана (III) легко окислить до титана IV, потому что подуровень (3d) наполовину заполнен Fe ⁺³ и пуст — Ti ^+4, что делает элемент более стабильный.

₂₆ Fe: [ ₁₈ Ar] 3d ⁶ , 4S ² Fe ⁺³ [ ₁₈ Ar], 3d ⁵ (окисление) → Fe ⁺⁴ [ ₁₈ Ar], 3d 4

₂₂ Ti: [ ₁₈ Ar] 3d ² , 4S ² Ti ⁺³ [ ₁₈ Ar], 3d ¹ (окисление) → Ti ⁺⁴ [ ₁₈ Ar], 3d 0

Все элементы первой переходной серии имеют степень окисления (+2), потому что после потери электронов подуровня (4s) сначала (кроме скадия), в то время как в более высоких степенях окисления они последовательно теряют электрон (3d).

Степени окисления увеличиваются от скандия до марганца, который имеет наивысшую степень окисления (+7) в группе VIIB, после чего степени окисления постепенно уменьшаются до (+2) в цинке в группе IIB, поэтому максимальная степень окисления не превышает его номер группы, за исключением группы IB, которая содержит медь, серебро и золото.

Основные переходные элементы характеризуются несколькими степенями окисления, это можно объяснить следующим образом, когда атом переходных элементов окисляется потерей электронов последовательно с 4s и 3d подуровней (которые близки по энергии), поэтому потенциалы ионизации для переходного элемента постепенно увеличивается.

Типичные металлы, такие как натрий, магний и алюминий, имеют одну степень окисления из-за увеличения второго потенциала ионизации натрия, третьего — магния, а четвертый — алюминия очень высок, потому что нам нужна высокая энергия для разрушения полного энергетического уровня, поэтому , трудно получить Na ⁺² или Mg ⁺³ или Al ⁺⁴ во время химической реакции при нормальных условиях.

Скандий не производит ион скандия Sc ⁺⁴ обычными химическими методами, скандий имеет только одну степень окисления (Sc ⁺³ ), потому что разница между третьим IP и четвертым IP очень велика из-за нарушения полного энергетического уровня.

Скандий дает (+3) степень окисления, а не (+2), потому что разница между 2- ^м и 3- ^м потенциалами ионизации мала, поэтому скандий теряет два электрона с подуровня 4S, а затем один электрон с подуровня 3d, чтобы быть более стабильным, т. Е. стабильность аргона.

Скандий не образует соединений, в которых скандий имеет степень окисления (+2), потому что, отдавая скандию энергию, он теряет (3) электроны, это связано с тем, что энергия подуровня (4S) близка к энергии подуровня (3d), поэтому, атом становится более стабильным, и электронная конфигурация скандия достигает ближайшего инертного газа .

Металлы для чеканки медь ₂₉ Cu (3d ¹⁰ 4S ¹ ), серебро ₄₇ Ag (4d ¹⁰ 5S ¹ ) и золото ₇₉ Au (5d ¹⁰ 6S ¹ ) считаются переходными элементами, потому что в случае (+2) или (+3) , подуровень (d) содержит 9 или 8 электронов, поэтому он заполнен электронами, но не полностью.

Такие металлы, как цинк ₃₀ Zn (4S ² , 3d ¹⁰ ), кадмий ₄₈ Cd (5S ² , 4d ¹⁰ ) и ртуть ₈₀ Hg (6S ² , 5d ¹⁰ ), не считаются переходными элементами, поскольку подуровень (d) полностью заполнены (d ¹⁰ ) тремя металлами как в атомарном состоянии, так и в состоянии окисления (+2) иона, поэтому они не являются переходными элементами .

Калий имеет только одну степень окисления, в то время как ванадий имеет более одной степени окисления, потому что в K увеличение IP очень велико из-за нарушения полного энергетического уровня, но ванадий имеет более одной степени окисления, потому что два подуровня 4S и 3d имеют почти равные энергии, поэтому они последовательно теряли свои электроны при окислении атома.

₁₉ K: [ ₁₈ Ar], 4S 1

₂₃ V: [ ₁₈ Ar], 4S ² , 3d 3

Элементы первой переходной серии характеризуются различными степенями окисления, поскольку два подуровня (4S) и (3d) имеют почти равную энергию, и их электроны последовательно теряются при окислении атома.