Читайте также:
|
Цель работы – изучение свойств d- металлов и их соединений, закономерностей в изменении кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств их оксидов, гидроксидов, солей.
Переходными металлами (элементы d -семейства) называются элементы побочных подгрупп Периодической системы, у которых валентными являются ns- и (n -1) d -электроны (n – главное квантовое число внешнего электронного слоя). В основном состоянии электронную конфигурацию внешнего и d -предвнешнего слоя можно представить в виде общей формулы: ns1-2 (n -1) d1-10. Элементы от скандия до цинка называются3 d - элементами, или первым рядом переходных металлов, от иттрия до кадмия и от лантана до ртути – 4 d - и 5 d - элементами, или вторым и третьим рядами переходных металлов. Все простые вещества, образуемые d -элементами, по физическим свойствам являются типичными металлами. Их химическая активность падает в соответствующей группе периодической системы сверху вниз.
Проявляемые степени окисления и их устойчивость. Переходные металлы проявляют разнообразные степени окисления (с.о.). Большинство этих металлов (кроме Со, Ni, Rh, Pd, Ir и Pt) образуют соединения, в которых высшая степень их окисления равна полному числу валентных электронов, т.е. номеру группы.
У элемента первого ряда – скандия – устойчива только одна с.о. +3, равная номеру группы. У титана устойчивая с.о., соответствующая числу валентных электронов (+4). Для ванадия наиболее устойчиво состояние +4, для хрома +3, марганец наиболее устойчив в четырехвалентном состоянии. Для остальных 3 d -элементов наиболее характерны с.о. +3 и +2. С.о. +2 проявляют в своих соединениях почти все d -металлы.
В ряду Fe-Co-Ni-Cu устойчивость с.о. +3 падает. Соединения железа(III) более устойчивы и заметных окислительных свойств не проявляют. Кобальт в степени окисления +3 – сильнейший окислитель, поэтому его получают в составе комплексного иона трикарбонатокобальтата(III) непосредственно в процессе опыта при взаимодействии солей кобальта(II) с пероксидом водорода в среде гидрокарбонат-ионов:
2CoCO3 + H2O2 + 6NaHCO3 = 2Na3[Co(CO3)3] + 2CO2 + 4H2O.
Устойчивость степени окисления +2 у d -элементов четвертого периода от марганца до меди изучается в опыте 1. С этой целью получают осадки гидроксидов Mn(OH)2, Fe(OH)2, Co(OH)2, Ni(ОН)2, Cu(OH)2 и наблюдают за изменением их окраски под действием различных окислителей.
Гидроксид двухвалентного железа светло-голубого цвета легко окисляется кислородом воздуха, образуя сначала зеленые (при небольшом содержании Fe+3) смешанные гидроксиды железа(II) и (III), а затем бурый осадок Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3.
Окисление Со(ОН)2 (он может быть розовым или светло-синим в зависимости от модификации) медленно идет под воздействием кислорода воздуха и быстро – при реакции с пероксидом водорода или бромной водой. Зеленый Ni(OH)2 окисляется до черного Ni(OH)3 только при взаимодействии с наиболее сильным окислителем, например бромом, в щелочной среде:
2Со(ОН)2+Н2О2 = 2Со(ОН)3;
2Ni(OH)2 + Br2 + 2NaOH = 2Ni(OH)3 + 2NaBr.
Гидроксид меди Cu(OH)2 устойчив к действию вышеуказанных окислителей в обычных условиях.
Для железа известно большое количество солей и комплексных соединений, в которых оно проявляет с.о. +3. Кобальт в с.о. +3 устойчив только в составе комплексных ионов и труднорастворимых осадков. Простые соли Со3+ очень неустойчивы и являются исключительно сильными окислителями. Соединения никеля(III) и меди(III)единичны.
Для элементов второго и третьего рядов переходных металлов высшие с.о. более устойчивы.
Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов d -металлов в значительной степени определяются степенью окисления металла.
Оксиды d -элементов со степенью окисления +2 чаше всего являются основными, а соответствующие им гидроксиды – основаниями. Исключения составляют гидроксиды цинка и меди, которые проявляют амфотерные свойства и при растворении в щелочах образуют гидроксокомплексы [М(ОН)4]2‾:
М(ОН)2 + 2ОН‾ = [М(ОН)4]2‾ (где М = Zn, Сu).
Оксиды и гидроксиды элементов в с.о. +3 проявляют либо слабые основные свойства (Sc2O3, Ti2O3, V2O3), либо амфотерные (Сг2О3, Fe2O3). Большинство оксидов и гидроксидов элементов в степени окисления +4 амфотерны (ТiO2, МnО2, VO2)*.
*Ванадий(IV) и титан(IV) образуют в кислой среде оксокатионы: VO2+ (ванадил) и TiO2+ (титанил). Эти катионы входят в состав гидроксидов VO(OH)2, TiO(OH)2 и большого количества солей.
В степенях окисления +5 и выше оксиды и гидроксиды переходных металлов чаще всего являются кислотными (СгО3, Мn2О7). Амфотерные свойства V2O5 связаны с его способностью образовывать в сильнокислой среде оксокатионы VO2+:
V2O5 + H2SO4 = (VO2)2SO4 + H2O.
Оксидам хрома(VI) и марганца(VII) соответствуют сильные кислоты: хромовая Н2СrO4 или двухромовая Н2Сг2O7 и марганцевая HМnО4.
В растворах солей хромовой кислоты устанавливается равновесие, которое легко смещается при добавлении кислот или щелочей:
2СrO42‾ +2Н+ ⇄Сг2О72‾ +Н2О;
Сг2О72‾ + 2ОН‾ ⇄ 2СrO42‾ + Н2О.
Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье в кислых растворах производные хрома(VI) существуют в виде дихромат-ионов Сг2О72‾ (оранжевая окраска), а в щелочных – в виде хромат-ионов СrO42‾ (желтый цвет).
Окислительно-восстановительные характеристики соединений определяются относительной устойчивостью степеней окисления элемента.
Как правило, у соединений 3 d -элементов устойчивость одной из степеней окисления существенно преобладает над остальными.
Соединения, в которых степень окисления данного элемента превышает наиболее стабильную, проявляют окислительные свойства. Например, соединения ванадия в высшей степени окисления +5 восстанавливаются концентрированной соляной кислотой до устойчивой степени окисления +4:
2NaVO3 + 8HCl = 2VOC12 + Cl2↑ + 2NaCl + 4H2O.
Производные высших степеней окисления хрома (+6) и марганца (+7) восстанавливаются до хрома(III) и марганца(II) соответственно:
Сг2О72‾ + 6Cl‾ +14Н+ = 2Сr3+ + 3Cl2↑ + 7Н2О;
2МnО4‾ +10Сl‾ + 8Н+ = 2Mn2+ + 5Cl2↑ + 4Н2О.
Соединения, в которых степень окисления элемента ниже наиболее устойчивой, проявляют восстановительные свойства. Например, соединения титана(III), ванадия(II) и (III) и хрома(II) являются сильными восстановителями:
2V3++I2 + 2H2O = 2VO2+ + 2I‾ + 4H+;
Ti3+ + Fe3+ + H2O = TiO2+ + Fe2+ + 2H+;
2Cr2+ + I2 = 2Cr3+ + 2I‾.
Многие d -металлы весьма интересны в биохимическом отношении. Большое значение для живых организмов имеют металлы триады железа: организм взрослого человека содержит ~ 4 г Fe, из которых почти 60 % входит в состав гемоглобина. Основной функцией этой доли железа является связывание молекулярного кислорода и перенос его в ткани. В тканях железо в составе органических соединений катализирует процессы дыхания в клетках. Биологическая роль кобальта связана главным образом с кроветворением.
Марганец имеется в организмах всех растений и животных. Содержание его обычно не превышает тысячных долей процента, но иногда бывает значительно выше. В организме человека больше всего марганца (до 0,0004 %) содержится в сердце, печени и надпочечниках. В избыточных против нормы количествах марганцовые соединения действуют как яды, вызывая хроническое отравление. Проявляется оно в различных расстройствах нервной системы, причем развивается болезнь очень медленно. Небольшие добавки марганцовых соединений к обычным удобрениям заметно повышают урожайность картофеля, кукурузы, сахарной свеклы и др.
Дата добавления: 2015-07-25; просмотров: 199 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Гидролиз соли алюминия в присутствии соды | | | Опыт 1. Получение гидроксидов d-металлов(II) IV периода |