Группы 3–12 — d-блок и большинство металлов, которых вы когда-либо касались

Переходные металлы

Железо, медь, золото, серебро, титан, хром, никель, цинк. Тридцать восемь элементов d-блока твёрдые, плотные, тугоплавкие, электропроводные и — что особенно важно — способны образовывать ионы с несколькими разными зарядами. Именно эта гибкость позволяет им катализировать реакции, придавать цвет веществам и проявлять магнитные свойства.

Элементы
38
Группа
3–12
Конфигурация
(n−1)d¹⁻¹⁰ ns¹⁻²
Радиоактивные
10

Выделено в периодической таблице

Каждый элемент

38 элементов семейства Переходные металлы

21 Sc Скандий 44.956 u Металл, близкий к редкоземельным, который значительно повышает прочность алюминиевых сплавов, оставаясь из-за цены экзотическим материалом. Твёрдое 22 Ti Титан 47.867 u Прочный, как сталь, на 45% легче и устойчив к морской воде — металл имплантатов, реактивных самолётов и глубоководных аппаратов. Твёрдое 23 V Ванадий 50.942 u Переходный металл, который окрашивает раствор в четыре разных цвета в зависимости от степени окисления. Твёрдое 24 Cr Хром 51.996 u Элемент, придающий блеск хрому и «нержавейку» нержавеющей стали. Твёрдое 25 Mn Марганец 54.938 u Необходим в следовых количествах, хрупок в больших объёмах и именно благодаря ему ваша сталь не раскалывается на морозе. Твёрдое 26 Fe Железо 55.845 u Самый распространённый на Земле по массе элемент, конечный продукт термоядерного синтеза в звёздах и металл, давший название целой эпохе. Твёрдое 27 Co Кобальт 58.933 u Синий цвет средневековых витражей и фарфора эпохи Мин, а также половина магнитов, удерживающих вместе жёсткие диски. Твёрдое 28 Ni Никель 58.693 u Прочный, устойчивый к коррозии и магнитный — второй по значимости компонент нержавеющей стали. Твёрдое 29 Cu Медь 63.546 u Первый металл, выплавленный человеком, и по-прежнему нервная система электрифицированного мира. Твёрдое 30 Zn Цинк 65.38 u Жертвенный металл: цинк корродирует, чтобы покрытая им сталь не корродировала. Твёрдое 39 Y Иттрий 88.906 u «Редкоземельный элемент», который на самом деле не редок, и причина, по которой экран вашего телефона светится правильными цветами. Твёрдое 40 Zr Цирконий 91.224 u Практически прозрачен для нейтронов, поэтому им покрывают топливные стержни почти в каждом ядерном реакторе. Твёрдое 41 Nb Ниобий 92.906 u Сверхпроводящий металл, проводящий ток в каждом МРТ-магните на Земле. Твёрдое 42 Mo Молибден 95.95 u Тугоплавкая рабочая лошадка: молибден сохраняет прочность при температурах, размягчающих почти всё остальное. Твёрдое 43 Tc Технеций 98 u Первый элемент, созданный людьми, а не найденный в природе, — и самый лёгкий элемент, не имеющий ни одного стабильного изотопа. Радиоактивные синтетический Твёрдое 44 Ru Рутений 101.07 u Металл платиновой группы, который упрочняет соседние элементы и катализирует синтез аммиака. Твёрдое 45 Rh Родий 102.906 u Самый дорогой драгоценный металл на Земле по массе и причина, по которой выхлоп вашего автомобиля не токсичен. Твёрдое 46 Pd Палладий 106.42 u Металл, впитывающий водород как губка, — до 900 объёмов собственного объёма. Твёрдое 47 Ag Серебро 107.868 u Лучший электрический и тепловой проводник среди всех элементов, а также известное с древности противомикробное средство. Твёрдое 48 Cd Кадмий 112.414 u Мягкий токсичный металл, подаривший миру перезаряжаемые никель-кадмиевые элементы и ярко-жёлтый цвет старой краски. Твёрдое 72 Hf Гафний 178.49 u Химически почти идентичен цирконию, но в реакторе является его полной противоположностью — поглощает нейтроны. Твёрдое 73 Ta Тантал 180.948 u Металл, устойчивый почти ко всем кислотам и достаточно биосовместимый для хирургических имплантатов. Твёрдое 74 W Вольфрам 183.84 u Самая высокая температура плавления среди всех металлов — 3 422 °C — и нить накаливания эпохи ламп. Твёрдое 75 Re Рений 186.207 u Один из самых редких элементов в земной коре и металл, позволяющий реактивным турбинам работать при более высокой температуре. Твёрдое 76 Os Осмий 190.23 u Самый плотный встречающийся в природе элемент: литр осмия весит 22,6 кг. Твёрдое 77 Ir Иридий 192.217 u Самый устойчивый к коррозии металл из известных и след астероида, уничтожившего динозавров. Твёрдое 78 Pt Платина 195.084 u Металл-катализатор: платина ускоряет реакции, которые иначе потребовали бы невозможных условий. Твёрдое 79 Au Золото 196.967 u Химически почти инертен, исключительно пластичен и ценится каждой цивилизацией, которая когда-либо его находила. Твёрдое 80 Hg Ртуть 200.592 u Единственный металл, жидкий при комнатной температуре, — и сильный нейротоксин. Жидкое 104 Rf Резерфордий 267 u Первый трансактиноид — химически более тяжёлый родственник гафния, а вовсе не актиноид. Радиоактивные синтетический Твёрдое 105 Db Дубний 268 u Назван в честь Дубны, российского города, где были заложены основы химии сверхтяжёлых элементов. Радиоактивные синтетический Твёрдое 106 Sg Сиборгий 271 u Назван в честь Гленна Сиборга, когда он ещё был жив, — впервые в истории периодической таблицы. Радиоактивные синтетический Твёрдое 107 Bh Борий 272 u Сверхтяжёлый элемент, химические свойства которого, проверенные по одному атому за раз, соответствуют предсказаниям для 7-й группы. Радиоактивные синтетический Твёрдое 108 Hs Хассий 270 u Самый тяжёлый элемент, химические свойства которого подтверждены экспериментально. Радиоактивные синтетический Твёрдое 109 Mt Мейтнерий 276 u Назван в честь Лизы Мейтнер, объяснившей ядерное деление, но не включённой в список лауреатов Нобелевской премии. Радиоактивные синтетический Твёрдое 110 Ds Дармштадтий 281 u Создан в Дармштадте в 1994 году слиянием ядер никеля и свинца. Радиоактивные синтетический Твёрдое 111 Rg Рентгений 280 u Назван в честь первооткрывателя рентгеновских лучей и, согласно прогнозам, должен быть химически похож на золото. Радиоактивные синтетический Твёрдое 112 Cn Коперниций 285 u Согласно прогнозам, летучее жидкое вещество — металл, который ведёт себя почти как благородный газ. Радиоактивные синтетический Жидкое

Что их определяет

Три свойства, которые определяют Переходные металлы

01

Частично заполненная d-подоболочка

Определяющая особенность. Поскольку d-орбитали близки по энергии к внешней s-орбитали, переходные металлы могут отдавать разное число электронов — железо отдаёт два или три, марганец — от двух до семи. Каждое зарядовое состояние соответствует иной химии.

02

Цвет возникает из-за расщепления d-орбиталей

Если окружить ион переходного металла лигандами, пять d-орбиталей расщепляются на группы с немного различающейся энергией. Видимый свет переводит электроны через этот энергетический зазор, а воспринимаемый вами цвет — это всё, что остаётся. Поэтому сульфат меди имеет синий цвет, рубины красные, а один и тот же элемент может придавать веществам несколько разных цветов.

03

Катализ и магнетизм

Частично заполненные d-оболочки образуют превосходные временные партнёрские связи — на этом основан промышленный катализ: от синтеза аммиака на железе до каталитических нейтрализаторов на платине. Те же неспаренные d-электроны придают железу, кобальту и никелю ферромагнетизм.

Периодические закономерности

Как они изменяются в семействе

В пределах ряда атомный радиус изменяется remarkably little — добавление протонов притягивает электроны внутрь, а добавление d-электронов экранирует внешние электроны, примерно компенсируя этот эффект. Плотности и температуры плавления достигают максимума в середине каждого ряда, где доступно наибольшее число электронов для металлической связи: вольфрам плавится при 3,695 K — это самый высокий показатель среди всех металлов.

В мире

Для чего они используются

Железо

Сталь — безусловно самый используемый металл и конструкционная основа индустриального мира.

Медь

Электропроводка, сантехника и печатные платы во всех устройствах, которыми вы владеете. По проводимости уступает только серебру, но намного дешевле.

Титан

Аэрокосмическое оборудование, морская техника и медицинские имплантаты: прочность как у стали, масса на 45% меньше, практически полная невосприимчивость к морской воде и биологическим жидкостям.

Хром и никель

Вместе они образуют нержавеющую сталь. Хром создаёт невидимый самовосстанавливающийся слой оксида; никель повышает прочность и устойчивость к коррозии.

Платиновая группа

Катализ. Платина, палладий и родий очищают выхлопные газы автомобилей; родий время от времени становится самым дорогим металлом на Земле.

Золото и серебро

Деньги, ювелирные изделия и — поскольку золото никогда не корродирует — контактные покрытия в электронике высокой надёжности.

Обращение

Безопасность

Чрезвычайно разнообразная группа. Железо, цинк, медь, кобальт, марганец, молибден и хром(III) необходимы в качестве микроэлементов; хром(VI) — сильный канцероген. Кадмий и ртуть — кумулятивные яды. Никель — самый распространённый контактный аллерген в мире. Мелкодисперсные порошки многих переходных металлов пирофорны.

Полезно знать

  • Технеций (43) был первым элементом, полученным искусственно, а не обнаруженным в природе, и остаётся самым лёгким элементом без стабильного изотопа.
  • Ртуть — единственный металл, жидкий при комнатной температуре; это следствие релятивистских эффектов, воздействующих на её электроны 6s.
  • Всё когда-либо добытое золото поместилось бы в куб со стороной около 22 метров.

Часто задаваемые вопросы

О семействе Переходные металлы

Что делает элемент переходным металлом?

Строгое определение IUPAC гласит, что это элемент, атомы которого имеют частично заполненную d-подоболочку или могут образовывать катион с такой конфигурацией. Технически это исключает цинк, кадмий и ртуть, чьи d-оболочки всегда полностью заполнены, — но они находятся в d-блоке и почти всегда изучаются вместе с этой группой. На этом сайте используется общепринятая классификация, включающая их.

Почему переходные металлы образуют окрашенные соединения?

Потому что их d-орбитали расщепляются на немного различающиеся по энергии уровни под воздействием окружающих лигандов, и разность энергий случайно соответствует энергиям фотонов видимого света. Электрон поглощает фотон и переходит через эту разность энергий; вы видите дополнительный цвет. Соединения цинка бесцветны именно потому, что d-оболочка цинка полностью заполнена и переходить некуда.

Почему они намного плотнее металлов групп 1 и 2?

Для металлической связи доступно больше электронов на один атом — до дюжины, — поэтому атомы притягиваются друг к другу гораздо сильнее. Та же прочная связь обеспечивает им высокие температуры плавления и твёрдость. Осмий, находящийся в середине 6-й строки, — самый плотный элемент: 22.6 g/cm³.

Продолжить

Остальные девять семейств

6 Щелочные металлы Li Na K Rb Cs Fr 6 Щёлочноземельные металлы Be Mg Ca Sr Ba Ra 12 Постпереходные металлы Al Ga In Sn Tl Pb Bi 7 Металлоиды B Si Ge As Sb Te At 7 Неметаллы H C N O P S Se 5 Галогены F Cl Br I Ts 7 Благородные газы He Ne Ar Kr Xe Rn Og 15 Лантаноиды La Ce Pr Nd Pm Sm Eu 15 Актиноиды Ac Th Pa U Np Pu Am