1 Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.plWszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.
2 PIERWIASTKI BLOKU ENERGETYCZNEGO D
3 Spis treści Pierwiastki przejściowe Blok d – grupy poboczneCharakterystyka pierwiastków bloku d Właściwości chemiczne pierwiastków bloku d Wybrane pierwiastki bloku d Triada żelazowców Miedziowce – grupa 11 Cynkowce – grupa12 Chrom i jego związki oraz Mangan i jego związki omówione są w osobnych prezentacjach
4 Pierwiastki przejściowePierwiastki zewnątrzprzejściowe Pierwiastki wewnatrzprzejściowe Pierwiastki zewnątrzprzejściowe to pierwiastki bloku energetycznego d - pierwiastki grup pobocznych układu okresowego. Pierwiastki wewnątrzprzejściowe to pierwiastki bloku energetycznego f Do bloku tego należą lantanowce i aktynowce, będące metalami z 3 grupy układu okresowego (6 i 7 okres). LANTANOWCE AKTYNOWCE
5 W obrębie tej samej powłoki najniższa jest energia elektronów obsadzających orbital s, następnie wyższa dla p (identyczna dla wszystkich trzech px, py i pz), dalej analogicznie dla elektronów na orbitalach d i w końcu f. Przyjrzyjmy się pierwiastkom 4 okresu układu okresowego. Konfiguracja elektronowa argonu- (1s22s22p6 2s22p6) (3 okres) Po wypełnieniu orbitalu 3p (argon) powinno nastąpić zapełnianie orbitalu 3d. Tak się jednak nie dzieje!! Orbital 4s gwarantuje niższą energie niż 3d i to on jest wcześniej zapełniany elektronami Konfiguracja elektronowa dla powłoki walencyjnej Ca - : 1s2 2s2p6 3s2p6d 0 4s2 ( grupa 2) Co się dzieje od pierwiastka rozpoczynającego 3 grupę układu - Sc? Po zapełnieniu orbitalu s wyższej powłoki (4s) następuje powrót do powłoki niższej i dalej zgodnie z regułą zapełniane są orbitale typu d (5 orbitali 3d, 10 elektronów w 10 kolejnych pierwiastkach od Sc do Zn). Po wypełnieniu orbitali 3d, dalej zgodnie z regułą wypełniane są orbitale p (3 orbitale 4p, 6 elektronów, od Ga do Kr). Analogicznie dzieje się w obrębie okresu 5 i 6, przy czym w okresie 6, po ulokowaniu na orbitalu 5d jednego elektronu następuje wypełnienie orbitali 4f. Jest to grupa 14 pierwiastków, rozpoczynająca się lantanem (La: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2 p6d10f 0 5s2p6 d1f 0 6s2 ), zwana lantanowcami.
6 Konfiguracje elektronoweBlok d – grupy poboczne Konfiguracje elektronowe Pola zaciemnione oznaczają anomalie Nazewnictwo Grupa 3 - skandowce Grupa 4 - tytanowce Grupa 5 - wanadowce Grupa - chromowce Grupa 7 - manganowce Grupa 8 - żelazowce Grupa 9 - kobaltowce Grupa niklowce Grupa 11 - miedziowce Grupa 12 - cynkowce
7 Ru, Rh, Pd - platynowce lekkie Os, Ir, Pt - platynowce ciężkieDla grup 8-10 właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków w obrębie grupy różnią się znacznie, natomiast są dość zgodne dla triad w obrębie okresu Fe, Co, Ni - żelazowce; Ru, Rh, Pd - platynowce lekkie Os, Ir, Pt - platynowce ciężkie
8 Charakterystyka pierwiastków bloku dSą to pierwiastki rozbudowujące podpowłokę d przy zapełnionej podpowłoce s powłoki walencyjnej wyjątki - korzystniejszy stan energetyczny atomu tzw. promocja: miedź (Cu _ [Ar]3d104s1) chrom (Cr_ [Ar]3d54s1) Elektrony walencyjne w atomach pierwiastków pobocznych rozmieszczone są na dwóch podpowłokach (n-1)d ns Wszystkie są metalami Z wyjątkiem rtęci Hg w temperaturze pokojowej są ciałami stałymi o metalicznym połysku, najczęściej barwy srebrzysto białej lub srebrzysto szarej. miedź Cu – czerwono- brązowa złoto Au – żółte chrom – srebrzysto- niebieski mangan – srebrzysto – różowy tantal – niebiesko –szary cynk – niebiesko - biały
9 Właściwości chemiczne pierwiastków bloku dMała aktywność chemiczna. Metale półszlachetne – srebro; metale szlachetne – złoto, platyna, pallad, iryd. Mała elektroujemność. Tworzenie związków na różnych stopniach utlenienia. niskie stopnie utlenienia – proste kationy wyższe stopnie utlenienia – złożone aniony Z wyjątkiem metali szlachetnych, reagują po podgrzaniu z tlenem. Niektóre w temperaturze pokojowej reagują powoli z parą wodną ulegając korozji. Reakcje z kwasami: aktywniejsze od wodoru wypierają go z kwasów dając sole mniej aktywne od wodoru reagują tylko z kwasami silnie utleniającymi. Mają tendencje do tworzenia kompleksów Związki niektórych metali są barwne w roztworach wodnych jon Cu2+ Fe2+ Fe3+ Mn2+ Cr3+ MnO4- CrO42- Cr2O72- barwa niebieska jasno zielone żółte blado różowe zielone fioletowe pomarańczowe Właściwości te wiążą się z absorpcją światła przez elektrony znajdujące się na częściowo zapełnionej podpowłoce d.
10 Stopnie utlenienia Właściwości kwasowe amfoteryczne i zasadowePierwiastek Stopnie utlenienia Sc III Ti II III IV V II III IV V Cr II III IV VI Mn II IV VII Fe II III Co II Ni Cu I II Zn Zr IV Mo VI Ag I Cd Pt Hg Właściwości kwasowe amfoteryczne i zasadowe W miarę wzrostu wartościowości charakter połączeń tych pierwiastków zmienia się z zasadowego przez amfoteryczny do kwasowego. Połączenia na wyższym stopniu utlenienia utleniaczami, których reaktywność zależy od charakteru środowiska
11 Produkt reakcji z kwasem beztlenowym Produkt reakcji z kwasem Metal Związki z tlenem Związki z aktywnym niemetalem Produkt reakcji z kwasem beztlenowym Produkt reakcji z kwasem utleniającym (HNO3) Produkt reakcji z zasadą(NaOH) Mn MnO2, Mn2O3 MnCl2, MnS MnCl2 Mn(NO3)2 ======== Zn ZnO ZnCl2, ZnS ZnCl2 Zn(NO3)2 Na2[Zn(OH)4] Cr CrO, Cr2O3, CrO3 CrCl2, CrS CrCl2 Cr(NO3)3 Fe FeO, Fe2O3, Fe3O4 FeCl2, FeS FeCl2 Fe2O3 Cu Cu2O, CuO CuCl2, CuS Cu(NO3)2 Ag AgCl, Ag2S AgNO3
12 Wybrane pierwiastki bloku dTRIADA ŻELAZOWCÓW Tworzą ją pierwiastki 8, 9 i 10 grupy okresu IV Są to żelazo (Fe), kobalt (Co) i nikiel (Ni) Właściwości fizyczne: Metale, o dobrej kowalności i ciągliwości temperatura topnienia około 1500°C. W temperaturze pokojowej wszystkie są ferromagnetykami (nikiel traci właściwości ferromagnetyczne już w temperaturze 363°C -temperatura Curie). Właściwości chemiczne: W związkach występują zazwyczaj na +2 i +3 stopniach utlenienia. W szeregu napięciowym metali leżą przed wodorem, wypierają zatem wodór z kwasów. Nie roztwarzają się w stężonym kwasie azotowym(V), ulegając pasywacji (pokrywając się cienką warstewką tlenku, nie dopuszczającą do dalszej reakcji). Tworzą zwiazki o charakterze kompleksów
13 Żelazo i jego właściwościŻelazo występuje w czterech odmianach alotropowych: a, b, g, d Jedynie żelazo a posiada własności ferromagnetyczne. Przemiana alotropowa żelaza a w żelazo b zachodzi w temperaturze 768°C Przemiana alotropowa żelaza b w żelazo g zachodzi w temperaturze 910°C, a w d w temperaturze powyżej 1410°C. bardzo reaktywny, reaguje z kwasami na zimno, łączy się też bezpośrednio z większością niemetali w suchym powietrzu pokrywa się warstwą tlenku (tzw. rdzą) w związkach chemicznych występują głównie na +II, +III stopniu utlenienia oraz +IV, +V i +VI w żelazianach itp. związkach stopień utlenienia II III IV V VI przykład związku FeO Fe2O3 FeO32 - FeO3- FeO42 - charakter chemiczny amfoteryczny kwasowy istnieją tylko w postaci zhydrolizowanych soli własności utleniające rosną Fe(OH)2 – jasno zielony łatwo utlenia się w powietrzu do Fe(OH)3 – brązowy 4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4 Fe(OH)3
14 Schemat wielkiego pieca
15 MIEDZIOWCE – GRUPA 11 SrebroNależą do niej miedź (Cu), srebro (Ag), złoto (Au) Konfiguracja elektronowa powłok walencyjnych (n-1)d10 ns1 sugeruje, że występować powinny jako pierwiastki jednowartościowe. W rzeczywistości często dochodzi do zaangażowania elektronów orbitali d i powstawania związków także dwu- i trójwartościowych. Srebro tworzy głównie związki jednowartościowe, miedź dwuwartościowe a złoto najczęściej występuje jako trójwartościowe. Srebro Nie utlenia się na powietrzu i dlatego występuje w skorupie ziemskiej w stanie rodzimym. W związkach występuje na +1 stopniu utlenienia. Jego powierzchnia czernieje gdyż reaguje z siarkowodorem zawartym w powietrzu: 4 Ag + 2H2S + O2 → 2Ag2S +2H2O Reaguje z siarką, fluorowcami. Nie wypiera wodoru z kwasów, reaguje jedynie z gorącym kwasem azotowym i siarkowym, redukując je do odpowiednich tlenków (podobnie jak miedź). Ag + 4HNO3 → 3AgNO3 + NO + 2H2O Amoniakalny roztwór tlenku srebra Ag2O (Ag(NH3)2OH ) jest używany do reakcji wytwarzania lustra srebrowego (reakcja charakterystyczna dla aldehydów). Halogenki srebra są światłoczułe (w fotografii stosowany jest głównie bromek srebra) i na świetle ciemnieją.
16 Miedź W związkach chemicznych występuje na II, rzadziej na I stopniu utlenienia. Tworzy też związki kompleksowe ( stopień utlenienia III albo IV) W wilgotnym powietrzu atmosferycznym miedź pokrywa się zieloną patyną (zasadowy węglan miedzi(II) – Cu2(OH)2CO3). Pod wpływem działania tlenu suchego powietrza pokrywa się powierzchniowo tlenkiem Cu2O, nadającym jej charakterystyczne czerwonawe zabarwienie. Oba te procesy chronią miedź przed dalszym wpływem czynników atmosferycznych. Nie wypiera wodoru z kwasów – w szeregu elektrochemicznym znajduje się za wodorem ( potencjał dodatni) Wchodzi w reakcję z kwasami utleniającymi (HNO3, st. H2SO4) Związki miedzi na I stopniu utlenienia są nietrwałe i ulegają w roztworach wodnych dysproporcjonowaniu, dając oprócz miedzi niebieskie jony Cu2+ 2Cu+ ↔ Cu2+ + Cu0 Łączy się bezpośrednio z chlorem i siarką
17 Złoto Odporne na działanie większości czynników chemicznych.Rozpuszcza go (roztwarza) dopiero tzw. woda królewska (mieszanina kwasu solnego i azotowego) przeprowadzając w kwas chlorozłotowy HAuCl4. Złoto jest roztwarzane także w zasadowych roztworach cyjanków (w obecności utleniaczy, np. tlenu) tworząc kompleksy cyjanozłocianowe: 4 Au + 8 KCN + O2 + 2 H2O → 4 K[Au(CN)2] + 4 KOH Ze względu na swą niska odporność mechaniczna jest stosowane w postaci stopów, głownie z miedzią. Zawartość złota w jego stopach określa się często w karatach, czyli ilości części wagowych złota w 24 częściach wagowych stopu.
18 CYNKOWCE – GRUPA 12 Cynkowce: Zn (cynk), Cd (kadm), Hg (rtęć) leżą w 12 grupie układu okresowego. Konfigurację elektronów walencyjnych można przedstawić następująco: (n – 1)d10ns2 Ze względu na obecność wypełnionej podpowłoki d, co jest układem bardzo stabilnym, w pierwiastkach tej grupy elektronami walencyjnymi są praktycznie tylko dwa elektrony podpowłoki s. Pierwiastki te występują w związkach na +2 stopniu utlenienia. Cynk i kadm maja potencjały normalne ujemne, rtęć ma potencjał normalny dodatni (+0,8V). Wszystkie cynkowce tworzą kompleksy z udziałem nieobsadzonych orbitali p ostatniej powłoki. Kompleksów nie tworzy jedynie rtęć jednowartościowa. Rtęć Jest pierwiastkiem dość odpornym chemicznie. Występuje na +1 i +2 stopniu utlenienia. Reaguje z siarką oraz chlorowcami. Nie reaguje z kwasami beztlenowymi (dodatni potencjał normalny). Rozpuszcza się w kwasie azotowym(V), stężonym siarkowym(VI) i wodzie królewskiej. Np..rozcieńczony kwas azotowy z nadmiarem rtęci daje azotan rtęci(I): 6Hg + 8HNO3 → 2Hg2(NO3)2 + 2NO + 4H2O
19 Cynk Należy do bardzo reaktywnych metali.W swych związkach jest zawsze dwuwartościowy. Na powietrzu ulega pasywacji, pokrywając się cienką warstewką zasadowego węglanu. Spala się w powietrzu niebieskozielonym płomieniem dając biały tlenek ZnO. Z kwasów wypiera wodór przechodząc w odpowiednią sól. Rozpuszcza się w roztworach ługu tworząc cynkany (pochodne kwasu cynkowego): Zn + 2NaOH + 2H2O ——> H2 + Na2[Zn(OH)4] (lub w formie nieuwodnionej Na2ZnO2) Cynk jest używany do powlekania blach, rur i drutów żelaznych w celu ochrony przeciwkorozyjnej. Będąc metalem aktywniejszym od żelaza, w przypadku uszkodzenia powłoki zabezpieczającej pełni w powstałym mikroogniwie role anody i utlenia się pierwszy, chroniąc żelazo przed korozją.
20 Bibliografia Chemia ogólna i nieorganiczna - M. Litwin Repetytorium z chemii -M. Klimaszewska Właściwości chemiczne metali - dr inż. Krystyna Moskwa