Тема 3. Свойства элементов viiib группы и их соединений

Библиографический список: [1, с. 276–284; 2; 3, с. 349–352]

3.1. Теоретические сведения

Общая характеристика. Элементы VIIIB группы образуют триады d-эле­ментов, расположенные в середине больших периодов: железо(Fe), кобальт (Co), никель (Ni) – в четвертом; рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Pd) – в пятом; осмий (Os), иридий (Ir), платина (Pt) – в шестом.

Fe, Co, Ni, очень близкие по свойствам, образуют семейство (триаду) железа; Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt объединяют в семейство платиновых металлов.

На s-орбиталях внешнего слоя атомы всех девяти элементов содержат не более двух электронов, поэтому для них характерно проявление металлических свойств. Высшая степень окисления +8, отвечающая номеру группы периодической системы, проявляется лишь у Ru и Os (в высших оксидах RuO₄ и OsO₄) – у остальных элементов степени окисления, как правило, не выше +6.

Характерные степени окисления для железа: +2 (соли Fe⁺²), +3 (соли Fe⁺³), +6 (соли H₂FeO₄); для кобальта: +2 (соли Со⁺²), +3 (комплексы Со⁺³); для никеля: +2 (соли Ni⁺²), +3 (Ni(OH)₃). Атомные характеристики элементов приведены в табл. 14.

В атоме железа два парных s- и 4 неспаренных d-электрона. Из двух s-электронов при возбуждении атома один переходит в p-состояние (Fe*):

^{4s 4р 4s 4р}

  

^{3d 3d}

Fe      Fe*     

– реализуется наивысшая степень окисления железа +6.

У Co, Rh и Ir, а также Ni, Pd, Pt происходит дальнейшее спаривание d-электронов и стабилизация d-подуровня:

^{4s 4р 4s 4р}

 

^{3d 3d}

Co      Ni     

Атомы Fe, Co, Ni легче всего отдают по два электрона наружного электронного слоя с образованием соединений со степенью окисления +2. При образовании соединений со степенью окисления больше +2 принимают участие электроны 3d-подуровня.

Ион Fe³⁺ легко образуется, вероятно, вследствие повышенной стабильности наполовину заполненной d-оболочки (d⁵ – конфигурация иона Fe³⁺).

Таблица 14

Атомные характеристики элементов

Элемент	Fe	Со	Ni
Атомный номер	26	27	28
Ковалентный радиус, нм	0,117	0,116	0,115
Металлический радиус, нм	0,126	0,125	0,124
Радиус иона, нм Э2+ Э3+	0,078 0,065	0,076 0,061	0,069 0,060
Электроотрицательность	1,64	1,70	1,75
Первый потенциал ионизации, В	7,893	7,866	7,635
Степени окисления (выделены наиболее устойчивые)	+2,+3,+6	+2,+3	+2,+3,+4

Элементы Fe, Ru, Os, а также Co, Rh, Ir и Ni, Pd, Pt являются электронными аналогами и близки между собой по свойствам. Вследствие лантаноидного сжатия особо близки свойства пар Ru – Os, Rh – Ir, Pd – Pt.

По мере заполнения (n–1)d – орбиталей вторым электроном усиливается также сходство соседних d-элементов по периоду.

Так, Fe проявляет сходство с Mn, a Ni проявляет большое сходство как с Со и Fe, так и с Cu.

Железо, кобальт, никель – серебристо-серые металлы, тугоплавкие, тяжелые. Они обладают превосходными механическими свойствами, образуют многочисленные сплавы друг с другом, с другими металлами – Cr, Mn, Mo и с неметаллами. Нержавеющие стали используют для изготовления медицинских инструментов, химической аппаратуры.

В природе железо, кобальт и никель редко встречаются в свободном состоянии (только в метеоритах) и широко распространены в виде соединений (оксидов, сульфидов, карбонатов, арсенидов, силикатов). Основные физико-химические свойства данных металлов представлены в табл. 15.

Таблица 15