Номер 1, страница 8, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Какие химические элементы называют $\text{d}$-элементами? Где они расположены в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева? Каковы их свойства? Ответы поясните примерами.

Какие химические элементы называют d-элементами?

d-элементами называют химические элементы, у атомов которых происходит заполнение электронами d-подуровня предвнешнего (второго снаружи) электронного слоя. Электронная конфигурация валентных электронов этих элементов в общем виде записывается как $(n-1)d^{1-10}ns^{1-2}$, где $\text{n}$ — номер внешнего энергетического уровня (номер периода). Например, элемент скандий ($Sc$), расположенный в 4-м периоде, имеет порядковый номер 21. Его электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^14s^2$. У него начинает заполняться 3d-подуровень, поэтому он является d-элементом. Другой пример — железо ($Fe$), порядковый номер 26: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^64s^2$. Его валентные электроны находятся на 3d- и 4s-орбиталях, а последним по энергии заполняется именно 3d-подуровень.

Где они расположены в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева?

d-элементы расположены в центральной части Периодической системы Д. И. Менделеева, между s- и p-элементами. Они занимают побочные подгруппы (Б-группы) в короткопериодном варианте таблицы или группы с 3 по 12 в длиннопериодном варианте. Эти элементы появляются начиная с четвертого периода. Первый ряд d-элементов включает элементы от скандия ($Sc$) до цинка ($Zn$). Второй ряд — от иттрия ($\text{Y}$) до кадмия ($Cd$), третий — от лантана ($La$) и гафния ($Hf$) до ртути ($Hg$). Элементы побочных подгрупп также называют переходными металлами.

Каковы их свойства?

Свойства d-элементов и их соединений очень разнообразны, но можно выделить несколько общих характерных черт.

1. Все d-элементы являются металлами. Они, как правило, обладают высокой плотностью, тугоплавкостью, твердостью и хорошей электро- и теплопроводностью. Например, железо ($Fe$) и хром ($Cr$) — твердые металлы, используемые в производстве сталей. Медь ($Cu$) и серебро ($Ag$) — отличные проводники электрического тока. Вольфрам ($\text{W}$) имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов.

2. Проявление переменных степеней окисления. Это одна из самых важных особенностей d-элементов. Она обусловлена близкими значениями энергий $(n-1)d$ и $ns$ электронов, поэтому в образовании химических связей могут участвовать электроны не только внешнего, но и предвнешнего уровня. Например, марганец ($Mn$) может проявлять степени окисления от +2 (в оксиде $MnO$) до +7 (в перманганате калия $KMnO_4$). Железо ($Fe$) образует устойчивые соединения со степенями окисления +2 (например, $FeCl_2$) и +3 (например, $FeCl_3$).

3. Способность образовывать окрашенные ионы и соединения. Большинство соединений переходных металлов имеют окраску. Это связано с тем, что в ионах d-элементов имеются частично заполненные d-орбитали. Электроны могут поглощать кванты света определенной энергии и переходить на более высокие по энергии d-орбитали. Цвет соединения определяется теми длинами волн видимого света, которые не поглощаются. Например, гидратированный ион меди(II) $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ (в растворе $CuSO_4$) имеет голубую окраску, дихромат калия $K_2Cr_2O_7$ — оранжевую, а перманганат калия $KMnO_4$ — тёмно-фиолетовую. Исключениями являются соединения элементов с полностью заполненным ($d^{10}$, например, ионы $Zn^{2+}$) или пустым ($d^0$, например, ионы $Sc^{3+}$) d-подуровнем, которые, как правило, бесцветны.

4. Высокая каталитическая активность. Многие d-элементы и их соединения являются эффективными катализаторами. Это связано с их способностью изменять степень окисления и образовывать промежуточные соединения с реагентами, тем самым снижая энергию активации реакции. Примеры: железо ($Fe$) используется как катализатор в синтезе аммиака, оксид ванадия(V) $V_2O_5$ — в производстве серной кислоты, никель ($Ni$) — в процессах гидрирования.

5. Склонность к комплексообразованию. Ионы d-элементов легко образуют координационные (комплексные) соединения. Это обусловлено наличием у них свободных d-орбиталей, способных принимать электронные пары от молекул или ионов (лигандов), а также их малым радиусом и высоким зарядом. Например, при добавлении аммиака к раствору соли меди(II) образуется ярко-синий комплексный ион тетраамминмеди(II) $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$. Другой пример — ион гексацианоферрат(III) $[Fe(CN)_6]^{3-}$.

Ответ: d-элементами называют элементы, у атомов которых заполняется электронами d-подуровень предвнешнего электронного слоя. В Периодической системе они расположены в побочных подгруппах (группы 3–12), начиная с 4-го периода, и также известны как переходные металлы. Ключевые свойства d-элементов, являющихся металлами: способность проявлять переменные степени окисления (например, у $Fe$ +2 и +3; у $Mn$ от +2 до +7), образование окрашенных соединений (например, синий $CuSO_4$, оранжевый $K_2Cr_2O_7$) и комплексных ионов (например, $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$), а также проявление высокой каталитической активности (например, $Fe$, $Ni$, $V_2O_5$ в различных промышленных процессах).