Элементы ib группы

Обновлено: 05.07.2024

(n-1)d 10 ns 1 при ожидаемой (n-1)d 9 ns 2 . Изменение электронной формулы вызвано провалом электрона и образованием завершенного d-подуровня. Вследствие устойчивости конфигурации d 10 для элементов подгруппы меди типичной является степень окисления +1. Кроме этого, возможно проявление более высоких степеней окисления: +2 для меди и +3, +5 для золота.

Медь - довольно распространенный элемент земной коры (0,0036 мол.%), содержание серебра и золота незначительно (1,6×10 -6 и 5×10 -8 мол.%). Основные минералы меди: медный колчедан (халькопирит) - CuFeS₂, медный блеск - Cu₂S, куприт - Cu₂O. Серебро и золото образуют сульфидные минералы, а также встречаются в самородном состоянии.

Медь является биометаллом, входит в состав гемоцианина - переносчика кислорода в крови моллюсков. Известно около 30 белков и ферментов, в состав которых также входит катион меди.

Медь имеет красную окраску, серебро - белый металл, золото - металл желтого цвета. Медь, серебро и особенно золото отличаются высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью.

Свойства	Cu	Ag	Au
Плотность, г/см 3	9,94	10,5	19,3
Т.пл., °С

Медь широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, печатных плат и контактов, в металлургии для получения разнообразных сплавов (латунь, бронза, монетные сплавы), в химической промышленности в качестве катализатора. Значительная часть серебра и золота в виде сплавов идет на изготовление монет и ювелирных изделий. Кроме этого, серебро и золото широко применяются в радиотехнике и электронике для изготовления контактов. Серебро применяется при изготовлении химической аппаратуры для работы в агрессивных средах. Коллоидное серебро используется в некоторых медицинских препаратах. Золото - основной валютный металл.

Медь - довольно инертный металл, хотя при нагревании реагирует с кислородом, серой и галогенами:

При высокой температуре медь реагирует также с фосфором, мышьяком, кремнием, углеродом с образованием соединений нестехиометрического и переменного состава (бертолидов).

В ряду стандартных электродных потенциалов медь стоит после водорода, поэтому с кислотами, не являющимися окислителями, не реагирует. Металлическая медь растворяется в азотной и концентрированной серной кислоте. Легко растворяется медь также в растворах цианидов, в аммиаке и растворах солей железа(III):

Серебро и золото - химически весьма инертны. Серебро при нагревании реагирует с галогенами, серой, фосфором и углеродом с образованием AgHal, Ag₂S, Ag₃P, Ag₄C. Во влажном воздухе уже при комнатной температуре серебро реагирует с сероводородом:

Золото легко реагирует с галогенами (с хлором в присутствии влаги уже на холоду):

С кислородом, серой, азотом и бором золото не реагирует, при нагревании вступает во взаимодействие с теллуром и фосфором, образуя AuTe₂, Au₃P₄.

Серебро растворимо в азотной и концентрированной серной кислотах. Золото - в царской водке (смесь концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1:3):

Серебро и золото легко растворяются в растворах цианидов щелочных металлов в присутствии окислителей:

Соединения в степени окисления +1 наиболее характерны для серебра. У меди и особенно у золота данная степень окисления проявляется реже. Бинарные соединения меди(I) и серебра(I) (оксиды, сульфиды, галогениды) - кристаллические вещества, малорастворимые в воде. Из солей серебра(I) хорошо растворимы в воде нитрат и перхлорат. Оксиды меди(I) и серебра(I) амфотерны, гидроксиды - нестабильны. Медь(I) и серебо(I) образуют устойчивые комплексные ионы как катионного, так и анионного типа, в которых обычно проявляют координационное число 2:

Соединения меди, и особенно золота, в степени окисления +1 - сильные восстановители и легко окисляются уже кислородом воздуха:

Степень окисления +2 характерна только для меди, которая образует бинарные соединения (оксид, галогениды и пр.), гидроксид, разнообразные соли и координационные соединения. Оксид и гидроксид меди(II) амфотерны и растворяются как в кислотах, так и в щелочах:

Гидроксид меди(II) термически неустойчив:

Из солей меди(II) хорошо растворимы в воде хлорид, нитрат, сульфат. Иодид и цианид меди(II) нестабильны, поскольку анионы окисляются катионом меди:

Наиболее широко из солей меди применяется медный купорос - CuSO₄×5H₂O. В основном он используется для производства минеральных красок и для борьбы с вредителями и заболеваниями растений.

Степень окисления +3 наиболее характерна для золота. Золото(III) образует галогениды, амфотерный гидроксид и разнообразные координационные соединения анионного типа.

29.2 Элементы IIB-подгруппы (подгруппы цинка)

Цинк, кадмий и ртуть имеют общую электронную формулу (n-1)d 10 ns 2 и завершают ряды d-элементов. Устойчивость завершенной d-оболочки обуславливает проявление этими элементами степени окисления +2. Ртуть может проявлять также степень окисления +1 за счет образования катиона [Hg-Hg] 2+ . Завершенность предвнешнего уровня роднит элементы подгруппы цинка с непереходными металлами. В тоже время цинк, кадмий и ртуть подобно переходным металлам склонны к образованию координационных соединений.

Цинк - распространенный элемент (0,0015 мол. %). Основные минералы цинка: цинковая обманка или сфалерит - ZnS, смитсонит - ZnCO₃. Кадмий и ртуть - элементы редкие, но образуют рудные месторождения: гринокит - CdS, киноварь - HgS. Ртуть встречается в самородном состоянии.

Цинк - биометалл, входит в состав инсулина (гормона поджелудочной железы) и некоторых ферментов, например, карбоангидразы.

В виде простых веществ цинк, кадмий и ртуть - серебристо-белые металлы, ртуть при комнатной температуре находится в жидком состоянии.

Свойства	Zn	Cd	Hg
Плотность, г/см 3	7,1	8,7	13,55
Т.пл., °С	-38,9

Металлический цинк в основном применяется для нанесения защитных покрытий (цинкование) и производства сплавов, основным из которых является латунь (медь + цинк). Значительное количество цинка используется для получения других металлов металлотермическим методом. Кадмий используют в атомной энергетике как поглотитель нейтронов (регулирующие стержни), а также для производства легкоплавких и типографских сплавов. Ртуть применяют в измерительных приборах, установках для собирания газов, электролизерах (жидкий катод), а также в металлургии для извлечения золота и серебра методом амальгамирования.

Цинк - довольно активный металл. При нагревании он легко окисляется кислородом, галогенами и другими неметаллами, образуя бинарные соединения:

При температуре 150 °С цинк реагирует с парами воды с выделением водорода:

По отношению к неметаллам кадмий и ртуть напоминают цинк. Ртуть отличается большим сродством к сере и йоду, с которыми она реагирует уже при комнатной температуре. Азот, фосфор, углерод, кремний и бор с ртутью непосредственно не взаимодействуют. Ртуть растворяет многие металлы с образованием жидких или твердых сплавов - амальгам.

В ряду стандартных электродных потенциалов цинк и кадмий стоят левее водорода, поэтому они энергично растворяются в растворах кислот (кадмий менее активен). Ртуть в ряду стандартных электродных потенциалов стоит правее водорода, поэтому растворяется только в кислотах - окислителях по аниону, например:

Цинк, в отличие от кадмия и ртути, легко растворим в щелочах:

Цинк и кадмий образуют оксиды и гидроксиды, обладающие амфотерными свойствами (у соединений кадмия преобладают основные свойства), а также бинарные соединения с неметаллами. Оксид ртути обладает основными свойствами, термически нестоек:

Гидроксиды цинка и кадмия растворимы в аммиачных растворах за счет образования устойчивых координационных соединений:

Гидроксид ртути неизвестен. При действии аммиака на другие соединения ртути обычно образуются амидные производные:

Для металлов подгруппы цинка известно большое число солей, из которых малорастворимы фториды, карбонаты (неизвестен для ртути), а также HgBr₂ и HgI₂. Цинк и в меньшей степени кадмий образуют координационные соединения как катионного, так и анионного типа.

Для ртути(I) описаны оксид - Hg₂O (черного цвета), галогениды, например, Hg₂Сl₂ (каломель) и некоторые соли. Хорошо растворим нитрат ртути(I) - Hg₂(NO₃)₂×2H₂O, являющийся основным соединением при получении производных ртути(I). Производные катиона Hg₂ 2+ склонны к диспропорционированию:

Пары ртути и ее соединения чрезвычайно токсичны! Весьма ядовиты также соединения кадмия.

Литература: [1] с. 551 - 563, 599 - 608, [2] с. 550 - 554, [3] с. 585 - 602

грунпу периодической системы входят медь, серебро и золото. Хотя все они являются предпоследними членами декад ^/-элементов в своих периодах, атомы их содержат на ^/-подуровне не 9, а 10 электронов, т.е. имеют вследствие проскока электронную конфигурацию т х (п - 1 )d ] °, более устойчивую, чем ns 2 (n - 1 )сР.

Подобно элементам IA-подгруппы, медь, серебро и золото имеют по одному электрону на 5-подуровне внешнего уровня, но очень мало похожи на щелочные металлы. Они сходны с предшествующими элементами VIIIB-подгруппы. Например, серебро похоже на палладий.

Несмотря на то, что ^/-подуровень предпоследнего уровня в атомах меди, серебра и золота заполнен до конца, он еще не вполне стабилен. От него могут отрываться два электрона (помимо 5-электрона внешнего уровня). Поэтому эти элементы могут проявлять степени окисления от +1 до +3, что не соответствует номеру группы в периодической системе. В действительности для меди наиболее характерна степень окисления +2 (+1 малохарактерна), для серебра +1 и для золота +3 (+1 — в комплексных соединениях).

Некоторые физические константы и свойства металлов представлены в табл. 15.1.

Группа IB (11-я) Периодической системы состоит из трех элементов с нечетными атомными номерами: медь 29С11, серебро ₄₇Ag и золото 79AU, которые иногда называют «монетными металлами», поскольку в древности их использовали в качестве денег, а затем из сплавов чеканили монеты. В основном состоянии атомы имеют электронную конфигурацию (п - l)d i0 ns Радиусы атомов закономерно возрастают от меди к серебру, радиусы атомов серебра и золота равны за счет лантаноидного сжатия. Химическая активность элементов уменьшается с возрастанием порядкового номера. Устойчивой степенью окисления для меди является (+2), для серебра — (+1), для золота — (+3) (табл. 25.1).

Валентные электроны –s- и d- (кроме IIB и Pd).Это металлы, следовательно в соединениях - металлическая связь. Обладают высокой прочностью, твердостью, тепло- и электропроводностью, высокие температуры кипения и плавления, малые значения энергии ионизации. Биологически активны. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства зависят от степени окисления атома.

изменеия свойств в периодах и группах

Характеризуются значительным горизонтальным сходством. В подгруппах первый элемент значительно отличается от остальных, второй и третий – очень похожи по свойствам.

IIIB	IVB	VB	VIB	VIIB	VIIIB
IB	IIB

Ослабление сходства с элементами главных подгрупп.

В периоде слева направо – рост энергии связи в простых веществах, уменьшение восстановительной активности (кроме IIB), увеличение устойчивости соединений высших степеней окисления.

В группе – те же характеристики аналогично изменяются в направлении сверху вниз, в отличие от элементов главных подгрупп (кроме IIIB).

Несоблюдение общих закономерностей

1. Для подгруппы цинка (IIB) – граничит с р-элементами и похожа на них по свойствам.

2. Для подгруппы скандия (IIIB) – граничит с s-элементами и похожа на них по свойствам.

Зависимость свойств соединений степени окисления

Показатель	Степень окисления в соединениях
низшая	промежуточная	высшая
Характер связи	Близка к ионной	Ионная со значительной долей ковалентной	Ковалентно-полярная
Свойства ЭО и ЭОН	Основные	Амфотерные (с.о.=+3,+4)	Кислотные
Редокс-свойства	Только восстановительные	Двойственные, соединения нестойки, склонны к диспропорционированию	Только окислители
Сходства и различия в свойствах	Значительное различие в свойствах соединений p- и d-элементов одной степени окисления (Mn +2 и CI +2 )	Большое сходство в свойствах соединений p- и d-элементов одной степени окисления (Sc и AI, Ti и Sn, V и Sb, Cr и S, Mn и CI)

Химия металлов IB группы

К этой группе относятся: медь, серебро, золото. Электронное строение: Cu: 3d 10 , 4s 1 ; Ag: …4d 10 , 5s 1 ; Au: 5d 10 , 6s 1 . Возможные степени окисления: для Cu: +1, +2, +3; для Ag: +1, +2, +3; для Au: +1, +3

8.1.1. Способы получения

Медь – 1) из ее природных сернистых руд, пирометаллургический:

2FeCuS₂+5O₂+2SiO₂ 2Cu+2FeSiO₃+4SO₂ – получают черновую медь, высокочистую медь: 1)гидрометаллургический:

CuSO₄+Fe=Cu+FeSO₄ или электролизом.

Серебро – комплексная переработка полиметаллических руд.

Золото – из золотоносных пород 1) цианидный метод: Au+8NaCN+O₂+2H₂O=4Na[Au(CN)₂]+4NaOH

2) промывка водой или растворение золота в ртути с последующей разгонкой амальгамы.

8.1.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Химическая активность невелика и в ряду Cu-Au уменьшается. Взаимодействуют с галогенами: Cu+CI₂(Br, F)=CuCI₂; 2Cu+I₂=2CuI

С кислородом только медь: 2Cu+O₂ 2CuO (t=500 o C); 4Cu+O₂ 2Cu₂O (t>800 o C)

С азотом, углеродом, водородом – не реагируют. С металлами образуют сплавы. С фосфором: 3Cu+P=Cu₃P; Ag+2P=AgP₂, AgP₃; 2Au+3P=Au₂P₃.

Из растворов разбавленных кислот водород они не вытесняют. С конц. HCI взаимодействует только медь:

Медь и серебро легко растворяются в кислотах-окислителях: 3Cu+8HNO_3(разб) 3Cu(NO₃)₂+2NO+4H₂O

Для золота лучшими растворителями являются насыщенный хлором раствор HCI и царская водка (3HCI+HNO₃):

По отношению к воде и щелочам в отсутствие окислителей устойчивы. Для металлов характерно образование комплексных соединений:

Au и Ag взаимодействуют в присутствии кислорода (см. получение).

8.1.3. СОЕДИНЕНИЯ элементов

Устойчивость бинарных соединений в ряду Cu-Au растет.

С водородом (гидриды): известен только гидрид меди CuH. Получают действием алюмогидрида лития на CuI в эфироном растворе: 4CuJ+LiAIH₄=4CuH+LiJ+AIJ₃. Он нестоек, разлагается при нагревании, действии света, легко окисляется на воздухе:

С галогенами (галогениды): при обычных условиях – твердые вещества, плохо растворимы в воде (кроме AgF, CuF₂, AuF₃, AuI₃).

Большинство галогенидов склонны к комплексообразованию с галогенводородными кислотами, галогенидами щелочных металлов и аммиаком:CuГ+НГ Н[СuГ₂] (г=F,CI,Br,J)

С кислородом (оксиды): твердые окрашенные вещества, практически нерастворимые в воде. Получение: CuO: 1) термическое разложение: (CuOH)₂CO₃ 2CuO+CO₂+H₂O

2) прокаливание на воздухе: 2Cu+O₂ 2CuO (t=500 о С)

Ag₂O –основной оксид, оксиды меди и золота проявляют амфотерные (у Cu₂O и CuO – сильнее выражен основной характер).

Известны только гидроксиды Cu (I, II) и Au (III). AgOH существует только в разбавленном растворе. При обычных условиях – это твердые окрашенные вещества, практически нерастворимые в воде, термически нестойки. Cu(OH)₂ и Au(OH)₃ получают при взаимодействии их солей со щелочами. Гидроксиды меди и золота проявляют амфотерный характер, AgOH – сильное основание. При взаимодействии со щелочами образуются анионные комплексы: гидроксокупраты (I, II) и гидроксоаураты; при растворении в кислотах Cu(OH)₂ может образовывать как катионные, так и анионные комплексы, Au(OH)₃ – только анионные: CuOH+HCI=CuCI+H₂O

Гидроксиды меди растворяются в водном растворе аммиака: Cu(OH)₂+4NH3®[Cu(NH₃)₄](OH)₂

Применение: Серебро и золото – в радиоэлектронике и электротехнике, на изготовление украшений, в качестве катализаторов а различных органических синтезах. Серебро – в реактивной и космической технике, в производстве зеркал оптических приборов. Медь – для изготовления электропроводов, т.к. высокая электропроводность и прочность. Широкое применение находят сплавы меди (латунь (с цинком), бронза (с оловом), медноникелевые). Ряд соединений меди применяется в сельском хозяйстве, бромид серебра – на изготовление фотобумаги и фотопленки.

Читайте также: