Первый ряд переходных металлов

Итак, мы добрались до четвёртой строки. За аргоном следует первый элемент четвёртой строки — калий (K). Атом K имеет один 4 s -электрон сверх конфигурации аргона. Теперь уже ясно, что он будет образовывать ионы K¹⁺, чтобы вернуться к замкнутой конфигурации электронной оболочки аргона. В твёрдом виде калий является металлом и проводит электричество. Соль KCl является небольшой составляющей морской соли, которая в основном представлена солью NaCl. Соль KCl растворяется в воде, образуя ионы K¹⁺ и Cl^1−. За K следует кальций (Ca), который имеет два 4 s -электрона сверх конфигурации аргона. Это металл, который образует ионы Ca²⁺, отдавая два своих 4 s -электрона, чтобы получить замкнутую конфигурацию электронной оболочки аргона. Он образует такие соли, как CaCl₂, которая легко растворяется в воде, образуя катион кальция с зарядом +2 и два хлорид-иона.

И вот теперь у нас происходит большое изменение. На диаграмме энергетических уровней электронов атомов (см. рис. 11.1) видно, что 3 d -орбитали расположены выше по энергии, чем 4 s -орбитали, но ниже 4 p -орбиталей. Как уже говорилось ранее в этой главе, промежуточное положение 3d-орбиталей между 4s- и 4p-орбиталями приводит к появлению первого ряда переходных металлов в Периодической таблице. Существует пять 3 d -орбиталей. Принцип Паули гласит, что на каждой орбитали может быть не более двух электронов. Тогда на пяти 3 d -орбиталях может находиться десять электронов, что приводит к появлению десяти переходных металлов — от скандия до цинка (см. Периодическую таблицу). Поэтому после Ca идут десять элементов, которые появляются за счёт заполнения 3 d -орбиталей. Все они являются металлами, многие из которых широко известны: железо (Fe), медь (Cu), никель (Ni), цинк (Zn) и хром (Cr). Все они легко образуют ионы. Первые два элемента в строке, такие как K и Ca или Na и Mg, всегда образуют катионы с одним конкретным зарядом: +1 для первого столбца (Na¹⁺ и K¹⁺) и +2 — для второго (Mg²⁺ и Ca²⁺). Однако переходные металлы могут образовывать различные катионы. О них говорят, что они имеют состояния с разной степенью окисления. Когда металл отдаёт электрон, то говорят, что он окисляется. Состояние окисления определяется числом отданных электронов.

Рассмотрим железо. Оно может иметь степень окисления +2 и +3, то есть образует катионы Fe²⁺ и Fe³⁺. Образование Fe²⁺ легко понять. Fe может, подобно Ca, потерять два своих 4 s -электрона, приобретя степень окисления +2. Кроме того, Fe имеет шесть 3 d -электронов. В соответствии с правилом Хунда эти электроны будут оставаться по возможности неспаренными. Пять электронов могут по одному занять пять 3 d -орбиталей. Это наполовину заполненная конфигурация является частично стабильной. Железо содержит ещё один 3 d -электрон сверх этой конфигурации с наполовину заполненными 3 d -орбиталями, так что атом Fe будет легко расставаться с этим 3 d -электроном в дополнение к двум 4 s -электронам, приобретая степень окисления +3. Поэтому Fe может образовывать такие соли, как FeCl₂ и FeCl₃.

Кроме того что 3 d -электроны порождают первый ряд переходных металлов, они также ответственны за ещё одно важное молекулярное явление. Как уже говорилось, кислород будет образовывать две ковалентные связи (использовать совместно с другими атомами два электрона), чтобы достичь электронной конфигурации Ne. Пример тому — молекула воды H₂O. Сера, которая расположена прямо под кислородом, образует соединение H₂S, аналогичное H₂O. Однако она также может образовывать соединение SF₆, задействуя 3 d -орбитали, которые близки по энергии к 3 p -орбиталям. У кислорода нет подобных соединений, поскольку первый набор орбиталей (3 d) расположен значительно выше по энергии, чем 2 s - и 2 p -орбитали, которые участвуют в образовании связей у элементов второй строки Периодической таблицы.

Первая серия переходных металлов завершается, когда заполнены все 3 d -орбитали. Далее следует элемент галлий (Ga). Ga — это металл, и, подобно алюминию, он будет образовывать ионы с зарядом +3. Конфигурация, в которой 3 d -орбитали целиком заполнены, является очень устойчивой, поэтому Ga образует только катионы с зарядом +3. Стабильность заполненных 3 d -орбиталей также можно наблюдать на примере цинка. Zn образует только ионы с зарядом +2, отдавая два своих 4 s -электрона. Вслед за Ga идут германий (Ge), мышьяк (As) и селен (Se), которые обычно образуют четыре, три и две ковалентные связи соответственно, чтобы получить замкнутую конфигурацию электронной оболочки, как у криптона (Kr). Дополнительные связи у Ge, As и Se, как и у элементов, расположенных непосредственно над ними, могут создаваться за счёт 4 d -электронов, которые очень близки по энергии 4 p -орбиталям. Следующий элемент — бром — является галогеном и образует анион с зарядом −1, чтобы достичь замкнутой конфигурации оболочки криптона. И наконец, завершает строку криптон, обладающий замкнутой оболочкой.