ibrain.kz
RUKZ
Предыдущая тема|Следующая: Зеленая химия, химическая технология и промышленный синтез: аммиак, серная кислота и принципы устойчивого развития
Химия · 11 класс4 четвертьТема 9Лабораторная работаГОСО РК 2026Базовый

Переходные металлы (d-элементы): переменная валентность, координационные комплексные соединения, каталитические свойства

Изучение электронного строения d-элементов (Fe, Cu, Cr, Mn), переменных степеней окисления, координационной теории Вернера, геометрии и окраски комплексных ионов, катализа.

Время изучения~45 минтеория + практика
Разделы темы3 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ4 четвертьдескрипторы ГОСО
Раздел 1 из 3
1

Особенности строения атомов d-элементов

Переходными металлами (d-элементами) называют элементы побочных подгрупп периодической системы, у которых идет последовательное заполнение внутренних (n-1)d-подоболочек при наличии электронов на внешнем ns-подуровне. Близость энергий (n-1)d и ns подуровней обуславливает ключевые особенности d-элементов: 1) способность проявлять множество переменных степеней окисления (у марганца от +2 до +7, у хрома от +2 до +6); 2) образование ярко окрашенных гидратированных и комплексных ионов за счет d-d электронных переходов; 3) парамагнетизм многих соединений из-за неспаренных d-электронов; 4) высокая каталитическая активность металлов и их оксидов.

Схема: d-Элементы и координационные комплексные соединения

Анимированная модель
ЯдроZ p⁺, N n⁰K (2e⁻)L (8e⁻)M (18e⁻)Квантовые подуровниss-орбиталь (сфера, 1 орб)p-орбиталь (гантель, 3 орб)Электронная формула: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶
Комплексообразователь (центральный ион), лиганды, координационное число; аммиакаты меди [Cu(NH₃)₄]²⁺ и железогексацианиды.
Понятие

Провал электрона

Самопроизвольный переход электрона с внешнего ns-подуровня на предвнешний (n-1)d-подуровень для образования стабильной наполовину (d5 у Cr) или полностью (d10 у Cu) заполненной оболочки.
Понятие

d-d расщепление

Расщепление энергетических уровней d-орбиталей в кристаллическом поле лигандов, определяющее поглощение света в видимой области спектра и окраску соединений.

Кислотно-основная эволюция d-элементов

С ростом степени окисления d-металла основные свойства оксидов и гидроксидов закономерно сменяются кислотными: CrO (основный, Cr2+) -> Cr2O3 (амфотерный, Cr3+) -> CrO3 (кислотный оксид, хромовый ангидрид, Cr6+).

Шаг 1
Действие 1
Записать полную и сокращенную электронную конфигурацию атома переходного металла.
Шаг 2
Действие 2
Учесть возможность «провала» электрона (у Cr, Cu, Mo, Ag, Au).
Шаг 3
Действие 3
Определить высшую степень окисления, равную сумме неспаренных d-электронов и внешних s-электронов.
Электронные конфигурации хрома и меди с провалом электрона
24Cr:[Ar] 3d5 4s1,29Cu:[Ar] 3d10 4s1_{24}\text{Cr}: [\text{Ar}]\,3d^5\,4s^1, \qquad _{29}\text{Cu}: [\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1
Повышенная стабильность конфигураций d5 и d10 объясняет переход одного s-электрона.
Раздел 2 из 3
2

Координационная теория Вернера и комплексные соединения

Согласно координационной теории А. Вернера, в центре комплексного соединения находится комплексообразователь (центральный атом, чаще всего катион d-металла), вокруг которого координированы лиганды (нейтральные молекулы H2O, NH3, CO или анионы CN-, Cl-, OH-, образующие донорно-акцепторные связи). Комплексообразователь и лиганды составляют внутреннюю сферу комплекса, заключаемую в квадратные скобки. Ионы, нейтрализующие заряд комплексного иона, образуют внешнюю сферу. Число донорных атомов лигандов, непосредственно связанных с комплексообразователем, называют координационным числом (КЧ, наиболее типичные 4 и 6).

Понятие

Комплексообразователь

Центральный атом или ион (акцептор неподеленных пар), имеющий свободные орбитали подходящей симметрии и энергии.
Понятие

Лиганды

Молекулы или анионы (доноры электронных пар), содержащие хотя бы одну неподеленную пару электронов (монодентатные: NH3, Cl-; бидентатные: оксалат, этилендиамин; полидентатные хелаторы: ЭДТА).

Хелатирование и гемоглобин

Хелатные комплексы — соединения с клешневидными полидентатными лигандами. Они отличаются колоссальной термодинамической устойчивостью. Природными хелатами являются гем гемоглобина (комплекс Fe2+ с порфирином) и хлорофилл (комплекс Mg2+).

Шаг 1
Действие 1
Определить заряд внутренней сферы как алгебраическую сумму зарядов комплексообразователя и лигандов.
Шаг 2
Действие 2
Подобрать противоионы внешней сферы для компенсации заряда.
Шаг 3
Действие 3
Назвать комплекс: лиганды (с приставками ди-, тетра-, гекса-) + комплексообразователь + степень окисления.
Строение комплекса сульфата тетраамминмеди(II)
[Cu(NH3)4]⏟внутренняя сфера (катион)SO4⏟внешняя сфера,КЧ=4\underbrace{[\text{Cu}(\text{NH}_3)_4]}_{\text{внутренняя сфера (катион)}}\underbrace{\text{SO}_4}_{\text{внешняя сфера}}, \quad \text{КЧ} = 4
Связи Cu-N донорно-акцепторные, внешняя сфера связана ионной связью.
Раздел 3 из 3
3

Каталитические свойства соединений d-металлов

Переходные металлы и их оксиды являются основой гетерогенного и гомогенного катализа в современной химической промышленности. Их непревзойденная каталитическая активность обусловлена наличием свободных d-орбиталей, способных образовывать промежуточные лабильные комплексы с реагентами, активировать прочные химические связи (в молекулах H2, N2, CO, C2H4) и быстро изменять степень окисления в цикле реакции с регенерацией катализатора.

Понятие

Гетерогенный катализ

Каталитический процесс, где катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах; протекает через хемосорбцию на активных центрах поверхности d-металла.
Понятие

Промышленные катализаторы

Мелкодисперсное пористое железо Fe с промоторами (Al2O3, K2O) — синтез аммиака; V2O5 — контактное окисление SO2 в SO3; губчатая платина Pt — окисление аммиака до NO.

Каталитические яды

Активность d-металлических катализаторов катастрофически снижается при контакте с каталитическими ядами (соединения мышьяка As, серы H2S, угарный газ CO, соли свинца Pb), которые необратимо блокируют активные d-центры.

Шаг 1
Действие 1
Идентифицировать переходный металл и его свободные d-орбитали.
Шаг 2
Действие 2
Описать стадию хемосорбции реагента на поверхности катализатора с ослаблением химических связей.
Шаг 3
Действие 3
Записать промежуточные ОВР превращения катализатора и вывод продуктов реакции.
Цикл окисления SO2 на пентаоксиде ванадия(V)
SO2+V2O5→SO3+2VO2,2VO2+12O2→V2O5\text{SO}_2 + \text{V}_2\text{O}_5 \to \text{SO}_3 + 2\text{VO}_2, \quad 2\text{VO}_2 + \frac{1}{2}\text{O}_2 \to \text{V}_2\text{O}_5
Ванадий легко переходит между степенями окисления +5 и +4.
Ваш прогресс по теме25%
Оглавление урока
Шпаргалка формул11 класс
Степень полимеризации:
n=Mполимера/Mзвенаn = M_{полимера} / M_{звена}
Правило Чаргаффа для двухцепочечной ДНК:
A=T,G=C,(A+G)/(T+C)=1.0A = T, \quad G = C, \quad (A + G) / (T + C) = 1.0
ЭДС гальванического элемента:
Ecell0=Eкатода0−Eанода0E^0_{cell} = E^0_{катода} - E^0_{анода}[В]
Уравнение Нернста:
E=E0−RTzFln⁡Q=E0−0.0592zlg⁡Q (при 298 К)E = E^0 - \frac{RT}{zF} \ln Q = E^0 - \frac{0.0592}{z} \lg Q \text{ (при 298 К)}[В]
Следующая тема

Зеленая химия, химическая технология и промышленный синтез: аммиак, серная кислота и принципы устойчивого развития

Перейти к теме →