Лекция 15. Общая характеристика d-элементов периодической системы Д.И. Менделеева (2 часа)

План лекции

1. Особенности d-элементов по сравнению с элементами главных подгрупп.

2. Элементы подгруппы марганца.

3. Элементы подгруппы хрома.

4. Макро- и микроэлементы в земледелии.

15.1 Особенности d-элементов по сравнению с элементами главных подгрупп.

Всего известно 35 d-элементов, из них 30 есть в земной коре, а 5 искусственные и радиоактивные. Все эти элементы называют переходными металлами

d-элементы расположены в периодической системе в больших периодах между s- и p-элементами. Характерной особенностью переходных элементов является то, что в их атомах заполняются орбитали не внешнего слоя, а предвнешнего слоя. У d-элементов валентными являются энергетически близкие девять орбиталей – одна ns-орбиталь, три np-орбитали и пять (n-1) d-орбиталей.

Во внешнем слое у атомов d-элементов находятся 1 – 2 электрона. Остальные валентные электроны расположены в (n-1) d-состоянии, т. е. в предвнешнем слое.

Подобное строение электронных оболочек атомов определяет ряд общих свойств d-элементов:

1. все d-элементы – металлы, отличающиеся от s-металлов меньшей восстановительной способностью и иногда химической инертностью;

2. для большинства d-элементов характерно проявление нескольких степеней окисления, сравнимых по термодинамической устойчивости в обычных условиях. Это значит, что для них характерно большое число окислительно-восстановительных реакций;

3. многие d-элементы в высших степенях окисления проявляют кислотные свойства, в промежуточных амфотерные, а в низших основные;

4. d-элементы способны образовывать разнообразные комплексные соединения;

5. в отличие от соединений s-металлов большинство соединения d-элементов имеют характерные окраски.

15.2 Элементы подгруппы марганца.

В состав этой подгруппы входят марганец Mn, технеций Tc и рений Re.

Валентные орбитали ns²(n-1)d⁵

Степени окисления марганца +2, +3, +4, +6, +7 и 0. Технеций и рений могут проявлять некоторые из перечисленных степеней окисления, но для них более характерна +7.

Оксид и гидроксид марганца(II) - MnO (серо-зеленые кристаллы) и Mn(OH)₂ (осадок телесного цвета) обладают основными свойствами. Оксид марганца (III) Mn₂O₃ (бурые кристаллы) тоже основной. Ему соответствует гидроксид Mn(OH)₃ (черно-коричневого цвета).

Оксид и гидроксид марганца(IV) – MnO₂ (черные кристаллы) и Mn(OH)₄ – амфотерны, со слабо выраженными основными и кислотными свойствами.

Оксид марганца (VI) MnO₃ и, соответствующая ему марганцовистая кислота H₂MnO₄, в свободном состоянии не получены. Соли этой кислоты (манганаты) в водных раствора окрашены в зеленый цвет.

Mn₂O₇ (зеленовато-бурая маслянистая жидкость) и HMnO₄ (известна только в водных растворах и относится к сильным кислотам) это кислотные соединения. Ангидрид, кислота и ее соли пермаганаты - сильные окислители. Соединения марганца(IV) проявляют окислительно-восстановительную двойственность, а соединения марганца(II) – восстановители.

Соединения Tc и Re в степени окисления +7 также обладают кислотными свойствами, но более слабыми нежели у марганца. Эти соединения не проявляют окислительных свойств.

Элементы подгуппы марганца образуют комплексные соединения: K₂[Mn(OH)₆], Na₂[ReF₈], [Mn₂(CO)₁₀].

Марганец входит в состав многих металлоферментов растений и животных, без которых не может работать цикл Кребса. Это один из важнейших биохимических циклов любой живой клетки, вырабатывающий энергию и запасащий её в аденозинтрифосфате (АТФ). В качестве марганцевого микроудобрения используют MnSO₄ ×H₂O.

15.3 Элементы подгруппы хрома.

Шестую побочную подгруппу образуют металлы: хром Cr, молибден Mo, вольфрам W. Валентные орбитали ns¹(n-1)d⁵.

Степени окисления у хрома +2, +3, +6, 0.

В степени окисления +2 хром образует CrO и Cr(OH)₂ основного характера, крайне неустойчивые соединения – сильные восстановители. Самая устойчивая степень окисления для хрома +3. Оксид хрома Cr₂O₃ и гидроксид Cr(OH)₃ – амфотерны. Эти соединения под действием сильных окислителей проявляют восстановительные свойства.

Соединения хрома(VI) – CrO₃ и его гидратные формы H₂Cr₂O₇ – дихромовая кислота и H₂CrO₄ - хромовая кислота проявляют кислотные свойства. Обе кислоты существуют в водном растворе и, при попытке выделить их из раствора, распадаются на хромовый ангидрид и воду. Устойчивы их соли – дихроматы и хроматы. Хроматы устойчивы в щелочной, а дихроматы в кислой среде.

Соединения хрома(VI) являются сильными окислителями.

Для молибдена и вольфрама наиболее характерна степень окисления +6, поэтому их соединения устойчивы, проявляют кислотные свойства (менее выраженные по сравнению с соединениями хрома) и не проявляют окислительных свойств.

Для хрома, молибдена и вольфрама характерно образование комплексных соединений: K₃[Сr(OH)₆], [Cr(H₂O)₆]Cl₃, H₂[WF₈], K₂[MoCl₈] и т.д.

Как микроэлемент хром изучен недостаточно, но его биогенная роль не вызывает сомнений. Он входит в состав некоторых ферментов, осуществляющих окислительно-восстановительные реакции в клетках. Хром входит в состав пепсина, расщепляющего белки в пищеварительном тракте животных, участвуют в регуляции усвоения глюкозы тканями животных.

15.4 Макро- и микроэлементы в земледелии.

Макроэлементы это биогенные элементы, необходимые для нормального функционирования клетки. К ним относятся O, H, N, C. Фосфор и калий не входят в их число, но играют очень важную роль в нормальной жизнедеятельности растительных и животных организмов. Азотные, калийные и фосфорные удобрения необходимо вносить в почву центнерами на гектар, так как азот, фосфор и калий это не восполняемые элементы и то количество, которое есть в природе, не может удовлетворить потребности сельского хозяйства. Кислород, водород, углерод, азот, фосфор и калий получили названия макроэлементов, поскольку они в больших количествах входят в состав живых организмов, а удобрения, в которые они входят, получили названия макроудобрений.

Металлы, которые необходимы для всех живых организмов и содержание которых не превышает 10^-5%, называют микроэлементами. К микроэлементам относят Mn, Co, Ni, Zn, Mo и в меньшей мере V и Cr. К микроэлементам относится бор.

Металлы-микроэлементы должны обладать определенными свойствами: они должны быть достаточно распространенными и достаточно рассеянными, т.е. быть доступными для усвоения из почв; они должны обладать изменчивостью химических свойств т.е. образовывать комплексы с различными лигандами, иметь различные степени окисления и легко переходить из одной степени окисления в другую. Этими свойствами в полной мере обладают d-элементы. Эти свойства позволяют микроэлементам активизировать ферменты. Микроэлементы подходят к ферментам как ключ к замку. Они комплементарныферментам.

Микроэлементы входят в состав микроудобрений (соли d-элементов), которые вносят в почву килограммами на гектар. Например: кобальт вносят в почву в виде соли CoSO₄ ×7H₂O и CoCl₂ ×6H₂O; медь в виде CuSO₄ ×5H₂O; цинк в виде ZnSO₄ ×7H₂O; молибден в виде раствора молибдата аммония (NH₄)₂MoO₄.

Роль кобальта: образует каталитически активные центры многих ферментов, необходимые для синтеза ДНК и метаболизма аминокислот.

Роль никеля: стимулирует синтез аминокислот в клетке, ускоряет регенерацию белков плазмы крови, нормализует содержание гемоглобина у больных.

Роль меди: медь входит в состав голубых белков, которые являются переносчиками и хранителями запасов молекулярного кислорода. В растительных организмах усиливает фотосинтез и углеводный обмен.

Роль цинка: известно более ста цинксодержащих ферментов, без которых не возможен гидролиз белков, полисахаридов, липидов, эфиров фосфорной кислоты, АТФ и других биологически важных органических веществ любой клетки.

Молибден – один из важнейших микроэлементов. Он входит во многие ферменты, осуществляющие окислительно-восстановительные превращения в клетке. При недостатке молибдена в почве растения не плодоносят и погибают в результате разнообразных заболеваний.

Лекция 16. Предмет аналитической химии. Качественный и количественный анализ. Аналитический сигнал. Химические, физические и физико-химические методы анализа(самостоятельно)

План лекции

1. Предмет аналитической химии. Качественный и количественный анализ.

2. Аналитический сигнал. Методы анализа в аналитической химии (химические, физические и физико-химические).

3. Химические методы анализа.

4. Физические методы анализа.

5. Физико-химические методы аналиаа