Химия. 11 класс

Степени окисления атомов d-элементов в соединениях

В отличие от s- и р-элементов у d-элементов в образовании химических связей могут принимать участие не только s-электроны внешнего, но и d-электроны предвнешнего слоёв. Это увеличивает число возможных степеней их окисления. Кроме d-элементов IIIВ- и IIВ-групп, атомы всех остальных d-элементов имеют несколько степеней окисления (табл. 34.1).

С ростом порядкового номера элемента в периоде максимальная (высшая) степень окисления возрастает от IIIВ-группы до первого элемента VIIIВ-группы, а затем убывает. Высшая степень окисления у большинства d-элементов, как правило, отвечает номеру группы, к которой они относятся. Исключение составляют Fe, элементы подгруппы кобальта, никеля и меди (табл. 34.1).

Для атомов элементов IB-группы (Сu, Ag, Аu) возможна не только степень окисления +1 (например, в соединениях Cu₂О, AgCl, Au₂S), но и более высокая (например, в соединениях , ).

Соединения элементов, в которых атомы могут находиться в степени окисления +8, известны только для рутения и осмия (например, ). Для остальных элементов VIIIВ-группы характерны более низкие степени окисления.

Максимальная степень окисления для железа равна +6 (например, в соединении K₂FeO₄). В ней железо является сильным окислителем.

Таблица 34.1. Формулы электронной конфигурации, число валентных электронов и характерные степени окисления* атомов 3d-элементов

Группа	IIIB	IVB	VB	VIB	VIIB	VIIIB			IB	IIB
Элементы	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn
Степени окисления					+7
				+6	+6	+6
			+5
		+4	+4		+4
	+3	+3	+3	+3	+3	+3	+3	+3
		+2	+2	+2	+2	+2	+2	+2	+2	+2
									+1
Электронная конфигурация валентного слоя	3d14s2	3d24s2	3d34s2	3d54s1	3d54s2	3d64s2	3d74s2	3d84s2	3d104s1	3d104s2

*Наиболее устойчивые степени окисления выделены цветом

Если у элементов А-групп с увеличением порядкового номера по группе устойчивость соединений, в которых атомы элемента проявляет высшую степень окисления, уменьшается, то у элементов В-групп наблюдается обратная закономерность: по группе сверху вниз устойчивость соединений элементов в высшей степени окисления атома, как правило, повышается. Высшие степени окисления в соединениях характерны для золота (+3), платины (+4), осмия (+8), вольфрама (+6).

В низких степенях окисления атомы d-элементов образуют химические связи, близкие к ионному типу, и в растворах существуют в виде катионов, например Mn²⁺, Fe²⁺, Ag⁺:

MnCl₂ → Mn²⁺ + 2Cl^–.

В высших степенях окисления для d-элементов характерны анионные формы соединений с ковалентным типом химической связи, например в ионе .

Структурные формулы серной и хромовой кислоты, в которых атомы находятся в одинаковых степенях окисления, однотипны:

Соединения элементов В-групп в высших степенях окисления проявляют сходство в свойствах с соединениями элементов в тех же степенях окисления А-групп. У них аналогичные формулы оксидов, гидроксидов, кислот и солей. Например, хром, элемент VIB-группы, в степени окисления +6 образует кислотный оксид CrO₃ и кислоту H₂CrO₄, которые по составу и окислительно-восстановительным свойствам аналогичны соединениям серы, элемента VIА-группы, в той же степени окисления +6: SO₃ и H₂SO₄.

Подобное сходство характерно для марганца, элемента VIIB-группы, и хлора, элемента VIIА-группы. В степени окисления +7 марганец образует оксид Mn₂O₇ (молекулярная жидкость) и соответствующую ему кислоту HMnO₄. Хлор в той же степени окисления (+7) образует кислотный оксид Cl₂O₇ (также молекулярная жидкость) и кислоту HClO₄.

Близость свойств этих элементов можно объяснить одинаковым числом неспаренных электронов, которые принимают участие в образовании химических связей с кислородом.

Группа	VIA	VIB	VIIA	VIIB
Элемент	S	Cr	Cl	Mn
Число неспаренных электронов	6	6	7	7
Электронная конфигурация в возбуждённом состоянии, соответствующем высшей степени окисления	[Ne]3s13p33d2	[Ar]3d54s1	[Ne]3s13p33d3	[Ar]3d54s14p1