Здравствуйте! На этой завершающей неделе нашего курса мы переходим к рассмотрению переходных металлов, то есть металлов d и f блоков. Конечно, таких металлов очень много, и мы сможем рассмотреть только наиважнейшие среди них. Вначале недели мы рассмотрим триаду железа (железо, кобальт и никель), затем перейдем к элементам хрому и марганцу, а в конце недели рассмотрим химию элементов первой и второй группы, то есть меди, серебра и цинка. Итак, начнем с железа, кобальта и никеля. Эти три элемента называют "триада железа", или "семейство железа". Почему же такие элементы, которые отличаются по своей электронной конфигурации (а в этом ряду "железо, кобальт, никель" происходит добавление по одному электрону), почему же эти элементы объединяют в единое семейство? Дело в том, что химия этих элементов действительно очень похожа. Электрон добавляется на внутреннюю d-орбиталь и мало влияет на свойства. Для всех этих элементов характерны одинаковые степени окисления: ноль, плюс два и плюс три. Однако следует учитывать, что в ряду "железо, кобальт, никель" устойчивость степени окисления плюс три уменьшается, поскольку происходит увеличение окислительных свойств соединений элементов в этой степени окисления. Напротив, для степени окисления плюс два устойчивость увеличивается, поскольку снижаются восстановительные свойства соединений элементов в степени окисления плюс два в этом ряду. Отмечу, что железо, кобальт и никель достаточно распространенные в земной коре элементы. Так, железо занимает четвертое место по распространенности, уступая кислороду, кремнию и алюминию, то есть является вторым по распространенности металлом в земной коре. Он образует множество минералов с кислородом. Например, Fe2O3 — гематит, Fe3O4 — магнетит. Образует и другие минералы, например, карбонат железа два, который называется сидерит и имеет очень-очень красивый внешний вид. Кобальт и никель, напротив, образуют в основном сульфидные минералы или минералы с другими элементами — халькогенами, в первую очередь, с мышьяком. Такие минералы для кобальта, например, кобальтин и линнеит. Кобальт занимает 34 место по распространенности в земной коре. А никель очень часто образует смешанные сульфидные минералы с железом. Например, пентландит. Он занимает 27 место по распространенности в земной коре. Отмечу здесь же, что примерно пятую часть всего производимого в мире никеля производят в России. Как были открыты эти элементы? Конечно же, железо — это элемент древности, он известен с самых древних времен. Происхождение названия этого элемента, естественно, неясно. А вот кобальт и никель были открыты в Средние века. Так, в 1735 году минералог Брандт открывает кобальт в его минерале линнеите. Дело в том, что немецкие горняки, которые добывали медную руду, очень часто встречали этот минерал, считая, что в нем должна быть медь. Они подвергали этот минерал обжигу, и при этом выделялись пары очень ядовитого оксида мышьяка, и они отравлялись. За это кобальт и получил свое название. Дело в том, что в переводе с немецкого "kobold" означает "злой дух", это имя злого горного духа. Примерно схожая история случилась и с никелем. Никель был открыт в 1751 году другим минералогом Кронстедтом. Сульфидный минерал никеля очень похож на медную руду, и горняки думали, что они смогут оттуда выделить медь, но несмотря на все их многочисленные попытки, естественно, им это не удавалось. Они считали, что некий гном шутит над ними, подсовывая им этот минерал, поэтому никель назвали именем такого насмешливого гнома, по-немецки его имя Ник. Как же получают эти металлы сегодня? Девяносто пять процентов железа выплавляют из руд в виде чугуна и стали. Это достаточно сложные процессы, однако их химия весьма простая. При этом происходит восстановление оксидов железа с помощью угля до металлического железа с выделением угарного газа CO. Что такое чугун? Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержатся от двух до пяти процентов углерода. А сталь? Сталь содержит от 0.5 до 1.7 процента углерода. Кроме того, очень часто в сталь добавляют легирующие добавки других металлов (например, марганца, хрома, ванадия и многих-многих других) для того, чтобы придать стали требуемые свойства (например, ковкость или твердость). Как получают кобальт и никель? Дело в том, что в природе кобальт и никель в основном присутствуют в виде сульфидных минералов, поэтому первой стадией получения является обжиг. В этом процессе образуются оксиды кобальта и никеля, а также выделяется SO2. Давайте посмотрим, какие оксиды образуются. В случае кобальта это смешанный оксид кобальта (II), кобальта (III) Co3O4, а в случае никеля это оксид никеля (II) NiO. Это подтверждает идею о том, что в ряду "железо, кобальт, никель" происходит уменьшение устойчивости степени окисления плюс три. Дальше полученные оксиды, как и в случае доменного процесса, восстанавливают с помощью угля и получают металлы кобальт и никель в компактном состоянии. Побочным продуктом этих реакций является выделение угарного газа. Для того чтобы избежать образования карбидов в этих процессах, для удаления этих карбидов из сферы реакции добавляют избытки оксидов Co3O4 и NiO. Какими химическими свойствами обладают железо, кобальт и никель? Это металлы, которые стоят в ряду напряжений до водорода. Это означает, что они достаточно легко реагируют с кислотами неокислителями с выделением водорода. Особенно легко в такие реакции вступает железо, а кобальт и никель реагируют медленно. Отмечу, что концентрированные азотная и серная кислота пассивируют эти металлы — это значит, что они не вступают с ними в реакцию. Это позволяет перевозить концентрированную азотную и серную кислоту в стальных цистернах. Однако при повышении температуры реакция начинается. Железо при повышенной температуре реагирует с концентрированной серной кислотой с образованием сульфата железа (III) и выделением SO2. В случае реакции с концентрированной азотной кислотой образуется нитрат железа (III) и выделяется NO2. Эта реакция также идет только при нагревании. Расплавы и растворы щелочей не действуют на компактные металлы. Общим свойством для железа, кобальта и никеля является также склонность к коррозии, то есть окислению на воздухе. Однако по отношению к воздуху и воде компактные как кобальт, так никель, так и железо достаточно устойчивы. Надо отметить, что, например, железные метеориты, которые иногда падают на Землю, практически не подвергаются коррозии в условиях нахождения на воздухе и во влажной атмосфере, однако обычное железо, содержащее примеси, дефекты поверхности, очень легко подвергается коррозии с образованием ржавчины. Ржавчина — это такой оксид-гидроксид железа в смешанных степенях окисления, однако обычно там железо находится в степени окисления плюс три. Это рыхлый, пористый слой на поверхности металла, который, однако, не предохраняет металл от дальнейшего окисления. Итак, в результате коррозии образуется оксид железа (III) или оксид-гидроксид железа (III). Какими же еще свойствами обладают соединения железа, кобальта и никеля в положительных степенях окисления? Давайте рассмотрим это в следующей лекции.
