Что такое переходные металлы? Определение, свойства и применение.

Переходные металлы — это различные химические элементы, обладающие валентными электронами. Эти элементы находятся в средних ярусах периодической таблицы. Термин «переходный» не имеет какого-либо конкретного химического значения, но используется для обозначения сходства атомных структур и свойств этих элементов. В этой статье вы получите глубокое понимание поведения, свойств и применения этих переходных элементов.

Что такое переходные металлы?

У переходных металлов атомы имеют частично заполненную d-подоболочку. Они могут образовывать стабильные катионы с неполностью заполненной d-подоболочкой. В ряду переходных металлов наблюдаются различные степени окисления. Они образуют окрашенные соединения и служат катализаторами в химических реакциях.

Где находятся переходные металлы в периодической таблице?

Переходные металлы находятся в d-блоке периодической таблицы. Они занимают центральную часть между 3-й и 12-й группами, а также периоды 4, 5, 6 и 7. D-блок включает четыре основных ряда переходных металлов: 3d (Sc-Zn), 4d (Y-Cd), 5d (La-Hg) и 6d (Ac-Cn). К внутренним переходным металлам относятся 14 элементов после лантана и 14 элементов после актиния. Их называют «элементами f-блока».

Всегда ли переходные металлы обладают магнитными свойствами?

Нет, переходные металлы не всегда магнитны в своей элементарной форме. Большинство переходных металлов являются парамагнитными. Это означает, что они слабо притягиваются к магнитному полю. Это вызвано наличием неспаренных электронов в их (n-1) d-орбиталях. Но некоторые переходные металлы имеют заполненные или полностью пустые d-орбитали в определенных соединениях. Они являются диамагнитными, например, Cu+ или Sc3+.

Реакционноспособны ли переходные металлы?

Да, переходные металлы реакционноспособны. Среди них есть относительно реакционноспособные металлы, такие как титан или железо, и крайне нереакционноспособные «благородные» металлы, такие как золото или серебро. Реакционная способность определяется электронной конфигурацией и атомной стабильностью. Реакционная способность влияет на выбор материалов и обработку элементов ряда переходных металлов.

Например, некоторые металлы, такие как хром или никель, имеют собственный защитный слой и обеспечивают лучшую коррозионную стойкость, в то время как нереактивные металлы, такие как золото или серебро, используются в качестве защитного покрытия для более реактивных соединений. Аналогично, для высокореактивных металлов при обработке на станках с ЧПУ требуются специальные охлаждающие жидкости, чтобы предотвратить реакцию кислорода при высоких температурах.

Почему переходные металлы называются «переходными» металлами?

Переходные металлы демонстрируют «переход» в электронной конфигурации и химических свойствах. Например, в левой части периодической таблицы (s-блок) находятся высокореактивные металлы, а в правой (p-блок) — неметаллы.

Являются ли переходные металлы металлоидами?

Нет, переходные металлы не являются металлоидовПереходные металлы расположены в центре d-блока. Они блестящие, пластичные и являются отличными проводниками электричества и тепла. Металлоиды же расположены вдоль зигзагообразной линии, разделяющей металлы и неметаллы. Они обладают свойствами, промежуточными между металлами и неметаллами, и часто являются полупроводниками.

Переходные металлы против металлоидов

Различие между элементами переходных металлов и металлоидами заключается в следующем:

Каковы свойства переходных металлов?

Переходные металлы характеризуются своими физическими свойствами. Например, высокими температурами плавления, плотностью, твердостью и прочностью по сравнению со щелочными металлами. Это в значительной степени обусловлено прочной металлической связью. Некоторые известные металлы, такие как Cu, Ag и Au, являются отличными проводниками тепла и электричества.

Высокие температуры плавления

Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения благодаря прочным металлическим связям. Связь между s- и d-электронами повышает температуру плавления более чем на 1000 °C. Однако есть заметное исключение — ртуть, которая является жидкостью при комнатной температуре. Как правило, вольфрам имеет самую высокую температуру плавления.

Высокая плотность

Переходные металлы значительно плотнее других металлов. Обычно это металлы 1-й и 2-й групп, поскольку их атомы плотно упакованы и имеют высокое отношение массы к объему.

Жесткий и сильный

Переходные металлы обладают высокой твердостью и прочностью на растяжение. Поэтому они более долговечны и подходят для конструкционного применения, а также для сплавов, таких как сталь.

Хорошая теплопроводность

Переходные металлы обладают превосходной теплопроводностью благодаря большому количеству делокализованных электронов. Среди них наиболее теплопроводными элементами являются серебро и медь.

Хорошая проводимость

Переходные металлы являются отличными проводниками электричества. Их электропроводность варьируется. Например, медь, серебро и золото превосходят по этому показателю такие металлы, как железо и титан.

Какие существуют распространенные переходные металлы?

К распространенным переходным металлам d-блока относятся железо (Fe), медь (Cu), титан (Ti) и марганец (Mn). Они находятся в группах 3-12 d-блока периодической таблицы.

Титан (Ti)

Титан известен своим высоким соотношением прочности к весу и коррозионной стойкостью. Благодаря своей биосовместимости он является одним из важных материалов, используемых в аэрокосмической отрасли и медицинских имплантатах. Кроме того, титановые детали автомобилей широко распространены.

Марганец (Mn)

Марганец необходим для производства стали. Он повышает твердость и прочность конструкции. Кроме того, марганец является важным биологическим питательным веществом.

Медь (Cu)

Коппес не обладает магнитными свойствами. и высоко ценится за свою превосходную электропроводность. Это основной материал, используемый для электропроводки и сантехники.

Железо (Fe)

Железо — самый распространенный переходный металл на Земле по весу. Оно является основой строительной отрасли. Железо также является ключевым компонентом гемоглобина, необходимого для переноса кислорода в крови.

Как выбрать переходные металлы для различных применений?

Выбор подходящего переходного металла для конкретного применения зависит от множества факторов. Это определяется соответствием конкретных свойств материала требованиям, а также балансом между стоимостью и производственными ограничениями.

Определите необходимые свойства

Для соответствия свойств и областей применения необходимо знать свойства переходных металлов. Например, для обеспечения высокой прочности и твердости подходят железо, сталь и титан. Вольфрам и молибден подходят для высокотемпературных применений. Медь обладает высокой электропроводностью. А титан и никель лучше всего подходят для обеспечения коррозионной стойкости.

Технологичность металлов

Технологичность связана с возможностью производства. Золото и серебро обладают высокой пластичностью, а титан – высокой податливостью и пластичностью. Из них легче изготавливать сложные и тонкие детали. Железо и никель хорошо свариваются. Но для предотвращения окисления титана необходима сварка в инертном газе. Аналогично, титан, вольфрам и никелевые суперсплавы трудно поддаются механической обработке. А медь и углеродистая сталь легко поддаются обработке.

Учитывайте стоимость

Стоимость определяется такими факторами, как крупномасштабное производство, чувствительность к цене или специализированное применение материала. Железо и медь — доступные варианты для массового рынка инфраструктуры. Никель и хром также имеют разумную цену. Но платина, палладий и родий очень дороги из-за своей редкости. Титан также доступен по цене, но сложный процесс его обработки увеличивает конечную стоимость.

Для чего используются переходные металлы?

Переходные металлы используются во многих отраслях промышленности, поскольку они прочны, долговечны и могут быть легированы для улучшения определенных свойств, таких как коррозионная стойкость.

катализ

Переходные металлы используются для ускорения реакций без расхода. Это связано с тем, что они имеют частично заполненные d-орбитали с несколькими степенями окисления. Платина и палладий используются в автомобильных каталитических нейтрализаторах, железо — в процессе Габера, а никель — в гидрировании.

Компоненты для авиакосмической промышленности

Эти материалы выбираются за высокое соотношение прочности к весу и способность выдерживать экстремальные температуры. Титан используется в реактивных двигателях, планерах и шасси самолетов, а ниобий — в ракетах.

Автомобильные запчасти

Переходные металлы предпочтительны благодаря своей долговечности, коррозионной стойкости и термостойкости. Нержавеющая сталь используется в выхлопных системах, а кобальтовая легированная сталь — в компонентах зубчатых передач.

Медицинские приборы

Переходные металлы D-блока обладают биосовместимостью, прочностью и устойчивостью к биологическим жидкостям. Титан в основном используется для ортопедических и зубных имплантатов. Платина также используется в противораковых препаратах, а серебро предпочтительно для антимикробных покрытий.

Роботизированные компоненты

Переходные металлы необходимы для обеспечения высокой точности, долговечности и прочности. Высокопрочная сталь или Титан используется в роботизированных суставах.Никелевые сплавы используются для обеспечения структурной стабильности в условиях высоких температур.

Пользовательское прототипирование

Переходные металлы обладают превосходной обрабатываемостью и прочностью при испытании прототипов. Обработанная нержавеющая сталь используется в кронштейнах, латунные компоненты, а детали из титана или алюминиево-скандиевых сплавов — при изготовлении прототипов на заказ.

Легко ли обрабатывать переходные металлы?

Переходные металлы не все легко поддаются механической обработке. Их обрабатываемость сильно варьируется в зависимости от твердости, пластичности, теплопроводности и химической активности. Некоторые легко поддаются обработке, например, медь. В то время как другие, такие как титан, чрезвычайно сложны в обработке. Для их обработки требуются специальные методы на станках с ЧПУ.

Переходные металлы, легко поддающиеся механической обработке.

К легко обрабатываемым металлам относятся медь, латунь и многие низколегированные стали. Они обладают свойствами, позволяющими достигать высоких скоростей резания, снижать износ инструмента и обеспечивать хорошее качество поверхности. К таким свойствам относятся низкая твердость, высокая пластичность и хорошая теплопроводность. Низколегированные стали относятся к легкообрабатываемым маркам. Они образуют мелкую, хрупкую стружку, которая легко ломается и предотвращает запутывание стружки в станках с ЧПУ. 

Переходные металлы, трудно поддающиеся механической обработке.

Титан и инконель трудно поддаются механической обработке. Это связано с их высоким соотношением прочности к весу, высокой твердостью и высокой реакционной способностью. Кроме того, титан плохо проводит тепло. При обработке на станках с ЧПУ выделяемое тепло остается на режущей кромке инструмента. Это приводит к быстрому термическому повреждению и повышенному износу инструмента. При более высоких температурах титан также становится реакционноспособным. Стружка может привариваться к режущему инструменту и вызывать преждевременный выход инструмента из строя.

В чём преимущества использования переходных металлов?

В станках с ЧПУ переходные металлы, такие как сталь, титан и медь, ценятся за свою универсальность и долговечность. Их использование дает три основных преимущества:

Превосходные легирующие свойства

Переходные металлы обладают уникальной электронной структурой. Это позволяет им легко взаимодействовать с другими элементами. Благодаря этому можно создавать сплавы, адаптированные под конкретные задачи обработки, такие как повышение твердости или теплоотвода.

Отличные механические свойства

Большинство переходных металлов от природы тверды и прочны. Они также обладают высокими температурами плавления. Эти свойства позволяют деталям, обработанным на станках с ЧПУ, сохранять свою форму и целостность при высокой скорости, температуре и давлении в процессе фрезерования.

Коррозионная стойкость

Такие металлы, как нержавеющая сталь и титан, обладают естественной устойчивостью к ржавчине и химическому разрушению. Это очень важно для деталей, изготовленных на станках с ЧПУ и используемых в суровых условиях. Области применения включают аэрокосмическую, морскую и медицинскую отрасли.

Переходные металлы против других металлов

Переходные металлы характеризуются частично заполненными d-орбиталями, переменными степенями окисления и каталитическими свойствами. Металлы d-блока отличаются от металлов s-блока и постпереходных металлов.

Металлы D-блока против металлов S-блока

Металлы D-блока твердые и плотные, тогда как элементы s-блока — мягкие и менее плотные металлы, расположенные в 1-й и 2-й группах. Температуры плавления металлов D-блока выше, чем у элементов s-блока. Элементы s-блока обладают высокой реакционной способностью. Металлы D-блока менее реакционноспособны и более благородны, особенно металлы правого по порядку, такие как Pt и Au. Металлы D-блока образуют окрашенные соединения, а металлы s-блока, как правило, образуют бесцветные соединения.

Переходные металлы против драгоценных металлов

Драгоценные металлы — это Au, Ag, Pt, Pd. Это подгруппа переходных металлов, обладающих высокой экономической ценностью. Они отличаются исключительной устойчивостью к окислению и коррозии, а также высоким благородством. Большинство драгоценных металлов являются переходными металлами, хотя не все переходные металлы являются драгоценными. Например, некоторые переходные металлы, такие как Fe или Ni, являются неблагородными металлами, которые легко окисляются.

Переходные металлы против постпереходных металлов

Все переходные металлы являются элементами d-блока, но не все элементы d-блока являются переходными металлами. У переходных металлов d-орбитали частично заполнены. А у постпереходных металлов d-орбитали заполнены. К ним относятся Al, Ga, Sn, Pb, и они расположены справа от d-блока. Постпереходные металлы мягче и имеют более низкие температуры плавления.

Заключение

Переходные металлы расположены в d-блоке периодической таблицы. Они характеризуются частично заполненными d-орбиталями. Это обуславливает их переменные степени окисления, способность образовывать окрашенные соединения и каталитические свойства. Переходные металлы, как правило, твердые, прочные, обладают высокой плотностью и температурой плавления. Они также обладают превосходной электропроводностью и теплопроводностью. К распространенным переходным металлам относятся железо, медь, золото, серебро и титан.

FAQ

Какие переходные металлы наиболее полезны?

К наиболее полезным переходным металлам относятся железо, медь, титан, никель и платина благодаря их высокой проводимости, прочности и способности образовывать сплавы.

В чём разница между металлом и переходным металлом?

Все переходные металлы также являются металлами. Это особая группа металлов, расположенных в центре периодической таблицы. Металлы d-блока имеют переменные степени окисления, образуют окрашенные соединения и действуют как катализаторы. В то время как стандартные металлы, такие как щелочные металлы, как правило, мягче, более реактивны и образуют бесцветные соединения.

Является ли алюминий переходным металлом?

Нет, алюминий не является переходным металлом. Он классифицируется как постпереходный металл. Он отличается от переходных металлов тем, что не имеет заполненной d-орбитали и проявляет меньшее количество степеней окисления.

Является ли цинк переходным металлом?

Цинк не является переходным металлом. Он классифицируется как постпереходный металл, поскольку имеет полностью заполненную 3D-структуру.¹⁰электронная оболочка в обоих атомах (4S)²³,d¹⁰) и ионные (Zn)²⁺, 3d¹⁰штаты.