Химия и биологическая роль элементов подруппы скандия и ванадия

1)Общая характеристика,краткие  сведения об истории открытия  элементов и их распространенности  в природе. 

Подгру́ппа ска́ндия — химические элементы 3-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы побочной подгруппы III группы.Ввиду особенностей строения электронной конфигурации элементов этой группы точный состав её в разных источниках имеет различия. ИЮПАК не даёт строгих рекомендаций по спецификациям формата периодической таблицы. Поэтому по составу группы 3 имеются и часто используются несколько конвенций. Следующие d-элементы из переходных металлов всегда считаются членами группы 3:

• скандий (Sc)
• иттрий (Y)

При определении оставшейся части группы 3 возникли 4 конвенции:

• Некоторые таблицы  включают в члены группы 3 лантан (La) и актиний (Ac) (начальные элементы семейств лантаноидов и актиноидов, соответственно). В наиболее часто встречающихся формах 3+ ионов эти элементы не имеют частично заполненных f-орбиталей, в результате чего их поведение ближе к поведению d-элементов.
• Некоторые таблицы  включают в члены группы 3 лютеций (Lu) и лоуренсий (Lr). Эти элементы стоят в конце списка семейств лантаноидов и актиноидов, соответственно. Поскольку для обоих этих металлов в электронной конфигурации основного состояния f-оболочки заполнены в полном объёме, то они ведут себя как наиболее близкие к d-элементам металлы из всех лантанидов и актинидов, и, таким образом, демонстрируют наибольшее сходство свойств со скандием и иттрием. Для лоуренсия ожидается именно такое поведение, но наблюдать его на практике не приходилось, поскольку этого эелемента нет в достаточном количестве

Некоторые таблицы  ссылаются  на все лантаноиды и актиноиды как на членов группы 3. Третья и четвёртая конвенции различаются по этому условию:

• По третьей конвенции членами группы 3 считаются все 30 лантаноидов и актиноидов. Лантаноиды как электроположительные трёхвалентные металлы, химически тесно связаны, и все они показывают много общего со скандием и иттрием.
• По четвёртой конвенции в группу 3 не включаются ни лантаноиды, ни актиноиды. Лантаноиды обладают дополнительными свойствами, характерными для их частично заполненных f-орбиталей, которые не являются общими со скандием и иттрием. Кроме того, актиноиды демонстрируют гораздо более широкий круг химических свойств внутри своего семейства (например, в размере диапазона степени окисления), чем лантаноиды, и сравнение со скандием и иттрием становится ещё менее продуктивным.

Термин редкоземельные элементы, часто использующийся для обозначения элементов группы 3, включает лантаноиды, но исключает актиноиды.

Распространение в природе

Скандий, иттрий и лантаноиды (кроме прометия) встречаются в земной коре, как правило, вместе, и в относительном изобилии по сравнению с большинством d-металлов, но зачастую их трудно извлечь из руд.

Содержание в земной коре элементов подгруппы скандия  таково: скандий – 2·10⁻⁴%, иттрий – 5·10⁻⁴%, лантан – 2·10⁻⁴%, актиний – 5·10⁻¹⁵%. Богатые каким–либо одним из них минералы встречаются крайне редко. Отдельные элементы подгруппы скандия и их производные ещё не нашли применения, а соединения актиния даже почти не изучены. Немногие имеющиеся данные указывают на его большое сходство с лантаном.

В более или менее чистом состоянии был пока выделен только лантан, свойства которого изучены  довольно подробно. Он представляет собой  белый металл с плотностью 6,2, несколько  более твёрдый, чем олово, плавящийся при 826 и кипящий около 1800 °C. Электропроводность лантана примерно в два раза больше, чем у ртути.

Химическая активность лантана  очень велика. Он медленно разлагает  воду с выделением водорода, легко  растворяется в кислотах и при  нагревании энергично реагирует  со всеми металлоидами. Свойства Sc и Y похожи на свойства лантана. В своих  соединениях скандий и его  аналоги исключительно трёхвалентны

Биологическая химия

Элементы 3 группы, как правило, являются твёрдыми металлами с низкой растворимостью в воде, поэтому они имеют чрезвычайно  низкую доступность для биосферы. Ни один элемент группы 3 не играет никакой  документально подтверждённой биологической  роли в живых организмах. Радиоактивность  актиноидов в целом делает их весьма токсичными для живых клеток.

• Элементы подгруппы скандия

Рис.1-Скандий

Рис.2-Итрий

 

Подгруппа ванадия — химические элементы 5-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы побочной подгруппы V группы)^[1]. В группу входят ванадий V, ниобий Nb и тантал Ta^[2]. На основании электронной конфигурации атома к этой же группе относится и элемент дубний Db, искусственно синтезированный в наукограде Дубне в 1970 г. группой Г. Н. Флёрова путём бомбардировки ядер ²⁴³Am ионами ²²Ne^[3] и независимо в Беркли (США) в реакции ²⁴⁹Cf+¹⁵N→²⁶⁰Db+4n^[4]

Как и в других группах, члены этого семейства элементов  проявляют закономерности электронной конфигурации, особенно внешних оболочек, хотя, как ни странно, ниобий не следует этому тренду. Тем не менее, у элементов этой группы тоже проявляется сходство физических свойств и химического поведения

История

Открытие  элементов 5 группы связано со значительными  противоречиями и трудностями для  химиков. Проверка вновь открытых элементов  была затруднительной из-за сходства ванадия и элемента 6 группы хрома, химического сходства ниобия и тантала и сложности установок, которые были необходимы для производства нескольких атомов дубния.

Элементы 5 группы похожи друг на друга не только по своим свойствам, но и «родственники» по названиям. Во-первых, наименования всех трёх относятся к области  мифологии. Во-вторых, в названиях  указана прямая родственная связь: в древнегреческой мифологии  Ниобея является дочерью Тантала.

Ванадий назван в честь богини красоты  древних скандинавов — легендарной Фреи Ванадис. Это имя элементу дал в 1831 г. Гавриил Сефстрём, профессор Горного института в Стокгольме.

Тантал  открыт в 1802 г. шведским химиком Экебергом в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции.

Ниобий  открыт в 1801 г. английским учёным Ч. Хатчетом в минерале (колумбите), найденном в бассейне р. Колумбии, и потому получил название «колумбий». В 1844 году немецкий химик Генрих Розе переименовал его в «ниобий» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между ниобием и танталом. Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента — колумбий, и только в 1950 году решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) элементу окончательно было присвоено название ниобий.

Распространение в природе и биосфере

Ванадий довольно широко распространён в  природе и составляет около 0,005 % от общего числа атомов земной коры. Однако богатые месторождения его минералов встречаются весьма редко. Помимо подобных месторождений, важным источником сырья для промышленного получения ванадия являются некоторые железные руды, содержащие примеси соединений этого элемента.

Содержание  ниобия (2·10⁻⁴ %) и тантала (2·10⁻⁵ %) в земной коре значительно меньше, чем ванадия. Встречаются они главным образом в виде минералов колумбита Fe²⁺Nb₂O₆ и танталита Fe²⁺Ta₂O₆, которые обычно смешаны друг с другом.

Из  элементов 5 группы только ванадий был  идентифицирован как играющий роль в биохимии живых систем: он участвует  в некоторых ферментах высших организмов, а также, что необычно, в биохимии некоторых морских оболочников.

2)Изменение в группе радиуса  атома и ионов

В подгруппе скандия нет влияния f-сжатия и характер изменения значений радиуса атома, I1 и E 0 тот

же, что и в главных  подгруппах

 

Близость ионных радиусов ванадия и широко распространённых в магматических породах железа и титана приводит к тому, что ванадий в гипогенных процессах целиком находится в рассеянном состоянии и не образует собственных минералов

3)Устойчивык степени окисления  элементов в подруппе ванадия  и скандия

Простые вещества актиноидов химически активны. На воздухе большинство  из них постепенно окисляется кислородом и азотом. При сгорании металлов в кислороде образуются соединения, соответствующие наиболее устойчивым степеням окисления актиноидов

В отличие от типичных элементов, у переходных элементов высокие  степени окисления более устойчивы  у элементов с большим атомным  весом. Например, Мп2О7 заметно разлагается  уже при О С, Тс2О7 плавится без  разложения при 119 5 С, a Re2O7 плавится при 220 С и возгоняется, не теряя кислорода. Степени окисления для переходных металлов приведены в табл. 4 - 10, в  которой наиболее устойчивые степени окисления подчеркнуты, а наиболее редко встречающиеся помещены в скобки. Надо отметить, что для металлов группы III Л - скандия, иттрия и лантана известна только степень окисления III.

Свойства, как кислотность  окислов, способность солей подвергаться гидролизу и др. В отличие от типичных элементов, у переходных элементов  высокие степени окисления более  устойчивы у элементов с большим  атомным весом. Например, Мп2О7 заметно  разлагается уже при О С, Тс2О7 плавится без разложения при 119 5 С, a Re2O7 плавится при 220 С и возгоняется, не теряя кислорода. Степени окисления  для переходных металлов приведены  в табл. 4 - 10, в которой наиболее устойчивые степени окисления подчеркнуты, а наиболее редко встречающиеся помещены в скобки. Надо отметить, что для металлов группы III Л - скандия, иттрия и лантана известна только степень окисления - fill. Наиболее устойчивым состоянием для металлов с электронными конфигурациями от d1 до if, в которых нет спаренных d - электронов, является наибольшая степень окисления, и все ( п - 1) - электроны участвуют в образовании связей.

В отличие от типичных элементов, у  переходных элементов высокие степени  окисления более устойчивы у  элементов с большим атомным  весом. Например, Мп2О7 заметно разлагается  уже при О С, Тс2О7 плавится без  разложения при 119 5 С, a Re2O7 плавится при 220 С и возгоняется, не теряя кислорода. Степени окисления для переходных металлов приведены в табл. 4 - 10, в  которой наиболее устойчивые степени окисления подчеркнуты, а наиболее редко встречающиеся помещены в скобки. Наиболее устойчивым состоянием для металлов с электронными конфигурациями от dl до db, в которых нет спаренных d - электронов, является наибольшая степень окисления, и все ( п - 1) а ( - электроны участвуют в образовании связей. [4]

Степень окисления 3 не характерна для тория  и протактиния, мало устойчива для  урана и нептуния, легко переходит  в 4 для плутония. Начиная с америция степень окисления 3 является наиболее устойчивой. В табл. 15.2 сопоставлены степени - окисления актиноидов и  лантаноидов, жирным шрифтом выделены наиболее устойчивые степени окисления. Степени окисления, которые осуществляются только в твердой фазе, взяты в скобки. 

Точно так же как лантаноиды образуют ряд  родственных элементов, расположенных  после La, для которых типичны ионы М3, содержащие от 1 до 14 4 / - электронов, можно было бы ожидать, что и ряд  актиноидов включает 14 элементов, следующих  за своим прототипом Ас ( который, подобно La, по праву хозяина занимает место  в III группе); дополнительные 1 - М4 электронов в актиноидах предпочитают размещаться  в оболочке 5 /, а не в оболочке Gd. Однако на самом деле у Th нет 5 / - электропов, а их количество у Ра точно неизвестно, и по своим свойствам эти два  элемента являются в гораздо большей  степени представителями IV и V групп ( соответственно), чем соответствующие  лантаноиды Се и Рг. Так, например, химия  тория по существу ограничивается химией Th ( IV), тогда как для церия в  основном распространены соединения Се ( III), для Се ( IV) в твердом состоянии  известны лишь два бинарных соединения, оксид и фторид. В противоположность  Ра с наиболее устойчивой степенью окисления V соединения Pr ( V) вообще неизвестны. [6]

Относительно  многих степеней окисления переходных элементов можно с уверенностью сказать только то, что самая низкая общая для них степень окисления, за исключением группы III А, равна 11, а самая высокая равна номеру группы. Это следует из общей электронной  структуры ( п - l) d ns2 или ( п - l) dx lnsl, где ( х 2) - номер группы. У переходных элементов с увеличением степени  окисления, а в пределах одной  группы с увеличением атомного веса элемента усиливаются такие свойства, как кислотность окислов, способность  солей подвергаться гидролизу и  др. В отличие от типичных элементов, у переходных элементов высокие  степени окисления более устойчивы  у элементов с большим атомным  весом. Например, Мп2О7 заметно разлагается  уже при 0 С, Тс2О7 плавится без разложения при 119 5 С, a Re2C7 плавится при 220 С и  возгоняется, не теряя кислород. Степени  окисления для переходных металлов приведены в табл. 4 - 10; наиболее устойчивые степени окисления подчеркнуты, а наиболее редко встречающиеся помещены в скобки.

Ванадий находится в VВ (5) группе Периодической системы. Электронная  конфигурация валентного уровня атома ванадия: 3d34s2. Возможные степени окисления ванадия в соединениях: +5, +4, +3, +2, из которых наиболее устойчивой является степень окисления +4.

Соединения ванадия (V).

Оксид ванадия (V) V2O5 получают прокаливанием на воздухе метаванадата аммония:

4NH4VO3 + 3O2 = 2V2O5 + 2N2 + 8H2O.

 

Оксид ванадия (V) незначительно  растворяется в воде. При этом получается бледно-желтый раствор, содержащий метаванадиевую кислоту HVO3, которая сообщает раствору кислую реакцию.

Оксид ванадия (V) проявляет  амфотерные свойства с преобладанием  кислотных, хотя и довольно медленно растворяется в щелочи.