Элементы подгруппы хрома

Элементы подгруппы хрома включают хром (Cr), молибден (Mo) и вольфрам (W). Они относятся к группе VI Б (по старой номенклатуре) или группе 6 (по IUPAC), характеризуются общим наличием шести валентных электронов во внешней оболочке и типичной конфигурацией d-блоковых элементов. Эти элементы обладают металлическими свойствами, высокой температурой плавления и значительной твёрдостью.

Ключевые закономерности подгруппы:

  • Рост атомного радиуса сверху вниз, несмотря на частичное смещение эффекта экранирования d-электронов.
  • Увеличение плотности и температуры плавления от Cr к W.
  • Широкий диапазон возможных степеней окисления, типичных для d-элементов: +2, +3, +4, +5, +6. Наиболее устойчивой является высшая степень окисления (+6), особенно для Cr и Mo.

Электронная структура и химическая активность

Хром (Cr): [Ar] 3d^5 4s^1. Необычная стабильность полузаполненной d-оболочки обуславливает его высокую химическую активность.

Молибден (Mo): [Kr] 4d^5 5s^1. Переход к 4d-оболочке увеличивает радиус атома и энергию ионизации, что снижает реакционную способность по сравнению с Cr.

Вольфрам (W): [Xe] 4f^14 5d^4 6s^2. Высокая плотность и стабильность к коррозии, химически менее активен, но проявляет высокую термическую устойчивость соединений.

Эти элементы активно образуют как простые вещества, так и соединения с кислородом, галогенами, серой и азотом. Наиболее характерны оксиды и комплексы в высокой степени окисления.

Оксиды и гидроксиды

Хром:

  • CrO — оксид хрома(II), сильный восстановитель, нестабилен на воздухе.
  • Cr2O3 — оксид хрома(III), твёрдое амфотерное соединение, растворяется в кислотах и щёлочах.
  • CrO3 — оксид хрома(VI), сильный окислитель, образует кислоту H2CrO4 в водном растворе.

Молибден:

  • MoO2 — оксид Mo(IV), восстановительные свойства, тугоплавкий.
  • MoO3 — оксид Mo(VI), летучий, кислотный характер, растворяется в щёлочах с образованием молибдатов.

Вольфрам:

  • WO2 — оксид W(IV), металлический блеск, восстановительные свойства.
  • WO3 — оксид W(VI), желтоватый, кислотный оксид, растворим в щёлочах с образованием вольфматов, обладает полиморфизмом (моноклинная, триклинная формы).

Гидроксиды: Cr(OH)3, Mo(OH)3, W(OH)3 амфотерные, проявляют кислотные и основные свойства. Гидроксиды высокой степени окисления (например, H2CrO4, H2MoO4, H2WO4) характерны кислотным поведением.

Галогениды и сульфиды

Галогениды:

  • CrCl3, MoCl5, WCl6 — стабильные в своих высших степенях окисления, образуют координационные соединения.
  • Возможна гидролизная активность с образованием оксо- и гидроксосоединений.

Сульфиды:

  • CrS, MoS2, WS2 — тугоплавкие, мало растворимы, MoS2 и WS2 обладают слоистой структурой, применяются как сухие смазки.
  • Сульфиды высокой степени окисления (например, Cr2S3) менее стабильны и проявляют восстановительные свойства.

Комплексообразование

Элементы подгруппы хрома активно образуют комплексы с различными лигандами: аммиаком, цианид-ионами, оксалатом, тиоцианатами.

  • Cr(III) формирует устойчивые октаэдрические комплексы [Cr(H2O)6]3+, [Cr(C2O4)3]3−.
  • Mo(VI) и W(VI) образуют оксо-комплексы типа [MoO4]2−, [WO4]2−.
  • Существует тенденция к стабилизации высоких степеней окисления в комплексах, что используется в катализе и аналитической химии.

Каталитическая и технологическая роль

  • Хром: катализаторы окислительных реакций, хромирование металлов, производство красителей.
  • Молибден: катализаторы нефтехимических процессов, синтез аммиака, производство сталей с повышенной термостойкостью.
  • Вольфрам: катализаторы для органического синтеза, легирование высокопрочных сталей, электропроводящие и термостойкие материалы.

Биологическая роль

  • Cr(III) участвует в регуляции обмена глюкозы и липидов, Mo необходим для ферментов оксидаз и дегидрогеназ, W встречается в некоторых ферментах у микроорганизмов, повышая устойчивость к окислительному стрессу.

Сравнительная химия подгруппы

Свойство Cr Mo W
Плотность, г/см³ 7,19 10,2 19,25
Температура плавления, °C 1907 2623 3422
Степени окисления +2, +3, +6 +4, +5, +6 +4, +5, +6
Амфотерность высокая средняя умеренная
Тугоплавкость оксидов средняя высокая очень высокая

Элементы подгруппы хрома демонстрируют закономерное изменение физико-химических свойств при движении сверху вниз, переход от высокой химической активности Cr к высокой термической стабильности W. Они играют ключевую роль в промышленной химии, металлургии и материаловедении, благодаря разнообразию соединений и возможности комплексообразования.

Оглавление