19.1. Електронні структури та ступені окиснення Феруму, Кобальту, Нікелю і платинових металів

Електронні структури Феруму, Кобальту, Нікелю і платинових металів наведено в табл. 19.1; ці структури відповідають енергетичним рівням, поданим на рис. 5.6. Слід зазначити, що кожен із розглядуваних атомів має два зовнішні електрони: у випадку Феруму, Кобальту й Нікелю це електрони на 4s-орбіталі, для Рутенію, Родію та Паладію — на 5s-орбіталі; для Осмію, Іридію й Платини — на 6s-орбіталі. Наступна внутрішня оболонка в цих елементів не завершена: 3d-орбіталь (або відповідно 4d- і 5d-орбіталі) містить лише шість, сім і вісім електронів замість повного комплекту з десяти електронів.

Таблиця 19.1. Електронні структури Феруму, Кобальту, Нікелю і платинових металів

Можна очікувати, що два зовнішні електрони легко відділятимуться, внаслідок чого утворюватиметься двозарядний позитивний іон. І справді, Ферум, Кобальт і Нікель утворюють важливі ряди сполук, у яких атоми металів несуть подвійний позитивний заряд. Ці метали мають ще один або кілька вищих станів окиснення. Платинові метали утворюють ковалентні сполуки, для яких характерні різні ступені окиснення між +2 і +8.

Ферум може перебувати в ступенях окиснення +2, +3 і +6, причому останній стан трапляється дуже рідко й представлений лише кількома сполуками, подібними до калій ферату K₂FeO₄. Ступені окиснення +2 і +3 відповідають іонам Fe²⁺ та Fe³⁺. Іон Феруму(II) має шість електронів у незавершеній 3d-підоболонці, а іон Fe³⁺ — п'ять електронів у цій підоболонці. Магнітні властивості сполук Феруму та інших перехідних елементів зумовлені наявністю меншого числа електронів у 3d-підоболонці, ніж необхідно для її заповнення. Так, іон Fe³⁺ може мати всі п'ять 3d-електронів зі спінами, орієнтованими в одному й тому самому напрямку, оскільки в 3d-підоболонці є п'ять 3d-орбіталей, а принцип Паулі дозволяє паралельну орієнтацію спінів електронів, доки на кожну орбіталь припадає лише один електрон. Іон Феруму(II) Fe²⁺ легко окиснюється повітрям або іншими окисниками до іона Феруму(III) Fe³⁺. Обидва ці іони, дво- і тризарядний, утворюють комплексні іони — гексаціаноферат(II) Fe(CN)₆⁴⁻ і гексаціаноферат(III) Fe(CN)₆³⁻, але не утворюють комплексів з амоніаком.

Відомі сполуки Кобальту(II) і Кобальту(III); іон Кобальту(II) Co²⁺ набагато стійкіший за іон Кобальту(III) Co³⁺, який має окисні властивості, достатньо сильні для того, щоб окиснювати воду з виділенням кисню. Водночас ковалентні комплекси Кобальту(III), такі як гексаціанокобальтат(III)-іон Co(CN)₆³⁻, дуже стійкі, тоді як комплекси Кобальту(II), подібні до гексаціанокобальтат(II)-іона Co(CN)₆⁴⁻, нестійкі й є сильними відновниками.

Нікель утворює лише один ряд солей, що містять іон Ni²⁺. Відомо лише кілька сполук Нікелю, в яких він має вищий ступінь окиснення; найважливішою з них є нікель(IV) оксид NiO₂.

Як уже було зазначено в розд. 17, залізо, кобальт і нікель у металевому стані та в сплавах шестивалентні. Така висока металева валентність зумовлює велику міцність зв'язків, і це визначає цінні властивості сплавів відповідних металів — їхню міцність і твердість.