Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Три металла — медь, серебро и золото — составляют группу 1б периодической таблицы элементов. Все эти металлы образуют соединения со степенью окисления +1, как и щелочные металлы, однако по свойствам они очень мало похожи на щелочные металлы. Последние очень мягки и легки, а в химическом отношении весьма активны, тогда как металлы группы меди обладают значительно большей твердостью и плотностью, а в химическом отношении настолько инертны, что встречаются в природе в свободном состоянии и их легко можно получить восстановлением из соединений иногда даже простым нагреванием.
Электронные структуры меди, серебра и золота, а также цинка, галлия и родственных им элементов приведены в табл. 19.4.
Таблица 19.4. Электронные структуры меди, цинка, галлия и родственных им элементов
| Атомный номер | Элемент | Оболочки и подоболочки | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K | L | M | N | O | P | |||||||||||
| 1s | 2s | 2p | 3s | 3p | 3d | 4s | 4p | 4d | 4f | 5s | 5p | 5d | 6s | 6p | ||
| 29 | Cu | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 1 | ||||||||
| 30 | Zn | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 2 | ||||||||
| 31 | Ga | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 2 | 1 | |||||||
| 47 | Ag | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 2 | 6 | 10 | 1 | |||||
| 48 | Cd | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 2 | 6 | 10 | 2 | |||||
| 49 | In | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 2 | 6 | 10 | 2 | 1 | ||||
| 79 | Au | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 2 | 6 | 10 | 14 | 2 | 6 | 10 | 1 | |
| 80 | Hg | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 2 | 6 | 10 | 14 | 2 | 6 | 10 | 2 | |
| 81 | Tl | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 | 2 | 6 | 10 | 14 | 2 | 6 | 10 | 2 | 1 |
Из таблицы видно, что медь имеет один внешний электрон на 4s-орбитали N-оболочки, цинк имеет два внешних электрона на 4s-орбитали и галлий имеет три внешних электрона — два на 4s-орбитали и один на 4p-орбитали. Родственные им элементы также имеют один, два или три электрона на внешней оболочке. Оболочка, предшествующая внешней, во всех случаях содержит 18 электронов: для меди, цинка и галлия это M-оболочка, для серебра, кадмия и индия — N-оболочка, для золота, ртути и таллия — O-оболочка. Эти оболочки называют восемнадцатиэлектронными оболочками.
Электроны, находящиеся во внешней оболочке, удерживаются слабо и легко могут быть удалены. Ионы, образующиеся в результате такого удаления электронов (Cu+, Zn2+, Ga3+ и т. д.), имеют внешнюю оболочку из восемнадцати электронов и называются ионами с восемнадцатиэлектронной оболочкой. Если эти элементы теряют свои внешние электроны, образуя ионы с восемнадцатиэлектронной оболочкой, или делят внешние электроны с другими атомами, то степень окисления для меди, серебра и золота будет +1, для цинка, кадмия и ртути +2, для галлия, индия и таллия +3.
Для всех этих элементов перечисленные степени окисления очень важны; однако имеются и другие степени окисления. Ион меди Cu+ неустойчив, и соединения меди(I), за исключением очень плохо растворимых, легко окисляются. Ион меди(II) Cu2+ [гидратированный до Cu(H2O)42+] входит в состав многих солей меди, и соединения Cu(II) — важнейшие соединения меди. Атом меди в ионе Cu2+ лишен двух электронов и имеет в M-оболочке только семнадцать электронов. Фактически 3d- и 4s-электроны удерживаются атомом меди приблизительно с одинаковой силой. Нетрудно заметить, что электронная структура, приведенная в табл. 19.4 для меди, несколько отличается от структуры, соответствующей диаграмме энергетических уровней, приведенной на рис. 5.6, в том отношении, что на этой диаграмме медь имеет два 4s-электрона и только девять 3d-электронов.
Однозарядный положительный ион серебра Ag+ устойчив и образует много солей. В то же время получено крайне мало соединений, содержащих ионы серебра с двух- и трехположительным зарядом. Такие соединения — очень сильные окислители. Устойчивая степень окисления +1, проявляемая серебром, соответствует электронной структуре этого элемента, приведенной в табл. 19.4. Ag+ — ион с восемнадцатиэлектронной оболочкой.
Ион золота(I) Au+ и ион золота(III) Au3+ неустойчивы в водных растворах. Устойчивые соединения золота(I) и золота(III) содержат ковалентные связи, как в комплексных ионах AuCl2− и AuCl4−.
Химия цинка и кадмия довольно проста, поскольку эти элементы образуют только такие соединения, в которых они имеют степень окисления +2. Это состояние окисления вполне соответствует электронным структурам, приведенным в табл. 19.4. Оно отвечает потере или обобществлению двух внешних электронов. Ионы Zn2+ и Cd2+ обладают восемнадцатиэлектронной оболочкой.
Ртуть также образует соединения, в которых она имеет степень окисления +2. Ион ртути Hg2+ — ион с восемнадцатиэлектронной оболочкой. Наряду с этим ртуть образует ряд соединений [соединения ртути(I)], в которых она имеет степень окисления +1. Электронная структура таких соединений рассмотрена в разд. 19.18.