Нахождение в природе

В подгруппах сверху вниз содержание d-элементов в земной коре снижается. Исключение составляют лишь скандий (которого в 2,5 раза меньше, чем иттрия) и технеций – он обнаружен в следовых количествах, в то время как кларк рения – 10⁻⁹ %. (Столько же в природе иридия.)

Больше всего из d-элементов на Земле железа (1,5%) и титана (0,2%), сравнительно много также марганца, никеля, меди (по 3 ⋅10⁻² %), цинка, кобальта (по 10⁻²%), ванадия и хрома (по 5 ⋅10⁻³%). Аналоги титана, ванадия и хрома относятся к среднераспространенным (10⁻³ −10⁻⁵%), содержание остальных d-металлов – небольшое

(10⁻⁶ −10⁻⁷%).

Значительная часть d-элементов находится в природе в виде оксидов (например,

Fe₃O₄ ), особенно это характерно для элементов начала декад (Sc₂O₃ , TiO₂ и др.); и в виде сульфидов – свойственно d-металлам конца декад (NiS, Cu₂S , ZnS и т.п.) (?).

Если элементы в устойчивой степени окисления достаточно электроотрицательны, чтобы давать кислотные соединения (Ti, V, W, Cr и др.), то они встречаются в виде солей в составе их анионов: (Fe,Ca)TiO₃ , Pb₅ (VO₄ )₃ Cl, (Ca,Fe,Mn)WO₄ , Fe(CrO₂ )₂ .

Напротив, элементы, образующие вещества с преобладанием оснóвных свойств, существуют в катионной форме (Fe и Mn в только что приведенных примерах, а также Ag и Cu в AgCl и (CuOH)₂ CO₃ ).

Благородные М (с положительным редокс-потенциалом) встречаются в самородном виде: ртуть, элементы подгруппы меди и т.н. платиновые металлы (Ru, Os,

Rh, Ir, Pd и Pt).

Многие d-элементы (особенно первой декады) находятся в качестве микрокомпонентов в растительных и животных организмах и играют столь важную роль в жизненных процессах, что их называют биогенами. Так, Fe, Co и Ni участвуют в кроветворении, а Fe (в составе гемоглобина) – необходимый компонент крови; V и Cr снижают содержание в ней холестерина и нормализуют работу сердца. Недостаток меди в организме приводит к анемии, а цинка – вызывает карликовость, ухудшает зрение, тормозит половое созревание. Внесение в почву микроудобрений, содержащих Cu, V и Mo, повышает урожайность зерновых, улучшает их качество и т.д.

Однако даже небольшой избыток d-элементов вредит растениям и отравляет живые организмы. И если учесть, что в биологическую миграцию вовлекается в десятки раз больше тяжелых М, чем их уносят реки, то ясно, что загрязнение ими окружающей среды – это загрязнение, в конечном итоге, и нашего организма.

Наиболее токсичны из металлов – ртуть и серебро. Но в микроколичествах

(10⁻⁹ моль/л) Ag убивает только микробов, поэтому проторголл (коллоидный раствор Ag ) ⁰ лечит насморк, а серебряная посуда обеззараживает пищу.

Получение d-металлов

Традиционно d-металлы восстанавливают из оксидов (в которые обжигом переводят и сульфиды). Для этого используют, например, активные М (Cr₂O₃ + Al) или водород – при выделении чистого Fe из оксидных руд. Но техническое железо, как и многие другие d-металлы, получают более дешевым методом - карботермией:

Fe₃O₄ + C → Fe + CO.

Причем, благодаря росту термодинамической устойчивости оксида углерода(II) при повышении температуры (?) практически любой d-элемент может быть восстановлен углем из его оксида. Однако при очень высоких температурах, необходимых для выделения сравнительно активных металлов (Cr, Mn, V), идет процесс образования их карбидов.

Во избежание карбидообразования восстанавливают смесь оксидов (в частности, природную «смесь» Fe(CrO₂ )₂ ). При этом получаются не чистые М, а сплавы, например, феррохром (от 60 до 85% Cr), ферромарганец (от 60 до 90% Mn), феррованадий (от 55 до 80% V). (Их добавляют в качестве легирующих материалов при выплавке стали.)

По мере выработки богатых руд описанные пирометаллургические методы оказываются не эффективными, и для переработки бедного сырья используют или хлорную¹¹⁵ металлургию ( TiO₂ + Cl₂ + C → TiCl₄ + CO ) с последующим

металлотермическим восстановлением ( TiCl₄ + Mg); или гидрометаллургию, в которой для извлечения целевого компонента применяют водные растворы реагентов: H₂SO₄ , NH , NaOH ₃ и др., а затем металлы восстанавливают из растворов образовавшихся солей электролизом (так получают Co, Ni, Cu, Zn и т.п.).