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20.1: 过渡金属的属性
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过渡金属的属性
 
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20.1: 过渡金属的属性

过渡金属被定义为部分填充 d 轨道的元素。如图 1 所示,第 3-12 组中的 d块元素是过渡元素。 f-块元素,也称为 内部过渡金属 (烷酰胺和行动分子),也符合这一标准,因为 d 轨道在 f 轨道之前被部分占用。

Image1

图1:周期表。 过渡金属位于周期表的第 3-11 组。内部过渡金属位于表体下方的两行中。

d-块元素分为第一个过渡系列(元素 Sc 通过 Cu)、第二个过渡系列(元素 Y 到 Ag)和第三个过渡系列(元素 La 和元素 Hf 通过 Au)。Actinium, Ac, 是第四个过渡系列的第一个成员, 其中还包括 Rf 通过 Rg 。

f块元素是 Ce 通过 Lu 的元素, 构成兰萨尼德系列 (或兰塔诺德系列), 和元素 Th 通过 Lr, 构成行为系列 (或行为系列) 。由于兰塔努姆的行为非常像兰他尼元素,它被认为是一个兰他尼元素,即使它的电子配置使它成为第三个过渡系列的第一个成员。同样,行为意味着它是行为素系列的一部分,尽管其电子配置使其成为第四个过渡系列的第一个成员。

过渡元件与其他金属有许多共同点。它们几乎都是硬的,高熔化的固体,传导热量和电力良好。它们很容易形成合金,失去电子,形成稳定的 cations。此外,过渡金属形成多种稳定的协调化合物,其中中央金属原子或离子充当刘易斯酸,并接受一对或多对电子。许多不同的分子和离子可以捐赠单独对金属中心,作为刘易斯基地。

过渡元素的属性

过渡金属表现出广泛的化学行为。有些过渡金属是强减压剂,而另一些则反应非常低。例如,兰萨尼德都形成稳定的3+口粮。这种氧化的驱动力类似于碱性地球金属,如贝或毫克,形成 Be2+ 和 Mg2+。另一方面,铂金和黄金等材料具有更高的减排潜力。他们抵抗氧化的能力使他们成为建造电路和珠宝的有用材料。

较轻的d块元素的离子,如Cr3+,Fe3+和Co2+,形成五颜六色的水合离子,在水中稳定。然而,在这些时期(Mo3+,Ru3+和 Ir2+)下方的离子不稳定,很容易与空气中的氧气发生反应。大多数由较重的d块元素形成的简单、水稳定的离子是氧化离子,如 MoO42+和 ReO4-

铀、铀、钠、钛、铂是铂金属。在困难中,它们形成在水中稳定的简单cations,并且,与第二和第三个过渡系列中的早期元素不同,它们不会形成稳定的氧酸。

d-f-块元素都与非金属反应,形成二元化合物:通常需要加热。这些元素与卤素发生反应,形成各种氧化状态下的卤化物,从 +1 到 +6 不等。在加热时,氧气与除铂金、铂金、银和金以外的所有过渡元素发生反应。后一种金属的氧化物可以使用其他反应剂形成,但在加热时分解。f-块元素、第3组元素和除铜以外的第一个过渡系列的元素与酸水溶液反应,形成氢气和相应的盐溶液。

过渡金属可以形成具有广泛氧化状态的化合物。第一个过渡系列元素的某些观察到的氧化状态显示在表 1 中。在第一个过渡系列中,从左到右移动,常见氧化状态的数量首先增加至表中间的最大值,然后减少。表中的值是典型值:还有其他已知的值,并且可以合成新的添加项。例如,在2014年,研究人员成功地合成了一种新的氧化状态虹膜(+9)。

21Sc 22 23V 24Cr 2500万吨 26 27公司 28 29 30Zn
+1
+2 +2 +2 +2 +2 +2 +2 +2
+3 +3 +3 +3 +3 +3 +3 +3 +3
+4 +4 +4 +4
+5
+6 +6 +6
+7

表 1. 第一个过渡系列的过渡金属可以形成具有不同氧化状态的化合物。

对于通过锰扫描的元素(第一个过渡系列的前半部分),最高的氧化状态对应于其价壳 的 sd 轨道中所有电子的丢失。例如,钛(IV)离子是在钛原子失去两个3d 和2个4s 电子时形成的。这些最高的氧化状态是最稳定的稀有钛、钛和钛。然而,在我们继续通过该系列时,不可能继续从金属中去除所有价电子。众所周知,铁形成氧化状态从+2到+6,铁(II)和铁(III)是最常见的。第一个过渡系列的大部分元素形成离子,电荷为2+或3+,在水中稳定,虽然该系列的早期成员的离子很容易被空气氧化。

第二和第三个过渡系列的元素在较高的氧化状态下通常比第一个系列的元素更稳定。一般来说,原子半径会向下增加一组,导致第二和第三系列的离子比第一个系列的离子大。从离原子核较远的轨道上去除电子比去除靠近原子核的电子要容易得多。例如,第 6 组成员的桉和钨在液态溶液中大多受限于 +6 的氧化状态。铬是该组中最轻的成员,在水中形成稳定的Cr3+ 离子,在没有空气的情况下,形成不太稳定的Cr2+ 离子。铬氧化状态最高的硫化物为Cr2S3,含有Cr3+ 离子。莫利布登和钨形成硫化物,其中金属表现出+4和+6的氧化状态。

过渡金属所展示的各种特性是由于其复杂的价壳。与通常观察到一种氧化状态的大多数主要组金属不同,过渡金属的价壳结构意味着它们通常发生在几个不同的稳定氧化状态中。此外,这些元素中的电子转换可以与可见电磁光谱中光子的吸收相对应,从而导致彩色化合物。由于这些行为,过渡金属表现出丰富而迷人的化学成分。

本文改编自 Openstax、化学 2e、第 19.1 章、过渡金属及其化合物的发生、准备和特性。

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