过渡金属元素分解
元素周期表中的过渡金属元素
元素周期表中的过渡金属元素元素周期表是一张记录了所有已知元素的表格，它按照一定规律排列了元素的原子序数和化学性质。
其中，过渡金属元素是周期表中的一类重要元素。
本文将介绍过渡金属元素的定义、特性以及在各个领域的应用。
一、过渡金属元素的定义过渡金属元素是指元素周期表中第4至第11族的元素，它们的电子配置在填充d轨道时出现了不规则的变化。
这类元素包括钛(Ti)、铬(Cr)、铁(Fe)、镍(Ni)等，共有38个元素。
过渡金属元素以其独特的物理和化学特性而备受关注。
二、过渡金属元素的特性过渡金属元素具有一系列独特的特性，使其在化学、材料科学以及生物学等领域具有重要应用价值。
1. 变价性：过渡金属元素的最外层电子数较少，因此它们容易失去或吸收电子，表现出多样的化合价态。
例如，铁在+2和+3价之间变化，形成不同的化合物。
2. 高熔点和良好的热导性：过渡金属元素由于其复杂的电子结构和强大的金属键，具有相对较高的熔点和良好的热导性。
因此，它们常被用于高温环境下的合金制备和热传导材料。
3. 催化性能：过渡金属元素在催化反应中起到重要作用。
它们能够改变反应的速率和方向，提高反应的效率。
例如，铂是许多重要催化剂的组成部分，广泛应用于汽车排放控制和化学工业中。
4. 彩色化合物的形成：过渡金属元素形成的化合物常常具有鲜艳的颜色。
这是由于它们d轨道电子的能级结构引起的。
例如，铜(II)离子形成的化合物呈现出蓝色，铬(III)离子形成的化合物呈现出绿色。
三、过渡金属元素的应用由于其独特的化学性质和物理特性，过渡金属元素在许多领域有着广泛的应用。
1. 工业领域：过渡金属元素被广泛应用于材料工程、电子工业和制药工业等领域。
例如，钢中的铁是由铁和碳以及其他过渡金属元素组成的合金，具有高强度和抗腐蚀性。
2. 能源产业：某些过渡金属元素在能源领域具有重要的作用。
铂、钴等元素被用作燃料电池的催化剂，提高其效率和稳定性。
铬和钒等元素则广泛应用于储能材料中。
元素周期表中的过渡金属
磁光效应：过渡金属的磁场可以影 响其光学性质，产生磁光效应
过渡金属在自然界 中的存在和提取
矿物和矿床
过渡金属主要存在于地壳中的矿物中，如铁矿、镍矿、钴矿等。 矿物中过渡金属的含量和分布受地质条件和成矿过程的影响。 提取过渡金属主要通过矿物冶炼和化学提纯等方法实现。 不同矿物中过渡金属的含量和纯度不同，提取方法也不同。
硬度：过渡金属的硬度较大，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
电导率和热导率
过渡金属的电导率通常较低，这是因为它们的电子结构相对稳定，难以被激发或离解。
热导率的变化趋势与电导率相反，过渡金属的热导率通常较高，这是因为它们具有较高的 声子平均自由程。 过渡金属的电导率和热导率还受到温度、纯度、金属的种类等因素的影响。
半径对性质的影响：较大的原子半径使得过渡金属容易形成金属间化合物， 而较小的离子半径则使得它们具有较高的离子键强度。
氧化态和氧化还原性质
氧化态：过渡金属具有多种氧化态，表现 出多种价态的特性。
氧化还原性质：过渡金属在氧化还原反应 中具有较高的反应活性，可以参与多种氧 化还原反应。
电子结构和光谱特征：过渡金属的电子结 构和光谱特征与其氧化态和配位环境密切 相关。
提取方法和工艺
火法和湿法 电解法和化学法 萃取法和离子交换法 溶剂萃取法和沉淀法
资源保护和可持续性发展
过渡金属在自然界中的分布和储量 提取技术和方法 资源保护和可持续性发展 循环利用和再生利用
过渡金属的用途和 展望
在工业和科技领域的应用
过渡金属在工 业中广泛应用， 如钢铁、有色
金属等。
未来研究和探索的方向
探索过渡金属在新能源领域的应用 研究过渡金属与其他元素的相互作用 深入了解过渡金属的物理和化学性质 开发新型过渡金属材料
第10章过渡金属元素
例：八面体配合物[Cr(NH3)2(H2O)2Br2]+
例：顺-[CoCl2(en)2]+
动植物体内含有许多具有旋光活性的有机 化合物，这类配合物对映体在生物体内的生理 功能有极大的差异。例如存在于烟草中左旋尼 古丁的毒性要比人工合成出来的右旋尼古丁毒 性大的多。旋光异构体的拆分及合成研究是目 前研究热点之一。
配合物的化学组成相同，而配体在空间的 排列位置不同而产生异构现象称为的立体异 构。立体异构又称为空间异构。立体异构又分 为几何异构和旋光(对映)异构两类。
1.几何异构
几何异构中最常见是顺反异构。 如四配位的MA2B2四边形和六配位的MA2B4 八面体中，均存在顺反异构现象。
例：平面四边形配合物[PtCl2(NH3)2]
（3）由杂化类型确定配合物空间构型（参 照下表）
杂化 类型
空间 构型
sp
直线 型
sp2
三角 形
sp3
正四 面体
dsp2
正方 形
sp3d dsp3
三角 双锥
sp3d2 d2sp3
正八 面体
（4）由杂化类型确定是内轨型还是外轨型 (只要有(n-1)d轨道参与杂化就是内轨型配合物, 否则为外轨型配合物)，成单电子数为0或1等 低电子数的为低自旋配合物，成单电子数多的 (一般>2)为高自旋配合物。
3.不能解释[Cu(H2O)4]2+的正方形构形等。 4.很难满意地解释夹心型配合物，如二茂 铁、二苯铬等的结构。
10.3 配合物的晶体场理论
10.3.1 基本要点 10.3.2 晶体场中的能级分裂 10.3.3 晶体场中的d电子排布
—高自旋与低自旋 10.3.4 晶体场稳定化能 10.3.5 晶体场理论的应用
元素周期表中的内过渡金属元素特性
元素周期表中的内过渡金属元素特性元素周期表是化学家们用来分类和组织化学元素的一张表格。
通过对元素周期表的研究，科学家们逐渐了解了不同元素的特性和行为。
在元素周期表中，内过渡金属元素是一类重要的元素，具有独特的特点和性质。
本文将介绍内过渡金属元素的特性，包括电子结构、化学反应和应用领域。
一、电子结构内过渡金属元素是指周期表中d区的元素，包括镧系和锕系元素。
它们的电子结构具有一定的特点，主要体现在d轨道的使用上。
内过渡金属元素的轨道层级为(n-2)f^(1-14)(n-1)d^0-10ns^0-2，其中n表示元素所在的主能级。
由于f轨道占据在d轨道之前，内过渡金属元素的电子结构复杂多样，使其具有丰富的化学行为和多种配位方式。
二、化学反应内过渡金属元素在化学反应中表现出独特的特性。
首先，内过渡金属元素的化合价较高，常见的化合价为+2和+3。
内过渡金属元素可以通过氧化还原反应改变氧化态，以适应不同环境的要求。
此外，内过渡金属元素还可以形成不同的配合物，与其他原子或离子形成稳定的配位化合物。
内过渡金属元素也具有良好的催化性能。
许多内过渡金属元素在化学反应中作为催化剂发挥重要作用。
例如，铁、铂和铑等元素被广泛应用于氢气的加氢反应和有机物的氧化反应。
内过渡金属元素的催化性能主要与其电子结构和配位方式有关。
三、应用领域内过渡金属元素具有广泛的应用领域，主要体现在以下几个方面。
1. 金属合金：内过渡金属元素具有良好的强度和耐腐蚀性，在金属合金中起到增加硬度和耐久性的作用。
例如，钛合金中的钛是一种重要的内过渡金属元素，具有轻质、高强度和耐热性的特点，被广泛应用于航空航天工业和生物医学领域。
2. 催化剂：如前所述，内过渡金属元素在化学反应中具有良好的催化性能。
它们可以提高反应速率、降低反应温度，并在合成化学、能源转化和环境保护等领域起到重要作用。
3. 发光材料：内过渡金属元素可以作为荧光粉等发光材料的组成部分。
例如，铑和镧被广泛用于制备LED、荧光灯等发光材料，具有高亮度和长寿命的特点。
元素周期表中的过渡金属和内过渡金属
其他化合物的性质
这些化合物具有独特的物理和化 学性质，如光学活性、磁有序性 和导电性等。
其他化合物的应用
在化学工业、材料科学和新能源 领域中，这些化合物具有广泛的 应用前景，如太阳能电池、磁性 材料和药物等。
06
过渡金属和内过渡金属的工业应用
在冶金工业中的应用
钢铁生产
过渡金属如铁、钴、镍等是钢铁生产中的重 要元素，可以提高钢材的强度、韧性和耐腐 蚀性。
总结词
包括铜、银、金等元素，具有稳定的价电子构型和良好的导电性。
详细描述
第一过渡系列元素位于周期表的第4至第12族，具有稳定的价电子构型，表现出良好的导电性和延展 性。这些元素在工业和日常生活中有广泛应用，如铜用于电线、管道和硬币制造，金则用于珠宝和投 资。
第二过渡系列
总结词
包括铁、钴、镍等元素，具有磁性和催化活性。
有色金属冶炼
铜、铝、锌等有色金属的冶炼过程中，过渡 金属作为杂质需要进行控制和去除。
在化学工业中的应用
催化剂
过渡金属化合物如铂、钯、铑等广泛应用于各种化学反应的催化，如加氢反应、氧化反 应等。
颜料与染料
某些过渡金属化合物具有特殊的颜色和稳定性，用于制造颜料和染料。
在其他领域的应用
磁性材料
过渡金属如铁、钴、镍等及其合金具有优异 的磁性能，用于制造磁性材料和器件。
硫化物和硒化物的性质
硫化物和硒化物的应用
在电子工业、光学材料和催化领域中 ，硫化物和硒化物具有重要应用，如 半导体材料、红外探测器和催化剂等 。
这些化合物具有不同的物理和化学性 质，如颜色、熔点、导电性和磁性等 。
其他化合物
其他化合物的种类
除了氧化物和硫化物/硒化物外， 过渡金属和内过渡金属还可以形 成多种其他类型的化合物，如卤 化物、络合物和氢化物等。
元素周期表中的过渡金属特点与应用
元素周期表中的过渡金属特点与应用过渡金属是指位于d区的元素，它们在原子内外电子的排布上具有特殊性质，呈现出独特的化学性质和广泛的应用价值。
下面将从元素周期表的角度出发，详细介绍过渡金属的特点和应用。
一、元素周期表中的过渡金属特点过渡金属具有以下特点：1. 化合价多变性：过渡金属能够在化合物中以不同的化合价存在。
这一特点使得它们可以形成多种不同的化合物，从而拓展了它们的应用领域。
2. 原子尺寸和离子半径变化规律：过渡金属的原子尺寸和离子半径在周期表中呈现出规律性的变化。
随着元素周期数的增加，原子半径逐渐减小，而离子半径则呈现复杂的变化规律。
3. 异常磁性：过渡金属具有较强的磁性，其中铁、镍和钴是常见的磁性过渡金属。
这一特点使得它们在制造电磁设备、磁性材料等方面具有重要的应用。
4. 催化性能：过渡金属具有优良的催化性能，尤其是在工业生产过程中的应用广泛。
比如，钯金属催化剂常用于化学合成中的氢化反应和氧化反应。
5. 彩色离子：过渡金属的化合物往往呈现出丰富多彩的颜色。
这是由于过渡金属能够吸收和发射可见光范围内的电磁波，使物质呈现不同的颜色。
二、过渡金属的应用1. 催化剂应用：过渡金属常被用作催化剂，广泛应用于各个行业。
铂金属催化剂在汽车尾气净化中起到催化还原的作用，使有害气体转化为无害物质；钯金属催化剂在有机合成中能够加速氢化和氧化反应，提高反应速率。
2. 电池材料：过渡金属氧化物常被用作电池材料。
锰酸锂是一种常用的正极材料，在锂离子电池中具有高能量密度和长循环寿命的特点。
3. 金属合金：过渡金属是制备金属合金的重要成分。
例如，钢中加入适量的铬、钼等过渡金属可以提高钢的硬度和耐腐蚀性，使其具备更广泛的应用领域。
4. 光电器件：过渡金属氧化物和硫化物是光电器件的重要组成部分。
如氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜广泛应用于显示器和太阳能电池等领域。
5. 颜料和染料：过渡金属化合物常被用作颜料和染料，给产品带来丰富的颜色。
元素周期表中的过渡金属
医学应用
01
02
03
药物合成
过渡金属在药物合成中发 挥重要作用，如铂、钴、 镍等金属的配合物用于治 疗癌症的药物研发。
诊断试剂
某些过渡金属离子如铁、 铜、锌等参与生物体内的 代谢过程，可作为生物标 记物用于诊断疾病。
医疗器械
一些具有特殊物理和化学 性质的过渡金属及其合金 用于制造医疗器械，如手 术刀具、植入物等。
环境治理
污水处理
过渡金属化合物在污水处理中具有重要作用 ，能够有效去除水中的重金属离子和有害物 质，保障水质安全。
大气治理
利用过渡金属化合物去除大气中的有害气体 ，如二氧化硫、氮氧化物等，有助于改善空
气质量。
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元素周期表中的过渡金属
CONTENTS
• 过渡金属的概述 • 过渡金属的化学性质 • 过渡金属的物理性质 • 过渡金属的应用 • 过渡金属的发现与开采 • 过渡金属的未来发展
01
过渡金属的概述
定义与特性
定义
过渡金属是元素周期表中d区和ds区 的金属元素，它们具有未填满的d电 子壳层。
特性
过渡金属具有多种氧化态，可以形成 多种复杂的化合物，具有丰富的化学 性质和物理性质。
功能材料
过渡金属化合物在磁性、光学、电学 等方面具有优异性能，可用于信息存 储、光电器件、传感器等领域。
新能源开发
燃料电池催化剂
过渡金属（如铂、钯等）具有良好的催化性能，是燃料电池中重要的催化剂，有助于提 高燃料电池的效率和稳定性。
太阳能电池
过渡金属化合物在太阳能转换方面具有潜在应用价值，能够提高太阳能电池的光电转换 效率和稳定性。
详细描述
过渡金属具有多种氧化态，这是因为它们的d电子可以轻易地参与成键，形成不 同的价态。此外，由于d电子的存在，使得相邻氧化态间的电离能差较小，这使 得过渡金属在化学反应中容易发生氧化还原反应。
过渡金属Fe,Al,Cu
I.铁Fe一、铁的结构和性质1.铁是26号元素，位于第四周期第训I族，属于过渡元素。
原子结构示意图：主要化合价：+2, +32.铁在金属的分类中属于黑色金属，重金属，常见金属。
纯净的铁是光亮的银白色金属，密度为7.86g/cm 3,熔沸点高，有较好的导电、传热性，能被磁铁吸引，也能被磁化。
还原铁粉为黑色粉末。
3.铁是较活泼的金属元素，在金属活动性顺序表中排在氢的前面。
①跟非金属反应:点燃点燃△3Fe+2O2 == Fe3O42Fe+3Cl2 ==2FeCl3 Fe+S= FeSFe+I2= FeI2②跟水反应：3Fe+4H20==（高温）==Fe3O4+4H2炼铁料化学原理铁矿石、焦炭、石灰石、空气在高温下用还原剂从铁矿石里还原出来I①还原剂的生成炼钢生铁、空气（或纯氧、氧化铁）、生石灰、脱氧剂在高温下用氧化剂把生铁里过多的碳和其它氧化为气体或炉清除去I ______________________________________________________________________________________①氧化：2Fe+02fBi温 2FeOC+O2=CO2CO +C 同温2CO 2FeO氧化铁水里的Si、Mn、C等。
如 C+FeO②铁的还原亘ie+COTFe2O3+3CO ）高2Fe+3CO2②造渣：生成的硅锰氧化物得铁水里的硫、磷跟造渣材料反应形成炉渣排出。
③炉渣的生成③脱氧，并调整Mn、Si含量CaCO3向温 CaO+CO22FeO+SiEL=E2Fe+SiO2③跟酸作用：Fe+2H+=Fe2++H t （遇冷浓硝酸、浓硫酸钝化；与氧化性酸反应2不产生H2,且氧化性酸过量时生成Fe3+）④与部分盐溶液反应：Fe+Cu2+=Fe2++Cu Fe+2Fe3+=3Fe2+4.炼铁和炼钢的比较1.过渡元素位于周期表中中部从niB〜ii B族十个纵行，分属于第四周期至第七周期。
过渡元素都是金属，又叫过渡金属。
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其中：ΦA / V
Cr2O72 -/ Cr3+ MnO4- / Mn2+ FeO42- / Fe2+ NiO42- / Ni2+
1.33 1.49 1.84 1.75
（三）氧化态的稳定性
2．同一族
高稳氧 氧定化 化性性 态↗↘
Ⅵ
CrO42-/Cr3+ MoO4-/M3+ WO42-/W3+
Ⅶ
MnO4-/Mn2+ TcO4-/Tc+3 ReO4-/Re3+
低稳 氧定 化性 态
↗
与ⅢA ~ ⅤA 族规律相反！
反映过渡金属元素 5d, 6d 电子参与成键倾向↑
原因：
（1）（n-1）d 电子电离能
n ↗, (n-1)d 电子电离倾向↘ （d 电子云发散）
（2）形成 d-p 键能力：
3d < 4d < 5d
稳定性： 氧化性：
CrO42- < MoO42- < WO42-
二、氧化态
（一）同一元素，多种氧化态
原因：（n-1）d 与 ns 轨道能量相近，部分(n-1)d 电子参与成键。
例：Mn 2 ~ +7 均出现，主要+2，+3，+4，+6，+7. Fe 2 ~ +6 均出现，主要+2，+3，+6.
（二）最高氧化态
ⅢB ~ ⅦB 族：最高氧化态 == 族数
例： Sc Cr Mn
24Cr
3d54s1
不是 3d44s2
41Nb 铌
4d45s1
不是 4d35s2
42Mo
4d55s1
不是 4d45s2
43Tc 锝
4d65s1
不是 4d55s2
E4 d < E5 s
44Ru 钌
4d75s185s1
不是 4d75s2
46Pd 钯
4d105s0
不是 4d85s2
Ⅵ
五
Y
Zr
Nb
Mo
六 La-Lu Hf Ta W
3．同一副族（ⅣB ~ Ⅶ）第一电离能 I1 相近
第五周期
第六周期
r 相近，第六周期元素 Z*↑↑, I1 相近
（二）同一副族原子半径：第四周期元素 < 五 ~ 六
过渡金属元素
（ⅢB~ⅤⅢ族，d 区）
(n-1)d1~9 ns1~2 (例外 Pd 4d10 5s0 )
表 过渡金属元素（d 区元素共 25 种）
周期\族 ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB
Ⅷ
四 Sc Ti Ⅴ Cr Mn Fe Co Ni
五 Y Zr Nb Mo Tc
Ru Rh Pd
六 La Hf Ta W Re
ⅢB ⅦB Ⅷ
+3 +7 +6 最高氧化态氧化性↗ 最高氧化态稳定性↘
低氧化态稳定性↗
例 第一过渡系列：
氧化性 稳定性
Sc3+ < TiO2+ < VO2+ < Cr2O72 - < MnO4- < FeO42Sc3+ > TiO2+ > VO2+ > Cr2O72- > MnO4- > FeO42-
例：r / pm 57 La 187.7, 71 Lu 173.5
Δr
187.7 173.5 = 71 57
≈ 1 pm
三、原子半径：
“镧系收缩”
——从 57 Ln – 71 Lu，随着原子序数递增，增加的电子进入 (n-2) f（即 4f）轨道(4f 0 ~145d 0~16s 2)；对于最外层 6s 电子而言，4f 电子位于次外层， Z*增加很小，因此
原子序 Z↗，Z*↗，（电子数↗），r ↘ (总趋势)
右
Ⅷ
(n-1)d10
Ni 125pm
ⅠB
(n-1)d10ns1
Cu 128pm
ⅡB
(n-1)d10ns2
Zn 133pm
原因：d 10 电子云球形，对核电荷 Z 屏蔽作用↑，Z* 增加少，而 ns 电子数目↑， 使电子互相作用↑，r↑
三、原子半径：
Os Ir Pt
七 Ac
● 分为三个系列。第四周期的Sc—Ni为第一过渡系列元素； 第五周期中的Y—Pd为第二过渡系列元素；第六周期中的La—Pt为
第三过渡系列元素。 习惯上把第一过渡系列元素称为轻过渡元素，把第二、第三过渡系列 称为重过渡元素。
此外：ΔZ =1 ，增加的电子填入(n-2)f 亚层
镧系 57La ~ 71Lu（15 种元素）。
五Y
198.3
180.3
180.1
六 La-Lu
离子半径/pm
67Ho3+
Y 39 3+
68Er3+
89.4
89.3
88.1
习惯上，把 Y 列入“重稀士”。
“镧系收缩”的影响：
2．紧随镧系之后的第六周期几种元素 Hf（铪）,Ta（钽）和
（钼）与同族第五周期元素原了半径相近，性质相似难以分离：
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
>
>
系 列：
一
二三
对比主族元素：恰好相反。
ⅢA
ⅣA
ⅤA
第六周期
Tl （Ⅲ)
Pb(Ⅳ)
Bi(Ⅴ)
强氧化性
（低稳定性）
（6s2 惰性电子对效应）
r Z*↗
（
占 优
次 要 ）
三、原子半径：
影响原子半径因素
Z* ↗， r ↘ 同亚层：电子数↑，r↑ 主量子数n = 电子层数↑，r↑
（一）同一周期：
左
例外：
同一周期，相邻两元素原子半径平均减小值Δr：
周期
ΔZ 增加的电子 σ
ΔZ*
进入
(slater 规
则)
二、三（短） 1
ns 或 np
0.35 0.65 10
四、五、六
1
(n-1)d
0.85 0.15 5
(d 区)
镧系
1
(n-2)f
→1 很小 1
Δr /pm
二 12.2,三 9.1 四 5.6, 五 6.1, 六 7.0 “镧系收缩”
4f 2~145d 0-1 6s 2 锕系 89Ac~103Lr 铹（15 种元素）
→“内过渡元素”
5f 0~146d 0~1 7s 2
过渡元素的通性
一、价电子构型
通式：(n-1)d1~9 ns1~2
中性原子的原子轨道能量随原子序数的变化：n 和 l 竞争。
例外：Z = 24，41 ~ 46：“能量最低原理”
+3
Ⅲ
+6
Ⅵ
+7
Ⅶ
3d 14s 2 3d 54s 1 3d 54s 1
（二）最高氧化态
但Ⅷ族：
多数最高氧化态 < 族数，
反映 Z *↑↑，不是所有(n-1)d 电子均可参与成键。
例：仅见 RuO4 OsO4
而 FeO42-
NiO42-
高铁酸根 高镍酸根
强氧化性
（三）氧化态的稳定性
1．同一周期
最高氧化态
1．相邻两元素原子半径仅略为缩小 (Δr ≈ 1pm)； 2．但 57 Ln – 71 Lu 共 15 种元素，累积的原子半径缩小值Δr 相当大，达
14.2 pm 。
“镧系收缩”的影响：
1．第五周期，ⅢB 族元素钇（Y）成为“稀士”一员 ：
四 Sc
金属半径/pm
63Eu 4s76s2 39Y 4d15s2 64Gd 4f75d16s2