过渡金属
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元素及其性质研究
地壳中过渡金属元素的种类和分布
地壳中过渡金属元素的开采难度和成本
地壳中过渡金属元素的应用领域和价值
地壳中过渡金属元素的丰度排名
过渡金属元素在自然界中的分布：主要存在于地壳中，如铁、铜、锌等
开采方法：根据元素性质和矿床类型选择合适的开采方法，如露天开采、地下开采等
镍的化合物：硫酸镍、氯化镍、硝酸镍等
Hale Waihona Puke 铜元素：原子序数29，位于元素周期表第四周期
铜的物理性质：红色金属，具有良好的导电性和导热性
铜的化学性质：在空气中稳定，不易氧化，但在高温下可与氧气反应生成氧化铜
铜的化合物：包括氧化铜（CuO）、硫酸铜（CuSO4）、氯化铜（CuCl2）等，具有不同的物理和化学性质
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元素周期表中的过渡金属元素及其性质研究
目录
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过渡金属元素概述
过渡金属元素的物理性质
过渡金属元素的化学性质
常见过渡金属元素及其化合物
过渡金属元素在自然界中的存在和开采
添加章节标题
过渡金属元素概述
过渡金属元素位于周期表的第4、5、6周期
过渡金属元素包括铁、钴、镍、铜、锌、钼、钨、钽、铌、钌、铑、钯、银、金、铂、汞等
过渡金属元素在工业上广泛应用，如铁、铜、铝等
过渡金属元素在生物体内具有重要作用，如铁、锌等
过渡金属元素在环保领域也有广泛应用，如铬、锰等
过渡金属元素在化学实验中常用作催化剂，如镍、铂等
过渡金属元素的物理性质
过渡金属元素的原子结构：原子半径、电离能、电子亲和能等
电子排布：过渡金属元素的电子排布规律和特点
原子结构对物理性质的影响：如熔点、沸点、导电性等
过渡金属催化
过渡金属催化过渡金属催化是一种重要的有机合成方法，它可以在化学反应中起到催化剂的作用，促进反应的进行。
过渡金属催化已经成为有机合成领域中的重要技术之一，广泛应用于医药、农药、材料科学等领域。
过渡金属催化的基本原理是利用过渡金属离子的电子结构和化学性质，促进有机分子之间的反应。
过渡金属离子具有较高的电子亲和力和亲电性，可以与有机分子中的双键、三键等反应中的活性中心发生配位作用，形成中间体，从而促进反应的进行。
过渡金属催化反应的优点是反应条件温和，反应速率快，产率高，选择性好，可以进行多步反应等。
过渡金属催化反应的种类繁多，其中最常见的是烯烃的氢化反应、烯烃的加成反应、芳香化反应、羰基化反应、氧化反应等。
这些反应在有机合成中具有广泛的应用，可以合成各种有机化合物，如酮、醛、酸、酯、醇、胺等。
烯烃的氢化反应是过渡金属催化反应中最常见的一种。
烯烃是一种具有双键结构的有机分子，可以通过氢化反应将双键转化为单键，形成烷烃。
这种反应可以使用铂、钯、镍等过渡金属作为催化剂，反应条件一般为高压、高温、氢气气氛下进行。
烯烃的氢化反应在医药、化妆品、香料等领域中有广泛的应用，可以合成各种有机化合物。
烯烃的加成反应是另一种常见的过渡金属催化反应。
烯烃可以与其他有机分子发生加成反应，形成新的化合物。
这种反应可以使用铑、钯、铜等过渡金属作为催化剂，反应条件一般为常温下进行。
烯烃的加成反应在医药、材料科学等领域中有广泛的应用，可以合成各种有机化合物。
芳香化反应是一种将非芳香性化合物转化为芳香性化合物的过渡金属催化反应。
这种反应可以使用钯、铂、铜等过渡金属作为催化剂，反应条件一般为高温、高压下进行。
芳香化反应在医药、农药、香料等领域中有广泛的应用，可以合成各种有机化合物。
羰基化反应是一种将醇、醛、酮等化合物转化为羰基化合物的过渡金属催化反应。
这种反应可以使用铑、钯、铜等过渡金属作为催化剂，反应条件一般为常温下进行。
羰基化反应在医药、化妆品、香料等领域中有广泛的应用，可以合成各种有机化合物。
过渡金属
r (M) pm
181 160 143
Ei,1 kJ ⋅ mol
4 642.6 642.3 691.2
−1
氧化值 +3 +2,+3,+4 +2,+3,+4,+5
无机化学
4d55s1 2622 4825 136 4d55s2 2157 2334 1963 1555 962 321 4265 4150 3727 3167 2164 765 136 133 135 138 144 149 708.2 707.6 733.7 810.5 737.2 874.0 4d75s1 4d85s1 4d105s0 4d105s1 4d105s2
某些含氧酸根离子具有颜色，如 VO3−、CrO 2− 、 4 4 MnO − 等，通常认为它们的颜色是由电荷迁移引起 4 的。上述离子中的金属原子都处于最高氧化值，其 形式电荷分别为 V5+、Cr6+、Mn7+，它们都具有 d0 电子组态。V5+、 Cr6+、Mn7+ 都有较强的夺取电子 的能力，这些酸根离子吸收了一部分可见光的能量 后，氧阴离子的电荷会向金属离子迁移。伴随着电 荷迁移，这些离子呈现出不同的颜色。
无机化学
第一过渡系金属水合离子的颜色
d 电子数 d0 d1 d2 d3 d3 d4 d4 d5 水合离子 [Sc(H2O)6]3+ [Ti(H2O)6]3+ [V(H2O)6]3+ [V(H2O)6]2+ 颜色 无色 紫色 绿色 紫色 紫色 蓝色 红色 d 电子数 d5 d6 d6 d7 d8 d9 d10 水合离子 颜色
+2,+3,+4,+6,+7 +2,+3, +6 +2,+3 +2,+3 +1,+2 +2
过渡金属化合物的颜色
常见过渡金属离子及化合物颜色:一.铜副族(IB)：1.1铜化合物：焰色绿；CuF 红；CuCl 白↓；CuBr 黄↓；CuI 棕黄↓；CuCN 白↓；Cu2O 暗红；Cu2S 黑；CuF2 白；CuCl2 棕黄(溶液黄绿)；CuBr2 棕；Cu(CN)2 棕黄;CuO 黑；CuS黑↓；CuSO4 无色；CuSO4·5H2O 蓝；Cu(OH)2 淡蓝↓；Cu(OH)2·CuCO3 墨绿；[Cu(H2O)4]2+蓝；[Cu(OH)4]2‐蓝紫；[Cu(NH3)4]2+ 深蓝；[CuCl4]2‐黄；[Cu(en)2]2+ 深蓝紫；炔铜红↓.1.2 银化合物：AgOH 白(常温分解)；Ag2O 黑；新制AgOH 棕黄(混有Ag2O)；蛋白银(AgNO3 滴手上) 黑↓；AgF 白；AgCl 白↓；AgBr 淡黄↓；AgI 黄↓(胶体)；Ag2S 黑↓；Ag4[Fe(CN)6]白↓；Ag3[Fe(CN)6] 白↓；Ag+,[Ag(NH3)2]+,[Ag(S2O3)2]3‐,[Ag(CN)2]‐无色.1.3 金化合物：HAuCl4·3H2O 亮黄晶体；KAuCl4·1.5H2O 无色片状晶体；Au2O3 黑；H[Au(NO3)4]·3H2O 黄色晶体；AuBr 灰黄↓；AuI 柠檬黄↓.二.锌副族(IIB)：2.1 锌化合物：ZnO 白(锌白颜料)↓；ZnI2 无色；ZnS 白↓；ZnCl2 白色晶体(溶解度极大,水溶液酸性).2.2 镉化合物：CdO 棕灰↓；CdI2 黄；CdS 黄(镉黄颜料)↓；HgCl2(升汞) 白色；HgNH2Cl白↓；Hg2Cl2(甘汞) 白↓.2.3 汞化合物：HgO 红(大晶粒)或黄(小晶粒)↓；HgI2 红或黄(微溶)；HgS 黑或红↓；Hg2NI·H2O 红↓；Hg2(NO3)2 无色晶体.2.4 ZnS 荧光粉：Ag 蓝；Cu 黄绿；Mn 橙.三. 钪副族(IIIB)：略四.钛副族(IVB)：4.1 钛化合物：Ti3+ 紫红；[TiO(H2O2)2]2+ 橘黄；H2TiO3 白色↓；TiO2 白(钛白颜料)或桃红(金红石)↓；(NH4)2TiCl6 黄色晶体；[Ti(H2O)6]Cl3 紫色晶体；[Ti(H2O)5Cl]Cl2·H2O 绿色晶体；TiCl4 无色发烟液体.4.2 锆、铪：MO2,MCl4 白.五. 钒副族(VB)：5.1 钒化合物：V2+ 紫；V3+ 绿；V4+ 蓝；V5+ 黄；VO 黑；V2O3 黑；VO2 黄；V2O5 黄或砖红；水合V2O5 棕红；饱和V2O5 溶液(微溶) 淡黄. VO4^3‐黄。
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
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。
元素周期表中的过渡金属
元素周期表中的过渡金属元素周期表是化学中的重要工具，它按照原子序数将化学元素分类，并提供了有关元素性质的重要信息。
在周期表中，过渡金属是一组独特的元素，它们在化学和物理性质上与其他元素有所不同。
本文将介绍元素周期表中的过渡金属，并探讨它们的特点、应用和重要性。
1. 过渡金属的定义过渡金属是周期表中位于d区的元素，它们的电子结构具有特殊的特点。
这些元素的外层电子结构通常包含一个或多个d电子，因此它们被称为“过渡元素”。
过渡金属的一些典型代表包括铁、铜、铬和钼等。
2. 过渡金属的特性过渡金属具有许多独特的化学和物理性质，使其在许多应用领域中非常重要。
以下是一些过渡金属的典型特性：2.1 变价性：过渡金属的不同价态具有不同的电子配置，这使它们在化学反应中能够转移电子，从而形成不同的化合物。
2.2 良好的导电性和导热性：过渡金属通常具有良好的导电性和导热性，使其在电子工业和热传导领域得到广泛应用。
2.3 高熔点和高沸点：大多数过渡金属具有较高的熔点和沸点，这使其在高温环境下稳定性较好。
2.4 形成彩色化合物：过渡金属离子可以吸收和发射可见光，因此它们在形成彩色化合物和催化剂中具有重要作用。
3. 过渡金属的应用由于过渡金属的特殊性质，它们在许多不同的领域中得到广泛应用。
以下是一些常见的应用领域：3.1 电子工业：过渡金属的良好导电性使其成为电子器件中常用的材料，如导线、接插件和电路板等。
3.2 催化剂：许多过渡金属离子具有良好的催化活性，因此它们广泛应用于化工工业中的反应催化剂。
3.3 金属合金：过渡金属与其他元素的合金形成具有特殊性能的金属材料，如钢铁、铜合金和镍基合金等。
3.4 医学应用：一些过渡金属离子在医学领域具有抗菌、止血和治疗特定疾病的作用，如铁离子在贫血治疗中的应用。
4. 过渡金属的重要性过渡金属在化学和材料科学中的重要性不可忽视。
它们的独特性质为我们提供了研究和开发新材料、催化剂和技术的基础。
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NiO
由于3d轨道形成的能带比较窄，电子之间的排斥作用强。假设向NiO加入一个电子，电 子不能讨论成对进入能带，而是倾向进入不同自旋的分立能带中，与高自旋离子情况近似 ，可用两个半反应讨论NiO中电子排斥作用。
NiO体系中价带与Ni2+离子的能量状态对应， 半反应为：Ni3+ + e —→ Ni2+ NiO体系中导带是与Ni +离子关联的能量状态， 半反应为：Ni2+ + e —→ Ni + 反应能量分别对应与自由镍离子的第二和第三电离能。 氧离子的能量状态对应于O-的电子亲和势：O- + e —→ O2-
固体能带理论：自由电子模型 它把晶体中每个电子的运动看 成是独立的在一个等效势场中 的运动，即在这模型中，电子 与电子，晶格与电子之间的相 互作用被忽略，也可以说晶格 对电子的影响视为平均势能。
绝热近似：由于原子核质量比电子大 的多，电子的运动速度远大于原子核 的，即原子核的运动跟不上电子的运 动，所以在考虑电子的运动时，认为 原子实不动。 单电子近似：一个电子在离子实和其 他电子所形成的平均势场中运动。 周期场近似：原子实和电子多形成的 势场是周期性的。
NiO 中的能带与单电子能带不同，电子之间强烈的排斥作 用使电子不能成对的充填在能带中。上图中能量状态处于自旋 极化状态，不同的能量状态中充填电子的自旋状态是不同的， 这也是NiO具有反铁磁性的原因。
Ni 2+和Mn2+自旋-轨道相互作用很强，但d轨道发生自旋-轨道分裂不同自旋的电子充填在不同的 轨道上，晶体场会使轨道发生进一步分裂，但相对作用较小，因此NiO和MnO的能带已不是通常意 义上的单电子能带。
自由离子状态下，O2-/O-的能量最高，Ni +/ Ni 2+ 次之，Ni2+/Ni3+最低。O2-/O-位置较高是因为O2-是不稳定的。 考虑晶格能、极化作用、晶体场和能带宽带等因素。 晶格势作用下，正离子能量上升，负离子下降 离子间极化效应使不同价态离子能级发生变化，总效果为各半反应能量差进一步减小。 晶体场作用下， Ni 离子d轨道分裂，再考虑能量交叠形成能带等因素。
原子核静止
平均势场
多粒子系统
多电子系统
单电子系统
即：每个电子在由正离子产生的和其他电子的平均电荷分布的势场在运动。
上述能带理论基于单电子假设，即能带是刚性的，不随电子数目的变化变化，这对于 能带比较宽的体系如碱金属是成立的。 如果体系的能带比较窄，电子之间的排斥作用比较强，电子数目的改变会引起体系能带 结构的变化，这时单电子近似不成立。
过渡金属离子型化合物
固体化合物的物理性质大多可用能带观点说明，如ReO3具有金属导电性。但很多过渡金 属固体化合物的性质无法用能带模型解释。 氧化物 TiO VO MnO FeO CoO NiO dn 2 3 5 6 7 8 R/Å 2.94 2.89 3.14 3.03 3.01 2.95 性质※ 金属性，Pauli顺磁性 金属性，Pauli顺磁性随温度变化 半导体，AF，TN=122K 半导体，AF，TN=198K 半导体，AF，TN=293K 半导体，AF，TN=523K
NiO能带结构特征对很多过渡金属反铁磁性半导体化合物都适用。 这种电子结构图是大大简化了的，实际的能隙数值需要实验测定。
离子模型抓住了过渡金属化合物电子结构的最重要特征，即能隙主要
是由电子间的相互排斥作用产生的。
※本栏中，AF表示反铁磁转变
这些氧化物中，只有TiO和VO呈现金属性，其他化合物都是半导体，而且从 MnO到NiO，化合物的反铁磁性的奈尔温度 TN在上升。
过渡金属的d轨道的径向分布函数随主量子数增加 而增加，第二和第三过渡金属的d轨道倾向于参与成 键，而第一过渡金属的d轨道有很强的局域化倾向。 第一过渡金属的d轨道的径向分布比较小，随核电 荷数增加，原子核对d轨道电子的束缚逐渐增加，因 而只有TiO和VO的d轨道是离域的，呈现金属性。其他 基本是局域的，表现为反铁磁性半导体。