过渡元素的结合规律
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
汇报人：
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
地球化学元素共生组合关系及结合规律
Geochemistry
College of geological science & engineering,
Shandong university of science & technology
3、与各种阴离子结合的阳离子也组成特征各异
的共生元素组合various paragenetic
计算方法：以氟电负性（最大）为4.0，根据热化学键和分
子键能计算其相对值，无绝对值。
Geochemistry
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规律：（1）同周期，从左至右，电负性递增。
（2）同主族，从上至下，电负性递减。
（3）过渡元素，d轨道存在空轨道，电负性变化不大。
Geochemistry
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应用：
（1）判断元素金属性和非金属性。
（1）元素电子亲和能：气态原子获取一个电子成为-1价离子所释
放的能量。
M(g)+e-→M-(g)
其意义：衡量元素非金属性，电子亲和能越大，越易获得电
子，非金属性越强。
（2）元素电负性：元素的第一电离能和电子亲和能之和。用χ表
示。
意义：原子在化合物中吸引价电子的能力，元素电负性大，
吸引电子能力强，易形成阴离子；电负性小，吸收电子能力越弱。
过渡元素的结合规律
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论的地球化学意义
（2）过渡金属离子氧化倾向性的强弱
锰结核的实例：
大洋中锰结核是重要的锰矿资源，且伴生有Fe、Co、Ni、Cu等金属。
锰结核中富集Mn, Fe, Co, Cu, Ni，但富集程度有差异。其中：
b. 分裂后d轨道中电子的排布－高自旋状态和低自旋状态
电子成对能（PE）：当一个轨道中已
有一个电子时，若在该轨道填入相反
的电子与之成对，而必须克服的电子
与电子之间的静电排斥作用能，称为
电子成对能。
d轨道电子的自旋状态决定于：CFSE vs PE
当
当
CFSE > PE
CFSE < PE
d电子更易排布在能级低的轨道成对，电子低自旋排布
将强烈选择八面体位置。
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论的地球化学意义
（1） 过渡元素离子从岩浆中结晶进入硅酸盐的情况
过渡元素离子从岩浆中结晶进入硅酸盐矿物的顺序
R是百分之x的岩浆固结后岩浆中某元素浓度和该元素在原始岩浆中浓度比值。
M2+离子：Ni>(Cr)>(Cu)>Co>Fe>Mn>=Zn
位于八面体结晶场中的过渡离子，与它处于四面体结晶场的情况相比，稳
ห้องสมุดไป่ตู้定程度增大,这就促使离子优先占据八面体配位位置。
八面体择位能的实际意义：
位于八面体晶体场中的一个离子，与它处于四面体晶体场中的情况相比，在能量
上降低，或者说其稳定程度增大，这就促使离子优先占据八面体配位位置。
化学教学：过渡金属元素
配位化合物
6-3.2
配位化合物
配位化合物－混成轨域与几何形状
具有平面四边形及八面体形结构之错合物，有可 能具有几何异构物。
例如：二氯二氨铂，
具有顺式与反式两种异构物，如图：
例如：卤素离子、氰离子、硫氰离子 (SCN－)、 一氧化碳、氨和水等。
若配位子中有两个以上的原子具有孤对电子，可同时 和中心金属形成键结，则称为 多牙 配位子，
例如： 乙二胺( 化学式： H2N－CH2－CH2－NH2 )，
• 常以 en 表示， • 分子中两个氮原子皆具有一对孤对电子，可分别与中心金
6-3.1 常见过渡金属元素的性质
一.Fe
由鼓风炉炼铸而得的铁称为生铁，又称铸铁， 含有约2 ∼ 4.5％的碳，
质脆缺乏韧性及强度。 再经由一连串的热处理程序，可使其中的含碳
量减少，并使其结构重组，而形成所谓碳钢； 碳钢依其含碳量可分为：
低碳钢、中碳钢及高碳钢， 其机械性质不同，各有不同用途。如表： 炼铁产生的熔渣则可用来制造水泥。
动画：金属错合物
第二价称为配位数 (coordination number)，
即中心金属与配位子间的键结数目。
例如：黄血盐 K4[Fe(CN)6]， 中心为氧化数＋2 的亚铁离子，其配位数为 6。
6-3.2
配位化合物
常见过渡金属离子的配位数
配位数多寡与中心金属的大小、电荷数与电子组 态有关，
一般最常见到之配位数为 6， 其次则为 4 配位和 2 配位。
为强调配位化合物中错离子的部分， 一般会以 [ ] 括号标记。
6-3.2
配位化合物
配位化合物的发现
配位化合物早在 1700 年代即被发现，但直至1890
2020年高中化学·强化讲义 第53节 过渡元素简介
第53节过渡元素简介一、过渡元素简介过渡元素在元素周期表中的位置和外围电子层排布从元素周期表上可以看到，表的中部从ⅢB 族到ⅡB 族10个纵行，包括镧系和锕系，共有63种元素，这些元素包括了第VI 族和全部副族元素，人们习惯上把它们叫做过渡元素。
过渡元素的价层电子构型为1~101~2(1)ds n n （Pd 为0ns ）。
在元素周期表中，它们处于s 区元素和p 区元素之间。
从性质上看，s 区元素的单质均为活泼元素，形成的化合物以离子型为主，其氧化数单一，离子没有颜色；p 区元素只有部分是金属元素，形成的化合物多为共价型，含有多种氧化数；d 区介于s 区和p 区之间。
因此，人们又称d 区元素为过渡元素。
它们分属于第四周期到第七周期，如图11-1所示过渡元素原子的电子层排布有共同的特征。
从图中可以看出，它们的最外电子层上都有1~2个s 电子（Pd 除外），随着原子序数的递增，增加的电子大多填充在次外层的d 轨道上其中镧系和锕系元素的原子，增加的电子主要填充在倒数第三层的f 轨道上，少数填充在次外层的d 轨道上。
过渡元素原子的外围电子层排布反映了它不同于主族元素原子的核外电子排布的特征。
例如，钪（Sc ）的外围电子层排布为3d4s2，铀（U ）的外围电子层排布为5f6d7s2。
过渡元素的许多性质，都跟它们的外围电子层排布有关。
二、过渡元素的通性过渡元素原子的最外层一般只有1~2个电子，在化学反应中较易失去，故它们都是金属元素。
相对于主族元素而言，过渡元素的特性及其性质变化规律主要表现在以下几个方面1.单质的物理性质过渡元素的单质有些是高熔点、高沸点、密度大、硬度大、导电和导热性良好的金属。
在金属元素中，熔点最高的是钨，密度最大的是锇，硬度最大的是铬。
例如：铂的密度是21.45g/cm 3，约是铝的8倍；钨的熔点是3410℃，是所有金属中最难熔的。
造成这些特性的原因是过渡元素的单质因原子半径小，采取最紧密堆积，原子之间除了有电子外，还用部分d电子参与成键，在金属键之外有部分共价键，因此结合牢固。
过渡元素化学活泼性变化规律
过渡元素化学活泼性变化规律过渡元素是周期表中3B到3G族元素的统称。
它们具有许多共同特征，其中包括化学活泼性的变化规律。
活泼性是指元素与其他物质发生化学反应的倾向程度，而过渡元素的活泼性则受到电子排布和核电荷的影响。
本文将探讨过渡元素化学活泼性的变化规律及其影响因素。
过渡元素电子排布的影响过渡元素的电子排布主要集中在d轨道上，d轨道电子能级复杂，这种复杂性导致了过渡金属的化学性质具有不确定性。
一般来说，过渡金属的化合物具有不同的化合价数，使其在化学反应中表现出多样性。
电子排布的复杂性也影响了过渡金属的物理性质，如磁性和导电性。
核电荷的影响核电荷是过渡金属原子核所带正电荷的大小，在同一周期内，核电荷增加，原子半径减小，活泼性增加。
从左到右，原子核对外部电子的吸引作用逐渐增强，使得元素的活泼性逐渐增加。
因此，在同一族元素中，活泼性随着周期表的位置而变化。
过渡金属的氧化还原性过渡金属的氧化还原性体现为标准电极电势的变化。
在一般的情况下，过渡金属离子具有多种氧化态，它们之间有较大的氧化还原性差距。
金属离子的氧化还原电位反映了金属在化学反应中的还原倾向，而活泼性与还原性密切相关。
丰富的氧化态使过渡金属在催化和电化学方面有着重要应用。
影响过渡元素活泼性的其他因素在实际化学反应中，除了电子排布和核电荷，还有许多其他因素会影响过渡元素的活泼性。
例如，配位数、配体取代作用、溶液中的配位效应等都对活泼性有着重要的影响。
在复杂的化学反应中，这些因素综合作用，使活泼性的预测变得更加复杂。
总的来说，过渡元素化学活泼性的变化规律受到多种因素的影响，包括电子排布、核电荷、氧化还原性等。
了解这些规律有助于我们更好地理解过渡金属元素在化学反应中的行为，为材料科学和催化化学的发展提供理论基础。
过渡元素
油状 绿色
MnO2+O2+O3
MnO42－ +CO2 MnO2 + CO2 Mn2++CO2
由软锰矿制备KMnO4
软锰矿 粉碎
氧化剂
OH－ △
K2MnO4 墨绿色
常用的氧化剂有O2、KNO3和KClO3。反应介质为KOH或K2CO3。
2MnO2+4KOH+O2 == 2K2MnO4+2H2O 3MnO2+6KOH+KClO3 == 3K2MnO4+KCl+3H2O MnO2+K2CO3+KNO3 == K2MnO4+KNO2+CO2↑
过渡元素的通性
具有部分填充d或f壳层电子的元素。 狭义：(n-1)d1~8ns1~2 ⅢB~Ⅷ 8列 10列
广义：(n-1)d1~10ns1~2 ⅢB~ⅡB
过渡元素全部为金属，其化合物颜色多、 变 价多、形成配合物多。
• (n-1)d1~10ns1~2 (Pd:4d105s0) • d电子数较多. • d电子可部分或全部成键. • d轨道未充满可接受孤电子
1.33V －0.41V －0.91V 2-————Cr3+————Cr2+————Cr
Ea
θ：
Cr2O7
酸性介质氧化性强，碱性介质还原性强
Cr2O7
酸 性 Cr3+ 介 质 MnO 4－+H+
Ag+
2－ +ຫໍສະໝຸດ SO42－S2O82－
H2O2 碱 性 CrO2－ 介 质 Br2
CrO42－+H2O
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八面体择位能的实际意义：
位于八面体晶体场中的一个离子，与它处于四面体晶体场中的情况相比，在能量 上降低，或者说其稳定程度增大，这就促使离子优先占据八面体配位位置。 如V3+、Cr3+、Mn3+、Ni2+、Cu2+具有高的OSPE，在氧化物和含氧盐类等矿物中 将强烈选择八面体位置。
第五节 元素的结合规律
Burns (2005)
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要
c. 八面体择位能（OSPE）
同一元素且配位体相同时，2种配位方式的分裂能关系一般为：
八面体择位能 (the octahedral site preference energy, 简称OSPE ): 八面体与四面体的晶体场稳定能之差。 意义是什么？
d-block
d亚层和f亚层未充满
结构不稳定， 易形成变价离子 Fe2+、 Fe3+、 Mn2+ 、Mn3+ 、Mn4+
f-block
第一过渡系元素：Sc－Zn
第二过渡系元素：…
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要 晶体场理论的几个基本要点：
1) 简化的模型（前提）：中心离子和配位体之间的作用是单纯的静电 引力，并把配位体当作点带负电的点电荷来处理。不考虑配位体的 轨道电子对中心离子的作用； 2) 晶体场理论只能用于具有离子键的矿物，如硅酸盐、碳酸盐矿物等 ，不适用于共价键矿物； 3) 过渡金属阳离子d轨道的能级取决于： A. 晶体场的强度（周围配位体的类型） B. 电场的对称性（配位体的对称性）—影响晶体场分裂能
2）了解晶体场对过渡元素行为的控制及晶体场理论在
地球化学中的应用
第二章总结
元素的地球化学分类（性质，丰度） 元素的结合规律（一般规律，微量元素结合规律，
过渡元素结合规律）
元素的结合规律 1.元素结合的一般规律(常量元素) （1）键性对应结合规律 （2）电价对应结合规律 2.微量元素的结合规律 （1）两种元素电价相同，半径较小者优先进入晶格 （2）两种离子半径相似而电价不同时，较高价的离子优 先进入矿物晶格 （3）若是过渡元素，其还受晶体场稳定能影响 3.过渡元素的结合规律
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论的地球化学意义
（2）过渡金属离子氧化倾向性的强弱
锰结核的实例： 大洋中锰结核是重要的锰矿资源，且伴生有Fe、Co、Ni、Cu等金属。 锰结核中富集Mn, Fe, Co, Cu, Ni，但富集程度有差异。其中： 强氧化的锰结核：相对富集Co 弱氧化性锰结核：相对富集Ni
电子成对能（PE）：当一个轨道中已
有一个电子时，若在该轨道填入相反 的电子与之成对，而必须克服的电子 与电子之间的静电排斥作用能，称为 电子成对能。
d轨道电子的自旋状态决定于：CFSE vs PE 当 当
CFSE > PE CFSE < PE
d电子更易排布在能级低的轨道成对，电子低自旋排布 d电子更倾向在能级高的轨道， 电子高自旋排布
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要
c.四面体中的d轨道能级分裂 四面体晶体场分裂能Δt： t2g与eg轨道能级间的能量之差
晶体场稳定能：
CFSE=n(e2g)×−2/5Δ t + n(t2g)×3/5Δt
Burns (2005)
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要
c. 四面体中的d轨道能级分裂
元素的结合规律
一、元素结合规律的概念 二、元素的基本性质 三、元素的地球化学亲和性 四、元素的地球化学分类 五、元素的结合规律
1. 主量元素的结合规律 2. 微量元素的结合规律 3. 过渡元素的结合规律
第五节 元素的结合规律
过渡元素结合规律的问题：
对于有些过渡族元素的共生结合，用戈尔德斯密特的类质同像规则和 林伍德的电负性法则均难以解释。如：
2. 晶体场理论的地球化学意义
（1） 过渡元素离子从岩浆中结晶进入硅酸盐的情况
过渡元素离子从岩浆中结晶进入硅酸盐矿物的顺序
R是百分之x的岩浆固结后岩浆中某元素浓度和该元素在原始岩浆中浓度比值。
M2+离子：Ni>(Cr)>(Cu)>Co>Fe>Mn>=Zn M3+离子： Cr>(Mn)>(Co)>V>(Ti)>(Fe)>=Sc,Ga
Co 2+: (t2g)5 (eg)2
用晶体场稳定能 解释：
Co 3+: (t2g)6
12/5 Δo Ⅲ Ni 3+: (t2g)6 (eg)1
CFSE: Ni 2+: CFSE:
4/5 Δo Ⅱ (t2g)6 (eg)2 6/5 Δo Ⅱ
9/5 Δo Ⅲ
第五节 元素的结合规律
3. 过渡元素的结合规律：晶体场理论解释 1）晶体场理论概要 掌握下列最关键的基本概念： 晶体场分裂能；晶体场稳定能；八面体择位能
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要 相关名词回顾：
(1) 简并、五重简并 ： 5个d轨道能级相同 (2) 配位体： 指元素周围的质点或离子
（3）轨道能级分裂：
由原来相同能级变为不同
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要
(4) 晶体场分裂 （以八面体场为例）
晶体场分裂：静电作用对中心离子电子层的影响 主要体现在配位体所形成的负电荷对中心离子的 d电子亚层起作用，从而使原来简并的5个Δo： 八面体晶体场中，t2g与eg轨道能级间的能量之 差。
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要
a.八面体中的d轨道能级分裂
晶体场效应是d轨道能级平均升高了Es，习惯将Es取作0点。
简并能级重 心提升Es
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要
a.八面体中的d轨道能级分裂
������ Δo ������
������ Δo ������
晶体场稳定能（CFSE）：d轨道电子能级分裂后的d轨道电子 能量总和相对于未分裂前d轨道电子能量总和的差值。 CFSE=n(t2g) ×−2/5Δo+n(eg) ×3/5Δo
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要
b. 分裂后d轨道中电子的排布－高自旋状态和低自旋状态
第五节 元素的结合规律
2. 晶体场理论概要
c.八面体择位能（OSPE, octahedral site preference energy）
八面体与四面体的晶体场稳定能之差。反映了一个过渡离子对氧化
结构中八面体位置亲和性的大小。
八面体择位能的实际意义：
位于八面体结晶场中的过渡离子，与它处于四面体结晶场的情况相比，稳 定程度增大,这就促使离子优先占据八面体配位位置。
半径 第一电离能 电负性 Ni2+ ：0.78Å， 882kJ／mol， 1.9
Mg2+ ：0.78Å，
735kj／mol，
1.3
二元系
玄武岩浆
理想状态二元体系
？
这就需要用新的理论来解释---晶体场理论 ——是研究过渡元素化学键的理论模型。
White (2014)
1. 过渡元素的电子结构
电负性、键性、 亲氧和亲硫性等
d电子的排布原则： 在保证总能量最低 的情况下，尽可能 分占不同轨道且自 旋平行。
晶体场稳定能（CFSE）：d轨道电子能级分裂后的d轨道电子能量 总和相对于未分裂前d轨道电子能量总和的差值。
CFSE=n(t2g) ×−2/5Δo+n(eg) ×3/5Δo
b. 分裂后d轨道中电子的排布－高自旋状态和低自旋状态