第二十章 过渡元素-(1)

第二十章 过渡元素-(1)

无机化学

第二十章 过渡元素-(1)

第二十章 过渡元素(一)

教学要求1. 掌握过渡元素的价电子构型的特点及其元素通性的关系。 2. 掌握过渡元素钛、钒、铬、钼、钨和锰的单质及化合物的 性质和用途。

第二十章 过渡元素-(1)

本章讲解内容第一节 过渡元素的通性

第二节 钛分族第三节 钒分族 第四节 铬分族

第五节 锰分族

第二十章 过渡元素-(1)

第一节 过渡元素的通性一、过渡元素在周期表中的位置按周期划分

钪、钇和镧 系又称为稀 土元素

第一过渡系 第二过渡系 第三过渡系

d 区：(n-1)d1-9ns1-2

f 区：(n-2)f1-14(n-1)d0-2ns2

第二十章 过渡元素-(1)

二. 过渡元素的价电子构型

元素

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

价电子构型 3d14s2 3d24s2 3d34s2 3d54s1 3d54s2 3d64s2 3d74s2 3d84s2 元素

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

价电子构型 4d15s2 4d25s2 4d45s1

3d54s1 4d65s1 4d75s1 4d85s1 4d105s0

元素

La

Hf5d26s2

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

价电子构型 5d16s2

5d35s2 5d46s2 5d56s2 5d66s2 5d76s2 5d96s1

第二十章 过渡元素-(1)

三. 过渡元素的氧化态

族

IIIB ⅣB ⅤB VIB VIIB

Ⅷ

IB

IIB

元素 Sc Ti

V

Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

3dn 3d1 3d2 主 +2 要 +3 +3 +4 氧 化 数

3d3 3d5 +2 +3 +3 +4 +5 +6

3d5 3d6 3d7 3d8 3d9 3d10 +2 +2 +2 +2 +1 +2 +3 +3 +3 +3 +2 +4 +6 +7

I. 从左到右，元素最高氧化数升高，VIIB后又降低

第二十章 过渡元素-(1)

族一过渡系

IIIB ⅣB ⅤB VIB VIIB

Ⅷ

IB

IIB

氧化数

Sc +3

二过渡系氧化数 三过渡系 氧化数

Y+3 Lu +3

Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn +3 +4 +3 +2 +2 +2 +2 +1 +2 +4 +5 +6 +4 +3 +2 +6 +7 Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd +4 +5 +6 +7 +4 +3 +2 +1 +2 Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg +4 +5 +6 +7 +8 +3 +2 +1 +1 +4 +4 +3 +2

II. 从上往下，高氧化数化合物稳定性增加

第二十章 过渡元素-(1)

四. 过渡元素的原子和离子半径

Cs250

Rb Sr

过渡元素的原子半径BaY第一过渡系 第二过渡系 第三过渡系

原子半径/pm

K200

Ca

150

La Zr Hg Sc Hf Cd Au Ta W Re Os Ir Pd Ag Ti Nb Mo Tc Ru Rh Pt V Cr Mn Fe Co Ni Cu ZnⅠA ⅡA ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB Ⅷ Ⅷ Ⅷ ⅠB ⅡB

100

族

第二十章 过渡元素-(1)

1. 同一周期元素从左到右原子半径缓慢减小，到铜族前 后又稍增大。

2. 同族元素从上往下原子半径增大，但五、六周期外由 于镧系收缩使其同族元素原子半径十分接近，导致其元 素性质相似。五. 过渡元素的颜色

元 素 M2+ [M(H2O)6]2+ 颜色 元 素 M3+ [M(H2O)6]3+ 颜色

Sc Sc 0 无

Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 2 3 4 5 6 7 8 9 10

褐 紫 天 蓝 Ti V Cr 1 2 3 紫 绿 蓝 紫

浅 红 Mn 4

浅 绿 Fe 5 红 浅 紫

粉 绿 浅 无 红 蓝 Co Ni Cu Zn 6 7 绿 粉 红

第二十章 过渡元素-(1)

六. 单质的性质

I. 物理性质 密度大； 熔点高； 硬度大； 机械性能强；电和热的较好导体除钪和钛外，都是重金属，密度最大的是铂系元素， 如Os为22.57,Ir为22.42,Pt为21.45 熔点最高的金属是W(3683K);硬度最大的金属是Cr 由于过渡元素具有优良的机械加工性，彼此间以及与非过渡金属 组成具有多种特性的合

金，在工程材料方面有着广泛的应用。

第二十章 过渡元素-(1)

II. 化学性质 易形成配位化合物过渡元素具有很强的配位能力，其原因是：

1. 过渡元素的价电子轨道多(5个d轨道，1个s轨道，3个p轨道)。2. 空轨道可以接受配体电子对形成σ配键。 3. 填满的d电子对可以与配体形成d-pπ反馈键。

第二十章 过渡元素-(1)

第二节 钛分族一、矿石的冶炼 Ti 主要矿物：金红石(TiO2)、钛铁矿 (FeTiO3) 。 Zr主要矿物：锆英石(ZrSiO4), Hf没有独立矿石，主要与锆共生。

钛的冶炼浓硫酸浸 取钛矿粉

Zr Hf

还原除铁

浸取液水解 制H2TiO3

过滤灼烧 制TiO2

下面以钛铁矿为 例分析各步反应

金属钛

金属还原

氯化制 TiCl4

第二十章 过渡元素-(1)

硫酸浸取反应

FeTiO3+3H2SO4=Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O FeTiO3+2H2SO4=TiOSO4+FeSO4+2H2O在浸取液中加入铁粉使三价铁还原为亚铁离子， 然后在冰点下结晶出绿矾，过滤，铁被除去。

还原除铁 将除铁后的滤液 加入热水中水解 灼烧 氯化

Ti(SO4)2+H2O=TiOSO4+H2SO4 TiOSO4+2H2O=H2TiO3↓+H2SO4

H2TiO3 ==TiO2+H2O TiO2+2C+2Cl2==TiCl4+CO↑ TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti△

△

金属还原

第二十章 过渡元素-(1)

二、单质的性质 I. 价电子构型和氧化态 II. 化学性质

价电子层 氧化态 Ti 3d24s2 +3,+4 Zr 4d25s2 +4 Hf 5d26s2 +4

不与水、空气、稀酸等反应。钛能与热浓盐酸或热硝酸中， 但Zr 和Hf则不溶，它们最好溶剂是氢氟酸。

2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2↑

Ti+6HF =H2[TiF6] + 2H2↑Zr+6HF=H2[ZrF6] + 2H2↑

第二十章 过渡元素-(1)

三、 钛的化合物

1. TiO2 (俗称钛白)钛白是最白的东西，其遮盖性大于锌白，持久性大于铅白，是 一种高级白色颜料。

TiO2+6HF=H2[TiF6]+2H2O

TiO2+H2SO4=TiOSO4+H2OTiO2+BaCO3=BaTiO3+CO2H2TiO3 -- 钛酸显两性，溶于酸、碱 H2TiO3 -- 钛酸不溶于酸、碱

第二十章 过渡元素-(1)

2. TiCl4TiCl4是无色液体，极易水解。由于 Ti4+离子电荷高，半径小，极化 力极强，所以在酸性溶液中主要存在TiO2+ (钛酰离子)

TiCl4+3H2O=H2TiO3↓+4HCl 发生部分水解： TiCl4+H2O=TiOCl2↓+2HClTiO2+的检验： TiO2++H2O2=TiO(H2O2)2+ (弱酸中橙黄色，强酸中红色)

第二十章 过渡元素-(1)

3. TiCl3Ti3+为d1,呈紫色，具有较强的还原性

TiCl3的制备

2TiCl4+Zn=2TiCl3+ZnCl2 2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2↑

TiCl3· 6H2O

[Ti(H2O)6]Cl3[Ti(H2O)5Cl]Cl2· H2O

第二十章 过渡元素-(1)

第三节 钒分族一、存在和冶炼 V Nb Ta 主要矿物:绿硫钒矿[VS2或V2S5]、铅钒矿[Pb5(VO4)3Cl] Nb: 铌铁矿[Fe(NbO3)2] , Ta: 钽铁矿[Fe(TaO3)2]

V2O5+5Ca = 5CaO+2V

2VCl3+3Mg = 3MgCl2+2V钒的主要用途在于冶炼特种钢，用于制造结构钢、弹簧钢、装甲 钢和钢轨等，是汽车和飞机的优良原料钢。

第二十章 过渡元素-(1)

二、单质的化学性质 价层电子 氧化态

V 3d34s2

+2,+3,+4,+5

在常温下均不与空气、水、非氧化性酸和碱等反应。V 可溶于氧化性酸、王水和氢氟酸，Nb,Ta不溶于王水， 可溶于氢氟酸

,高温下均与熔碱反应。 2V + 6HF = 2VF3 + 3H2 V+6HNO3=VO(NO3)2+3H2O+4NO2

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