过渡元素-杨静2015化学竞赛夏令营江苏.ppt
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1、化学奥林匹克系列讲座,过渡元素,元素周期表分区,1、过渡元素的氧化态2、原子半径的变化规律3、过渡元素单质的性质4、过渡元素离子的颜色5、过渡金属及其化合物的磁性6、过渡元素易形成配合物7、形成多碱、多酸,一、过渡元素的通性,1、过渡元素的氧化态,(1)大多数过渡元素有可变的氧化数(2)第一过渡系,随原子序数增加,氧化态升高,高氧化态趋于稳定,当d电子超过5时,3d轨道趋向稳定,低氧化态趋于稳定;(2)第二、第三过渡系变化趋势与第一过渡系相似,但高氧化态趋于比较稳定;(3)同一族从上到下,特征氧化态升高,高价态趋于稳定。,一、过渡元素的通性,(1)同一周期内,从IIIB到VIIB族原子半径逐渐
2、减小,这是由于原子序数增加,有效核电荷增加,金属键增强所致;VIIB族以后,原子半径又有所回升,这是由于金属键减弱占据主导地位,而有效核电荷增加影响为次所致。(2)同一族内,从上到下,随着原子层数的增加,第一过渡元素的原子半径小于相应第二过渡系元素的原子半径,而第三过渡系元素的原子半径与第二过渡系元素相比,差别不大。这是由于镧系收缩所致。,2、原子半径的变化规律,一、过渡元素的通性,过渡元素的原子半径,原子半径/pm,熔点最高的金属是钨(W);密度最大的金属是锇(Os);硬度最高的金属是铬(Cr)。,3、过渡元素单质的性质,(1)物理性质 与主族相比,过渡元素晶格中,不仅ns电子参与成键,(n
3、-1)d电子也参与成键;此外,过渡元素原子半径小,单位体积内原子个数多。故过渡元素的熔点、密度和硬度比主族元素要高。,(2)化学性质金属活性同周期,从左到右,金属活性减弱同 族,从上到下,金属活性降低,一、过渡元素的通性,4、过渡元素离子的颜色,过渡元素的水合离子以及与其它配体形成的配离子,往往具有特征的颜色,这是区别于S区和P区金属离子的重要特征。dd跃迁是显色的一个重要原因。,一、过渡元素的通性,(1)第一过渡系水合离子的颜色,对于某些具有颜色的含氧酸根离子,如VO43-(淡黄色)、CrO42-(黄色)、MnO4-(紫红色)等,它们的颜色被认为是电荷迁移引起的。在上述离子中的金属元素都处于
4、最高氧化态,其形式电荷分别为V5+、Cr6+、Mn7+,它们都具有d0电子构型,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。伴随电荷迁移,这些离子呈现出各种不同的颜色。,(2)物质显色的若干规律(常温,太阳光),(a)绝大多数具有d1-9电子组态的过渡元素和f1-13 电子组态的稀土元素的化合物都有颜色,(b)多数氟化物无色特例:CuF(红),BrF(红)3、4、5、6主族,5、6周期各元素的溴化物、碘化物几乎都有颜色锌族卤化物除HgI2(红)都无色铜族除CuCl和AgCl外多数有颜色,变浅,(c)含氧酸根离子 主族元素含氧酸根离子绝大多数无
5、色 过渡元素的含氧酸根离子多数有色,同族内随原子序数的增加酸根的颜色变浅或无色 VO43 淡黄 CrO42黄色 MnO4紫红色 NbO43无色 MoO42淡黄 TcO4淡红 TaO43无色 WO42淡黄 ReO4淡红,变浅,(d)同种元素在同一化合物中存在不同氧化态时,这种混合价态的化合物常常呈现颜色,而且该化合物的颜色比相应的单一价态化合物的颜色深例如:普鲁士兰 KFeFe(CN)6 呈现深蓝色 黄血盐 K4Fe(CN)6 黄色 赤血盐 K3Fe(CN)6 橙红色(e)3、4、5、6主族,5、6周期各元素的氧化物大部分都有颜色;4、5、6周期各元素的硫化物几乎都有颜色,(f)顺式异构体配合物
6、所呈现的颜色一般比同种配合物的反式异构体的颜色偏短波方向 顺式Co(NH3)4Cl2Cl 紫色(400430nm)反式Co(NH3)4Cl2Cl 绿色(490540nm)顺式Co(en)2Br2Br 紫色 反式Co(en)2Br2Br 亮绿(g)四面体、平面正方形配合物的颜色比相应的八面体的颜色移向短波方向 CoCl42 深蓝 Co(H2O)62粉红色,(h)无色晶体如果掺有杂质或发生晶格缺陷时,常有颜色(i)晶粒的大小影响晶体颜色 Hg2+OH-HgO+H2O Hg(NO3)2+Na2CO3 HgO+CO2+2NaNO3(j)金属有金属光泽或呈银白色,但金属粉末都是黑色,用方程式表示:在酸性
7、介质中用锌粒还原Cr2O72-离子,溶液颜色经绿色变成天蓝色,放置后溶液又变为绿色。,例题:,(1)3Zn+Cr2O72-+14 H+=3Zn2+2 Cr3+7H2O(2)Zn+2Cr3+=Zn2+2 Cr2+(天蓝)(3)4Cr2+O2+4H+=4Cr3+(绿)+2 H2O,参考答案:,例题:,按照物质在外加磁场作用下的响应情况,可将物质划分为:,物质,抗或逆磁性物质,顺磁性物质,铁磁性物质,物质的磁性与“成单电子数”有关。磁矩大小可通过如下公式计算:,5、过渡金属及其化合物的磁性,一、过渡元素的通性,上述公式中,表示磁矩的大小;n表示所研究物质中的成单电子数;B表示玻尔磁子。n=1,=1.
8、732 B n=2,=2.828 B n=3,=3.873 B n=4,=4.899 B n=5,=5.916 B 磁矩检测:通常采用振动样品磁强计(VSM)或法拉第磁天平(超导量子干涉磁力计,SQUID)测得待测物质的磁矩值,通过上述公式可计算出样品中的成单电子数,进而可推断待测物质的d电子排布,再结合价键理论或晶体场理论即可推断出待测物质的空间构型。,过渡元素中心原子半径小,电荷高,有几个能级相差不大的(n1)d,ns,np轨道,6、过渡元素易形成配合物,一、过渡元素的通性,例题:,例题:,某元素A有不同氧化态,A在配位化学发展中起过极为重要的作用,1798年,法国分析化学家塔索尔特(Ta
9、ssaert)发现将A的蓝色无水盐B放在NH4Cl和NH3H2O溶液中,并与空气接触可制得橘黄色的盐C,直至1893年,瑞士化学家Alfred Werner发现往C中加入Ag(NO3)3能沉淀出3个氯离子,再根据此类化合物的结构分析、电导研究等,Werner进一步提出了具有革命意义的配位理论,奠定的现代配位化学的基础。B在潮湿空气中会吸湿,颜色逐步变成紫色、紫红色、粉红色,加热后又恢复到蓝色,根据这一性质,B常用作干燥剂的干湿指示剂。B溶于水后加入AgNO3溶液生成白色沉淀D和粉红色溶液E。D不溶于稀硝酸,E中加碱性H2O2溶液生成棕黑色沉淀F。F溶于HCl溶液生成B,并放出黄绿色气体G。B与
10、饱和KNO2溶液在乙酸酸化的条件下也可制备难溶钾盐H。,1、请写出以下各物质的化学式(5分):B:D:E:F:H:2、写出B制得C的化学反应方程式(2分):3、写出由F制得B和G的反应方程式(2分):4、B制备H时,乙酸酸化的作用是(1分),请写出以下各物质的化学式:B:CoCl2 D:AgCl E:Co(NO3)2 F:Co(OH)3 H:K3Co(NO3)6写出B制得C的化学反应方程式:4CoCl2+4NH4Cl+20NH3+O2=4Co(NH3)6Cl3+2H2O写出由F制得B和G的反应方程式:Co(OH)3+6HCl=2CoCl2+Cl2+6H2OB制备H时,乙酸酸化的作用是?加入乙酸
11、酸化的目的是提高KNO2的氧化能力,可将二价钴氧化成三价钴。,参考答案:,7、形成多碱、多酸,(1)多碱,是较高价态金属在一定pH值下多步水解通过羟桥键而形成的多核配合物:例:Fe(H2O)63+水解形成 Fe2(H2O)8(OH)24+,一、过渡元素的通性,同多酸:同一种含氧酸分子缩合而成 如:H2Mo4O13(四钼酸),H10W12O41(十二钨酸)杂多酸:两种不同含氧酸分子缩合而成,多酸,如:H3P W12O40 十二钨磷杂多酸 H4Si W12O40 十二钨硅杂多酸,由含氧酸缩合脱H2O而形成“多酸”,O O Cr Cr/O O O O O,Cr2O72-2个四面体共顶点 显然H+有利
12、于缩合形成多酸,(2)多酸,(3)多酸化学,二十世纪六十年代以后十分活跃 良好的催化性能(具有酸性、氧化还原性、稳定均一结构);如乙烯乙醛 离子交换剂以及分析化学中应用如检定MoO42-、PO43-12MoO42-+3NH4+HPO42-+23H+=(NH4)3P(Mo12O40)6H2O(黄)+6H2O一些具有较好的抗癌抗病毒的作用如(NH4)16Sb8W20O80 32H2O,1、钛及其化合物2、钒及其化合物3、铬及其化合物4、锰及其化合物5、铁系金属6、铂系金属7、铜锌族,二、过渡元素的化学性质,氧化还原性酸碱性配位性稳定性各元素特异性,二、过渡元素的化学性质,1、钛及其化合物,(1)单
13、质的制备,由钛矿FeTiO3(偏钛酸亚铁)制备Ti,FeTiO3+2 H2SO4=TiOSO4+FeSO4+2H2O TiOSO4+2H2O=H2TiO3+H2SO4H2TiO3=TiO2+H2O(煅烧分解)TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO(1000-1100K,氯化处理)TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2(1070K,还原),二、过渡元素的化学性质,金属氧化物+C+Cl2 高温 金属氯化物+CO此法也可用于制备无水AlCl3、CrCl3、CuCl2、MgCl2等,在Ti的化合物中,以氧化态物质稳定,常见的有:TiO2,TiCl4,TiOSO4等,Ti具有很强的抗酸碱腐蚀性能。
14、常温下对空气和水十分稳定。能缓慢地溶解在浓盐酸中,可溶于氢氟酸,生成可溶的氟配合物。,Ti 6 HF H2TiF6+2H2,TiO2H2O2 TiO(H2O2)2+(黄色),(该反应常用于Ti的定性分析和检测),(2)Ti单质的化学性质,(3)Ti的化合,1、人类有一个美好的理想:利用太阳光能和催化剂分解水以获得巨大的能源氢能源。20实际70年代已有化学家(Fujishima和Honda,日本)开发研究了有关元素的化合物作为光电极材料初步实现了这一变化。已知该元素N层电子数和K层电子数相等,并和它的M层d亚层中的电子数相等。某元素可能是()(A)铍(B)钛(C)铁(D)铜,例题:,(B),参考
15、答案:,2、A为+4价钛的卤化物,A在潮湿的动气中因水解而冒白烟。向硝酸银-硝酸溶液中滴入A,有白色沉淀B生成,B易溶于氨水。取少量锌粉投入A的盐酸溶液中,可得到含TiCl3的紫色溶液C。将C溶液与适量氯化铜溶液混合有白色沉淀D生成,混合溶液褪为无色。(1)B的化学式为:(2)B溶于氨水所得产物为:(3)A水解的化学反应方程式为:理论计算可知,该反应的平衡常数很大,增加HCl浓度不足以抑制反应的进行,可是在浓盐酸中,A却几乎不水解,原因是:(4)C溶液与适量氯化铜溶液反应的化学反应方程式为:,(1)AgCl(2)Ag(NH3)2Cl(3)TiCl4+3H2O=H2TiO3+4 HCl 生成了配
16、离子(TiCl6)2-(4)TiCl3+CuCl2+H2O=CuCl+TiOCl2+2HCl,参考答案:,参考答案:,2、钒及其化合物,V2O5两性偏酸,微溶于水成酸。,强碱性溶液存在形式为:VO43-、VO3-,酸性溶液中存在形式为多酸盐。强酸性溶液中 存在形式为钒酰氧离子(VO2),(酸度和盐度越大,越易形成同多酸),二、过渡元素的化学性质,(1)五价V化合物在水溶液中的存在形式和颜色,(a)酸碱两性 V2O5+6 NaOH=2 Na3VO4+3 H2O V2O5+H2SO4=(VO2)2SO4+3 H2O(b)酸介质中,中等氧化剂(VO2+/VO2+)=+1.00(Cl2/Cl-)=+1
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