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过渡元素的物理化学性质


实验室k / 2019-03-19

物理性质

       过渡元素的原子的最外层s电子和次外层d电子都可以参加成键,从而增加了键的强度。此外,过渡元素原子的半径较小,并有较大的密度。所以大多数过渡元素都有较高的硬度和较高的熔点和沸点(参看表21-2和21-6),如钨的熔点为3683K,是所有金属中最难熔的。这些性质都和它们具有较小的原子半径,次外层d电子参加成键,金属键强度较大密切相关。

表21-6  第一过渡系元素的某些性质*

元素 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu
原子序数 21 22 23 24 25 26 27 28 29
金属半径/pm 160.6 144.8 132.1 124.9 124 124.1 125.3 124.6 127.8
M2+离子的半径/pm
94 88 89 80 74 72 69 72
密度/(g·cm-3) 2.989 4.54 6.11 7.20 7.44 7.874 8.9 8.902 8.96

    * 为了便于比较,将Cu的有关数据也列于后面。

       另外,许多过渡金属及共化合物有顺磁性,这也是因为它们具有未成对d电子所引起的。过渡元素的纯金属有较好的延展性和机械加工性,并且能彼此间以及与非过渡金属组成具有多种特性的合金。它们都是电和热的较良好导体。过渡金属在工程材料方面有着广泛的应用。

化学性质

       钪、钇和镧是过渡元素中最活泼的金属,它们在空气中能迅速被氧化,与水反应则放出氢,也能溶于酸,这是因为它们的次外层d轨道中仅一个电子,这个电子对它们性质的影响不显著,所以它们的性质较活泼并接近于碱土金属。其它过渡金属在通常情况下不与水作用。从它们的标准电极电势(表21-8)看,过渡元素一般都可以从稀酸(盐酸和硫酸)中置换氢。

表21-8  第一过渡系元素的标准电极电势/V

                       金属

电势

电对                       

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni

M2+/M

M3+/M


-2.0

-1.63


-1.2


-0.557

-0.74

-1.029


-0.402

 

-0.28


-0.23

 

       表21-8数据表明,过渡金属的标准电极电势基本上从左向右数值逐渐增大,这和它们的金属性逐渐减弱是一致的。其中锰的数值比铬还低,显得有些例外,但这和锰失去两个4s电子后形成更稳定的3d5构型有关。

       与第一过渡系元素相比(ⅢB族除外),第二、三过渡系元素的活泼性都较弱。即同一族中自上而下,活泼性依次减弱,这与ⅠA族、ⅡA族不同。这可从它们的核电荷和原子半径来考虑,而核电荷因素在这里起着主导作用。因为同一族中自上而下原子半径增加不大,而核电荷却增加较多,对外层电子的吸引力增强,特別是第三过渡系元素,它们与相应的第二过渡系元素相比原子半径增加很少(镧系收缩的影响),所以其化学性质显得更不活泼。


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