过渡元素的原子电子层的特点是它们都具有未充满的d轨道(Pd例外),最外层也仅有1~2个电子,因而它们原子的最外两个电子层都是未充满的,其价层电子结构通式为(n-1)d(1~9)ns(1~2)。位于周期表d区元素。
过渡金属元素位于四、五、六周期的中部。第四周期中的过渡元素称为第一系列,这里着重讨论第一过渡系钛、钒、铬、锰等元素的单质和化合物的性质和用途。所涉及的理论有晶体场理论,氧化还原及一般的化学运算。至于锆、铪和铌、钽的性质作为一般要求。
(1)原子电子层结构的特点:过渡元素的原子在结构上的共同特点是价电子依次填充在次外层的d轨道,原子的价电子层构型通式为(n-1)d(1~9)ns(1~2),这些元素也称为d区元素。
(2)氧化态的表现:各族元素的最高氧化态稳定性变化规律:过渡元素由于最外层s轨道和次外层d轨道均未充满且能量相近,除最外层s电子外,次外层d电子也可部分地或全部地参加成键,所以过液元素一般都有多种氧化态,从+2依次增到与族数相应的最高氧化态(ⅧB族除外)。
同族元素最高氧化态稳定性变化规律为同族中由上而下,高氧化态趋向于较稳定。
(3)原子半径的变化:各周期自左向右随着原子序数的增大,原子半径依次减小,但变化得较缓慢。这是由于随原子序数的递增,增加的电子填充在d轨道上未达饱和,屏蔽作用较小,而核电荷都依次增加,对外层电子云的吸引力增大,故原子半径依次减小,直到铜副族前后,d轨道充满使屏效应增强,原子半径又出现增大。
同族元素自上而下,因镧系收缩的影响,使第五、六周期上、下两元素半径相近。
(4)主要的物理性质:过渡元素都是金属,大多数都具有较高的硬度和较高的熔点和沸点,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,金属键强度较大相关。
过渡金属有较好的延展性和机械加工性,都是电和热的较良好的导体。此外,许多过渡金属及其化合物有顺磁性,这也与它们具有未成对d电子有关。
晶体场理论主要讨论作为过渡元素配合物的中心离子的d轨道在配位场的影响下,发生变化的情况,以及这种变化与配合物性质之间的关系。其基本要点是:
形成配合物时,中心离子原有能量相同的五个简并d轨道在配位场的影响下发生了分裂,有的能量升高,有的则降低。而且这种分裂与配离子的空间构型有关。例如在八面体中,原有的轨道分裂成两组,一组是能量较高的dr(或eg)轨道,另一组是能量较低的d,(或t2g)轨道。而在正四面体中产生与八面体场相反的分裂。
d轨道分裂后能量差的大小可用分裂能△表示。如八面体场中通常规定分裂成dv和dε轨道的能量差△=10Dq,而在四面体场中d轨道能量分裂仅是八面体的4/9。分裂能△值的大小与配位体的种类,中心离子的电荷数,以及中心离子所属的过渡系等因素有关。
根据d轨道分裂后的相对能量,可以计算过渡金属离子d轨道的总能量,一般来讲,分裂后轨道的总能量往往低于分裂前轨道的总能量,这个总能量的降低值,称为晶体场稳定化能。此能量越大,配合物越稳定。
价键理论没有充分考虑到配位体对中心离子的影响,因而在解释配合物的性质时遇到了困难。晶体场理论则考虑到中心离子与配位体之间的静电效应,指明了在配合物中,配位体对中心离子d轨道的影响,它不仅影响电子云的分布,也影响到d轨道能量的变化。这种变化与配合物的性质(如稳定性、配合物的颜色、磁性等)有密切的关系,从而较好地解释了一些价键理论所不能解释的问题。