普通化学/各种元素的化学/过渡金属

过渡金属

过渡金属位于元素周期表的中间。对过渡金属有两个定义

1. 所有d区元素（3-12族）
2. 具有部分填充d轨道的元素，或可以形成具有部分填充d轨道的阳离子的元素

第一个定义更为普遍，在日常使用中更为常见，但第二个定义强调了过渡金属的独特性质，是IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）使用的定义。第二个定义通常被认为不包括Zn、Cd和Hg，因为这些元素具有d¹⁰电子构型（d轨道完全填充，而不是部分填充）。然而，最近报道的具有d⁸构型的氟化汞(IV)化合物使这种排除变得可疑，使考虑Hg（以及可能还有Zn和Cd）为过渡金属变得合理。

过渡金属的行为与其他金属不同，因为它们具有部分填充的d轨道。向过渡金属添加电子不会影响其价层，因为电子进入d轨道（它不是价层的一部分）。所有过渡金属都具有一个或两个价电子。

电子和氧化

过渡金属很有趣，因为它们可以具有多种氧化态，不像大多数其他金属。这是因为过渡金属在形成离子时，除了s电子之外还可以失去d电子。

实心圆点表示常见的氧化态，空心圆点表示可能但不太可能的态。

记住，当电子轨道充满或半满（或空）时，它最稳定。研究过渡金属的电子构型显示出一个有趣的模式

Sc	[Ar]4s23d1
Ti	[Ar]4s23d2
V	[Ar]4s23d3
Cr	[Ar]4s13d5
Mn	[Ar]4s23d5
Fe	[Ar]4s23d6
Co	[Ar]4s23d7
Ni	[Ar]4s23d8
Cu	[Ar]4s13d10
Zn	[Ar]4s23d10

为了更加稳定，铬和铜中的一个s电子“跃迁”到d轨道。这也会发生在较重的过渡金属中，例如钼、钨和铂。对于周期5、6和7中的较重过渡金属，相对论的影响导致轨道能级的变化。在这些元素中，s电子比预期更容易“跃迁”到d层，遵循充满/半满规则。

当过渡金属离子形成时，它们首先失去s电子，然后如果进一步电离，它们会失去d电子。例如，铜可以形成两种不同的离子，钛可以形成三种

Cu	[Ar]4s13d10
Cu+	[Ar]4s03d10
Cu2+	[Ar]4s03d9
Ti	[Ar]4s23d2
Ti2+	[Ar]4s03d2
Ti3+	[Ar]4s03d1
Ti4+	[Ar]4s03d0

颜色

过渡金属及其氧化物在溶解时会形成有色化合物。1族和2族金属溶解时是透明的，沉淀时是白色的。其他金属，如铅，溶解时是透明的，沉淀时可能会有颜色（铅沉淀物是黄色的）。另一方面，过渡金属溶解时是有色的。不同的金属以其特定的颜色而闻名，被用作墨水或油漆。

从左到右：硝酸钴(II)（红色）；重铬酸钾（橙色）；铬酸钾（黄色）；氯化镍(II)（绿色）；硫酸铜(II)（蓝色）；高锰酸钾（紫色）。

族

货币金属

"货币金属"是铜、银、金和钅罗。这些元素的用途远不止硬币，除了这些元素之外，还有许多其他元素被制成硬币。此外，钅罗是一种放射性元素，半衰期为3.6秒，使其无法用于商业应用。因此，"货币金属"更恰当地称为11族（IB）元素。

铜、银和金，尽管相对稀有（铜）、稀有（银）或极其稀有（金），但它们是最早为人所知且最熟悉的元素之一。它们是柔软、光亮、致密的金属，耐腐蚀，并且是良好的导电体。钅罗是一种最近发现的合成元素，寿命很短，因此其物理和化学性质尚未得到很好的定义。

铜因其电气特性、常见性（与银和金相比）以及黄铜和青铜合金的吸引力而成为这些元素中使用最广泛的元素。在铝成为常见金属之前，铜在金属产量中仅次于铁。

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  铜管
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  最光亮的银
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  金

它们很容易识别，因为铜（红色）和金（黄色）是人们可能遇到的两种有色金属。银是金属中最光亮的，通常与铜或金一起发现，形成鲜明的对比。它们通常以游离态存在。

由于柔软，它们很容易被敲击成硬币，而且它们相对稀有和具有吸引力，再加上它们耐腐蚀，使它们成为财富的紧凑储存器。它们太软而没有结构价值，但铜合金与锌和锡等元素形成更硬的黄铜和青铜。黄铜和青铜是早期金属工具中必不可少的；没有它们，我们所知的文明将是不可能的。金和银由于其吸引力和耐氧化性，已被大量用于珠宝和其他装饰作品。金虽然非常昂贵，但它非常具有延展性，以至于少量金可以以适中的成本被锤成极薄的箔，使它可以被用作一些建筑物表面的覆盖层；少量金可以走很远。

铜在卤化物和氧化物中难以氧化至+1价，在硫酸铜 CuSO₄ 等盐中氧化至+2价。可溶性铜化合物很容易通过其独特的蓝绿色来识别。银在硝酸银 AgNO₃ 和硫化银 Ag₂S 等物质中氧化至+1价，后者是银的典型变黑。金极难氧化至+1价和+3价。

这些元素是弱（铜）到极弱（金）的还原剂，它们的化合物是非常好的氧化剂。铜离子氧化大多数金属

${\hbox{Cu}}_{(aq)}^{2+}+{\hbox{Fe}}_{(s)}\to {\hbox{Cu}}_{(s)}+{\hbox{Fe}}_{(aq)}^{2+}$

与银或金的反应更强。实际上，这些金属盐的溶液可以镀在大多数其他金属上。

银是电导率最高的金属，其次是铜，然后是金。这使得铜成为电线的首选材料。金尖电线用于需要电气精度的场合（如高品质音频），因为金不会变色（铜的变色导电性要低得多）。

锌族

锌族是第12族 (IIB)，包括锌、镉、汞和鎶。

锌、镉和汞是金属，其熔点对于金属来说很低。这是因为它们具有特别稳定的电子构型。汞在形成金属键方面非常差，以至于它在室温下是液体。

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  一枚锌币
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  镉块
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  一滩汞

锌和镉是软金属，很容易氧化成+2价态。这两种金属都没有以游离态出现在自然界中。锌被大量用于与铜的合金中，以制造一种更硬的金属，称为黄铜；作为铁的涂层（该过程称为“镀锌”），它氧化形成一层保护性的氧化锌 (ZnO) 层，保护铁不被氧化，也称为生锈。氧化锌比氧化铅安全得多，通常用于白漆。自1982年以来，锌一直是美国分币使用的主要金属。现在它被用于新的风琴管。

镉形成两种物质，镉黄（硫化镉，CdS）和镉红（硒化镉，CdSe），它们出现在油漆中。这些颜料具有强烈的颜色，许多印象派时期的大艺术家在他们的绘画中喜爱这些颜色。但这些物质剧毒，使用它们的画家经常英年早逝，并且残疾。现代画家通常使用不含这两种有毒化学物质的不同颜料。

相反，汞在室温下是闪亮的液体，并且很难氧化。它导电性良好。由于它是液体，它是一种不寻常的金属——但它是一种金属。它已被用于温度计（但自被认定为危险毒物后就不那么常用了），因为它会随着热量膨胀，以及在开关中，它可以流入封闭的空间以闭合电路。汞在氯化汞 (HgCl₂) 中氧化至+2价；在一些奇怪的化合物中，两个汞原子共享一个电子，并提供它们“剩余”的电子来形成+1价态的物质，如氯化亚汞 (Hg₂Cl₂)。

锌是生物体必需的微量元素；它具有一定的杀菌作用，并且大量存在时有毒。锌分币切勿吞食。镉、汞及其化合物是剧毒物质。尽管汞具有吸引力并且具有非凡的特性，但应谨慎使用，并且只能由了解其危害的工人使用。

2010年命名的第112号人工元素鎶，其性质可能属于该族的一部分，但它极难产生，而且太不稳定，无法确定其化学性质。迄今为止，这种元素只制备了很少的原子。

第8、9和10族的元素分为两个不同的组：第一行过渡金属中的常见元素铁、钴和镍以及第二行和第三行中的铂族金属，以及更稀少的两个下行过渡元素中的铂族金属。

铁、钴和镍

这些元素是相当好的还原剂——好到它们很少以游离态出现在自然界中。铁是其中最常见的元素。它是宇宙中最常见的元素之一，也是在恒星中通过正常核聚变形成的最重的金属（但只有最大的恒星）。当恒星开始在其核心产生铁时，这颗恒星注定将在很短的时间内发生剧烈的爆炸，摧毁恒星并散布其物质，包括它在核聚变中形成的所有元素。

游离铁、钴和镍——特别是铁——可以在陨石中找到，陨石是撞击地球的固体物体。铁是过渡元素中最常见的，也是最有用的元素之一。很难计算出铁的所有用途，铁是几乎所有机器中使用最多的金属（无论是纯金属还是合金）。巨大的“玻璃盒子”摩天大楼依赖于其混凝土“骨架”内的铁棒，以赋予它们强度和稳定性。铁路的轨道是长长的铁棒。混凝土公路和飞机跑道有铁筋，以赋予它们承受重型车辆的强度。车辆本身主要由铁和一种更硬的材料制成，称为钢，它是铁、碳和通常不含铁的金属的合金。

铁是最便宜的结构金属。通过被称为铁匠的工匠的一些技巧，它可以被加工成许多有用的物品，如马蹄铁、钉子、犁、链条、桶、梯子和许多工具。在铸造厂，铁和钢以更大的数量被塑造成家具和飞机、船舶、机动车和电器部件等物品。

铁作为结构材料有一个缺陷：它容易生锈。在有水（特别是盐水）的情况下，它会腐蚀成氧化物

Fe_(s) + 1/2 O_2(g) → FeO_(s) 2 Fe_(s) + 3/2 O_2(g) → Fe₂O_3(s)

以及一种称为赤铁矿的混合氧化物

2 Fe_(s) + 3/2 O_2(g) → Fe₂O_3(s)

是铁最常见的矿石之一。氧化铁呈弱碱性，因此铁能抵抗碱的侵蚀；酸会侵蚀它。例如，

Fe _(s) + H₂SO_4(l) → Fe²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) + H_2(g)

即使是相对较弱的酸，如磷酸，也可以侵蚀氧化铁。这就是“海军果冻”反应，它可以去除铁锈

FeO_(s) + H₃PO_4(l) → Fe²⁺_(aq) + HPO_4(aq)^-2 + H₂O_(l)

人类的一大进步，即铁器时代的开始，始于人们发现可以通过用碳（通常是木炭）燃烧来从氧气中分离铁，碳可以将氧化铁还原成铁

Fe₃O_4(s) + 4 C_(s) → 3 Fe_(s) + 4 CO_(g)

现有的许多经济活动都依赖于铁矿石的开采、铁矿石的还原、铁的强化成钢、铁和钢制品的制造以及保护铁免受腐蚀的各种做法。

这项活动虽然重要，但我们的生活不可能没有一种叫做血红蛋白的重要铁化合物，血红蛋白通过血流将氧气输送到细胞，细胞可以使用氧气从通过血流输送到细胞的食物中释放能量。

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  两座悬索桥
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  一把旧的铁犁
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  红细胞含有血红蛋白
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  一块电磁铁正在吸引废铁

地球本身有一个由主要由铁和镍组成的热而致密的核心。在地球核心的特征温度下，铁和镍形成了一个巨大的天然磁铁，产生了一个磁场，该磁场延伸到地球本身之外进入大气层。该磁场驱散了大量危险的辐射，如果这些辐射到达地球表面，将杀死地球表面的生命。

钴和镍都比铁稀少得多，并且在商业上没有铁那样广泛使用，尽管它们有专门的用途。

铂族

铂族金属包括钌、铑、钯、锇、铱和铂。这些元素位于第 8/9/10 族 (IIIB) 的最后两行。

与这些元素在第 8、9 和 10 族中的较轻同类元素不同，它们耐腐蚀和变色。它们用作许多化学反应的催化剂，加速反应而不会被反应消耗。

钯、锇和其他铂族金属在粉末状时会吸收氢气。

铑用于催化转化器 - 汽车内部的金属结构。催化转化器将氮氧化物（有毒污染物）转化为元素氮和氧气（两者都是可呼吸空气的组成部分）

$2{\hbox{NO}}_{x}\to x{\hbox{O}}_{2}+{\hbox{N}}_{2}$

如果没有铑作为催化剂，该反应就不会发生。