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无机化学/过渡金属

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无机化学 | 过渡金属 | 催化


在扩展的周期表中,元素被分为四个区,即s区、p区、d区和f区。3-12族元素被称为d区或过渡元素。这些元素的性质与s区和p区元素不同。d区元素代表s区和p区元素之间的变化或过渡,因此被称为过渡元素。以前,过渡元素被认为是那些在其基态或其常见氧化态中具有部分填充的倒数第二d亚层的元素。然而,上述定义不包括12族元素,即锌金属(Zn、Cd和Hg),因为这些元素在其基态和离子态下都没有部分填充的(n-1)d亚层。然而,锌金属与其他过渡金属表现出相似性,因此被包括在过渡金属中。因此,有40种元素属于过渡金属家族,每种元素在第3、4、5和6周期中各有10种。过渡元素包括最常用的元素。这些包括铁、铝、钛,它们构成了建筑和制造业的基础,以及因其美丽而受到重视的金属,如金、银和铂,以及钯、钌和锇等具有催化性能的金属。这些金属包含最重的金属,如锇(d=22.49 gm cm-3),以及具有最高和最低熔点的金属,如钨(熔点 3683K)和汞(熔点 234K)。某些过渡金属在生物体中也很重要。铁,Fe,存在于血红蛋白中,血红蛋白负责生物体中氧气的运输。钴,Co,存在于维生素B12中,有助于人体代谢碳水化合物和脂肪。铜和锌在生物催化中很重要。钴、镍、锰和钼是某些酶的重要组成部分。

过渡金属都有一些共同的特征,它们

  • 形成配合物
  • 形成产生有色溶液的离子
  • 具有可变的氧化态
  • 表现出催化活性

原子电子结构

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1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2

配合物

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当配体与过渡金属离子形成配位键时,就会形成配合物。常见的配体是H2O和NH3。过渡金属离子充当路易斯酸,而配体充当路易斯碱。配合物中配位键的数量就是该配合物的配位数。配合物的例子包括四氯合钴(II)酸根离子,[CoCl4]2-和六水合铁(III)离子,[Fe(H2O)6]3+

配体可以分为三类:单齿配体、双齿配体和多齿配体。单齿配体可以与中心金属离子形成一个配位键。双齿配体可以与中心金属离子形成两个配位键,以此类推。另一种类型的配体是双配位配体。双配位配体包含两个可以与中心金属离子形成配位键的位点,但它们不能同时与同一个金属离子形成键。然而,它们可以同时与不同的离子键合,在两个配合物之间形成桥梁。


配体类型 例子
单齿 CN-, Cl-, NH3
双齿 H2NCH2CH2NH2, C2O42-
多齿 EDTA4-
双配位 SCN-

常见过渡金属配合物表

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离子 颜色
[Co(NH3)6] 3+ 深棕色
[Co(NH3)6] 2+ 淡黄色
[CoCl4] 2- 蓝色
[Co(H2O)6] 2+ 粉红色
[Cr(NH3)6] 3+ 紫色
[Cr(H2O)6] 3+ 蓝色/绿色
[Cr(H2O)6] 2+ 蓝色
[Cr(H2O)2(OH)4] - 绿色
[Cr2O7] 2- 橙色
[CrO4] 2- 黄色
[Cu(NH3)4(H2O)2] 2+ 深蓝色
[CuCl4] 2- 黄绿色
[Cu(H2O)6] 2+ 蓝色
[Fe(H2O)6] 3+ 黄橙色
[Fe(H2O)6] 2+ 淡绿色
[VO3] - 无色
[VO2] + 橙色
[VO(H2O)5] 2+ 蓝色
[V(H2O)6] 3+ 绿色
[V(H2O)6] 2+ 紫色

配合物和配体的用途

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解毒剂
EDTA与金属离子反应生成稳定的EDTA配合物。因此,它可以用来去除血液中铅和汞等有毒金属离子。然后,这些配合物被排出体外。

手术
EDTA可以去除血液中的钙离子。去除这些离子可以防止血液凝固,这在手术过程中是必要的。

软化水剂
EDTA可以去除硬水中的钙离子,从而使水软化。这有助于防止水垢的形成。


顺铂[Pt(NH3)2Cl2] 是一种细胞毒性配合物,在癌症治疗中使用。它通常用于治疗卵巢癌、睾丸癌、肺癌、膀胱癌、食道癌和胃癌。


托伦试剂
硝酸银溶解于氨水中会形成[Ag(NH3)2]+。这种络合物更常被称为托伦试剂,用于区分醛和酮。

电镀
当硝酸银溶解于氰化钾(或氰化钠)水溶液中时,会形成[Ag(CN)2] -。该络合物用作银镀层的电解液。

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