第四章 过渡元素Word文件下载.docx
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表4-1列出了第四周期过渡元素常见的化合价(下划横线的是比较稳定的价态)。
从表4-1可以看出,从ⅢB族到ⅦB族,元素的最高化合价在数值上跟它的族数相等,那是由于这些元素原子的外围电子层的s电子和d电子数目之和跟族数相等。
3.过渡元素的化合物往往带有颜色
过渡元素的化合物往往带有颜色。
这些颜色跟过渡金属离子的结构有关系,也跟所结合的阴离子的种类、晶体里是否有结晶水等因素有关系。
例如,氟化铜(CuF2)是白色的,硫化铜(CuS)是黑色的;
二氯化钴(CoCl2)是蓝色的,六水合二氯化钴(CoCl2·
6H2O)是粉红色的;
无水硫酸铜(CuSO4)是白色的,五水合硫酸铜(CuSO4·
5H2O)是蓝色的。
过渡元素的化合物在水溶液里也往往有颜色,这些颜色是过渡金属水合离子的颜色,水合离子的颜色跟化合物晶体的颜色常常是一致的或者相近的,有时也有所不同。
例如,水合铜离子呈蓝色,跟五水合硫酸铜的颜色一致,但跟无水硫酸铜的颜色就有所不同了。
此外,过渡元素还容易形成络合物。
关于络合物的知识,我们将在下一节里学习
三、过渡元素对于国防和国民经济的重要意义
过渡元素对于国防和国民经济各部门有着极其重要的意义。
因为国防和国民经济各部门需要大量的钢铁,同时也需要各种各样的其它过渡金属。
例如,电器工业需要大量的铜,电子工业还需要银、金、铂、钯等金属。
高速飞机、火箭和舰艇的制造需用钛。
铬、锰、镍、锌、钴、钨、钼、钒、铌、钽、镧系元素等,广泛用于生产各种合金或合金钢,而这些合金或合金钢对于制造导弹、坦克、枪炮等武器和各种机器、设备是必不可少的。
锕系元素的铀是原子核反应堆的燃料和制造原子弹的材料。
多种过渡金属如铂、钯、钒、钛、镍、铁等还是化学工业的重要催化剂。
我国许多过渡元素(例如镧系元素、钨、钼、锰、钒、钛等)的矿藏十分丰富,这对于我国实现四个现代化是一个有利的条件。
习题
1.什么叫过渡元素?
过渡元素的电子层排布有什么特点?
为什么过渡元素常有多种可变化合价?
2.为什么过渡元素都是金属?
它们多数具有哪些共同的物理性质?
3.硅酸凝胶(简称硅胶)是一种干燥剂,里边加有一定量的显色剂CoCl2以指示吸湿程度。
这种干燥剂未吸水时呈蓝色,吸水过多时则失去吸水能力并呈粉红色。
试说明硅酸凝胶的变色原因。
第二节络合物①
在上节里我们已经知道,白色的无水硫酸铜溶于水,它的水溶液呈蓝色,这是铜的水合离子的颜色。
实验测定,铜的水合离子是一种带有4个水分子的复杂离子[Cu(H2O)4]2+。
下面我们来学习这类复杂离子的知识。
一、络合物的组成
1.络合物的概念
先做下面的实验。
[实验4-1]在盛有硫酸铜溶液的试管里滴入少量氢氧化钠溶液,生成蓝色的氢氧化铜沉淀;
然后滴入适量浓氨水,沉淀消失,得到深蓝色的溶液。
再滴入少量氢氧化钠溶液,深蓝色溶液不发生变化,不再生成氢氧化铜沉淀。
现在让我们来分析这个实验所发生的反应。
我们早已知道,硫酸铜跟氢氧化钠起反应能生成氢氧化铜沉淀。
根据物质的溶解性,Cu(OH)2虽然难溶,但终究有一定的溶解度。
因此,Cu(OH)2沉淀跟溶液里微量的Cu2+、OH-之间存在着平衡:
Cu(OH)2
Cu2++2OH-
从分析实验证明,当加人氨水后,NH3分子跟溶液里微量的Cu2+结合,在水溶液里生成一种呈深蓝色的复杂离子——[Cu(NH3)4]2+,它叫四氨合铜(Ⅱ)①离子或铜氨络离子。
这个反应可以用离子方程式表示如下:
4NH3+Cu2+=[Cu(NH3)4]2+
这样就使溶液里存在的Cu2+离子浓度降低,从而破坏了Cu(OH)2跟Cu2+、OH-之间的平衡,促使Cu(OH)2沉淀逐渐溶解。
这个反应所生成的[Cu(NH3)4]2+在水溶液里较难电离,溶液中存在的Cu2+很少。
因此,当再加入少量OH-时,就不能生成Cu(OH)2沉淀了。
如果把这种溶液浓缩结晶,我们就可以得到一种深蓝色的晶体——[Cu(NH3)4]SO4,它叫硫酸四氨合铜(Ⅱ)或硫酸铜氨。
硫酸铜氮是一种复杂的化合物,在这种化合物里含有复杂的[Cu(NH3)4]2+。
这种由一种离子跟一种分子,或由两种不同的离子所形成的一类复杂离子,叫做络离子。
像硫酸铜氨这样含有络离子的化合物,就属于络合物。
上面讲到的[Cu(H2O)4]2+也是络离子,含有[Cu(H2O)4]2+的胆矾CuSO4·
5H2O是一种络合物。
从前学过的冰晶石Na3[AlF6](六氟合铝酸钠)也是络合物。
2.络合物的组成
根据研究知道,络合物的结构很复杂,但一般说来,它都有一种成分作为整个络合物的核心,其它成分都围绕这个核心作一定的排列。
例如,在[Cu(NH3)4]SO4这种络合物里,Cu2+就是核心,叫做中心离子,4个NH3分子均匀地分布在它的周围,叫做络合物的配位体。
中心离子和
子的关系不像配位体那么密切。
人们把中心离子和配位体一起构成的络离子叫做络合物的内界(在化学式里常用方括号把它们括起来);
把其它部
络合物的中心离子,一般都是阳离子。
络合物的配位体可以是分子,也可以是阴离子。
如在[Cu(NH3)4]SO4里,配位体NH3是中性分子,在Na3[AlF6]里,配位体F-是阴离子。
络离子是带电荷的,而络合物呈电中性。
因此,组成络合物的外界离子、中心离子和配位体离子电荷的代数和必定为零。
一个中心离子所能结合的配位体的总数,叫做中心离子的配位数①。
在[Cu(NH3)4]2+络离子里,Cu2+的配位数是4,在Na3[AlF6]里,Al3+的配位数是6。
影响中心离子配位数的因素很多,它跟中心离子和配位体的电荷、半径和外围电子层排布等因素都有密切的关系。
3.络合物中的化学键
络合物的各个部分是靠什么键结合起来的呢?
根据研究知道,络合物的外界离子跟络离子之间以离子键相结合,中心离子跟配位体之间以配位键相结合。
我们知道,形成配位键必须具有两个前提,一是一方有空轨道,一是另一方能提供孤对电子。
现在来分析[Cu(NH3)4]2+里配位键的形成。
Cu2+的3d轨道没有填满,4s、4p轨道的能级跟3d轨道相近,它们是空的,所以Cu2+有空轨道,而NH3有一对孤对电子:
当Cu2+跟NH3作用时,便以配位键形成了[Cu(NH3)4]2+:
过渡元素离子如Fe3+、Fe2+、Cu2+、Ag+、Hg2+等都具有空轨道,因此都容易形成络合物,这是过渡元素的特性。
至于F-、Cl-、CN-、SCN-等阴离子或H2O、NH3等分子都有孤对电子,因而都可以成为配位体。
凡是可作配位体(或含有可作配位体的离子)的物质叫做络合剂。
常用的络合剂有氰化物、氟化物和氨等。
络合物在水溶液里的电离平衡
络合物的外界跟内界是以离子键结合的,因此,当络合物溶于水时,络合物会发生电离而形成外界和内界两种离子。
同时,络离子在水里也会发生一定程度的电离。
例如:
[Cu(NH3)4]2+
Cu2++4NH3
[Ag(NH3)2]+
Ag++2NH3
二氨合银离子(银氨络离子)
[Ag(CN)2)]-
Ag++2CN-
二氰合银离子(银氰络离子)
不同络离子电离程度的大小不同。
一般说来,配位体是CN-的络离子的电离程度总是很小。
人们利用含氰络离子电离程度很小,即溶液里跟络离子达成平衡的金属离子浓度很小的特点,在电镀工艺中控制金属离子结合电子的速度,从而保证电镀的质量。
所以在电镀工业里配制电镀液时常使用氰化物作络合剂。
但是氰化物有剧毒,因此,现在电镀工业正在研究和使用别的无毒络合剂的无氰电镀工艺。
二、络合物的应用
络合物在自然界广泛存在,跟人类生活的关系很密切。
例如,在人和动物体内起着输送氧气作用的血红素,是Fe2+的络合物;
在植物生长中起光合作用的叶绿素是含Mg2+的络合物。
络合物在工农业生产和科学技术方面的应用也很广泛,例如,在冶金、稀有金属的提取、电镀、照相术等方面都有应用,氰化提金法就是用于稀有金属提取的一个例子。
这个方法的原理是:
用稀的氰化钠溶液处理粉碎了的金矿石,通入空气,使金矿石中的金粒溶解,生成能溶于水的络合物Na[Au(CN)2]:
4Au+8NaCN+2H2O+O2=4Na[Au(CN)2]+4NaOH
然后再用锌从溶液中把金置换出来:
2Na[Au(CN)2]+Zn=Na2[Zn(CN)4]+2Au↓
在照相底片和感光纸定影时,需要应用硫代硫酸钠溶液溶解掉未起反应的溴化银,这是一个络合反应,它的化学方程式如下:
AgBr+2Na2S2O3=Na3[Ag(S2O3)2]+NaBr
在化学实验里,还可以利用形成显色的络离子或络合物来鉴定离子。
例如,利用SCN-跟Fe3+反应生成红色的硫氰合铁(Ⅲ)离子[Fe(SCN)]2+,可以判断溶液里Fe3+的存在。
1.现有硝酸二氨合银[Ag(NH3)2]NO3和六氟合铝酸钠Na3[AlF6]两种络合物,试指出它们各自的络离子,中心离子和它们的电荷数,配位体和配位数,络合物的内界和外界。
2.以[Ag(NH3)2]+为例,说明中心离子跟配位体是怎样结合的。
3.氯化钠溶液和硝酸银溶液相遇,会生成白色的氯化银沉淀。
往沉淀里加入氨水,沉淀又溶解了。
怎样解释上述实验现象?
写出反应的离子方程式。
(提示:
参照课文里铜氨络离子的生成,银离子的配位数是2。
)
4.为什么无水硫酸铜的白色的晶体溶于水后成为浅蓝色溶液,在这个溶液里滴入少量氨水,溶液又变为深蓝色?
第三节铁
一、铁的性质
铁在元素周期表里位于第四周期的第Ⅷ族,是一种极为重要的过渡元素。
它有多种可变化合价,铁的化合物及其离子大多呈现颜色,并容易形成络合物。
铁原子的外围电子层排布是3d64S2,最外层4s轨道有2个电子,次外层3d轨道的电子未充满。
在起化学反应的时候,铁原子容易失去2个4s电子,也容易再失去一个3d电子。
所以,铁通常显+2价和+3价。
但是,由于+3价的铁的3d轨道为半充满稳定结构,因此+3价的铁最稳定,其次是+2价的铁。
1.铁的物理性质
纯净的铁是光亮的银白色金属,它的密度是7.86克/厘米3,熔点是1535℃,沸点是2750℃。
纯铁的抗蚀力相当强,但通常用的铁一般都含有碳和其它元素,因而使它的熔点显著降低,抗蚀力也减弱。
铁有延展性和导热性。
铁也能导电,但是它的导电性比铜、铝都差。
铁能被磁体吸引。
在磁场的作用下,铁自身也能产生磁性。
2.铁的化学性质
铁是比较活泼的金属,在金属活动性顺序表里它列在氢的前面。
(1)铁跟氧气和其它非金属的反应
常温时,铁在干燥的空气里不易跟氧气起反应,但把铁放在氧气里灼烧,就会生成一种黑色的四氧化三铁。
3Fe+2O2
Fe3O4
加热时,铁也能跟其它非金属,如硫、氯气等发生反应,分别生成硫化亚铁和氯化铁。
Fe+S
FeS
2Fe+3Cl2
2FeCl3
在铁跟硫的反应里,铁原子失去2个4s电子变成+2价的铁。
在铁跟氯气的反应里,铁原子不仅失去2个4s电子,而且还失去1个3d电子,变成+3价的铁。
这是因为氯气是一种更强的氧化剂,它夺取电子的能力比硫强的缘故。
在高温下,铁还能跟碳、硅、磷等化合。
例如,铁跟碳能化合而生成一种灰色的、脆、硬而难熔的碳化铁(Fe3C)。
(2)铁跟水的反应
红热的铁能跟水蒸气起反应,生成四氧化三铁和氢气。
3Fe+4H2O(气)
Fe3O4+4H2↑
在常温下,铁跟水不起反应。
但是,在水和空气里的氧气以及二氧化碳等的共同作用下,铁却很容易发生电化腐蚀。
此外,铁还能跟盐酸、稀硫酸和某些金属盐发生置换反应。
例如,铁跟盐酸或稀硫酸起反应,置换出氢气。
Fe+2H+=Fe2++H2↑
铁跟比它活动性较弱的铜的盐溶液起反应,置换出金属铜。
Fe+Cu2+=Fe2++Cu
二、铁的化合物
1.铁的氧化物
铁的氧化物有氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)和四氧化三铁(Fe3O4)等。
氧化亚铁是一种黑色粉末,它不稳定,在空气里加热,即迅速被氧化成四氧化三铁。
氧化铁是一种红棕色粉末,俗称铁红,它可用作油漆的颜料等。
四氧化三铁是具有磁性的黑色晶体,俗称磁性氧化铁。
四氧化三铁是一种复杂的化合物,在四氧化三铁晶体里存在着铁的两种不同价态的离子,其中1/3是Fe2+,2/3是Fe3+,因此,四氧化三铁可以看成是氧化亚铁跟氧化铁组成的化合物。
铁的氧化物都不溶于水,也不跟水起反应。
氧化亚铁和氧化铁都能跟酸起反应,分别生成亚铁盐和铁盐。
FeO+2H+=Fe2++H2O
Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O
2.铁的氢氧化物
跟氧化亚铁和氧化铁相对应的碱分别是氢氧化亚铁[Fe(OH)2]和氢氧化铁[Fe(OH)3]。
这两种氢氧化物都可用相对应的可溶性盐跟碱溶液起反应而制得。
[实验4-2]在试管里注入少量新制备的硫酸亚铁溶液,用胶头滴管吸取氢氧化钠溶液,将滴管端插入试管里溶液的液面下,再逐滴滴入氢氧化钠溶液,观察发生的现象。
从实验可以看到,滴入氢氧化钠溶液后,开始的时候析出一种白色的絮状沉淀,这就是氢氧化亚铁。
Fe2++2OH-=Fe(OH)2↓
但这白色絮状沉淀迅速变成灰绿色,最后变成红褐色。
这是因为氢氧化亚铁在空气里氧化成了氢氧化铁。
4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓
[实验4-3]在试管里注入少量氯化铁溶液,再逐滴滴入氢氧化钠溶液。
观察发生的现象。
从实验可以看到,滴入氢氧化钠溶液时,立即生成了红褐色的氢氧化铁沉淀。
Fe3++3OH-=Fe(OH)3↓
加热氢氧化铁,它就失去水而生成红棕色的氧化铁粉末。
2Fe(OH)3
Fe2O3+3H2O
氢氧化亚铁和氢氧化铁都是不溶性碱,它们能跟酸反应,分别生成亚铁盐和铁盐。
Fe(OH)2+2H+=Fe2++2H2O
Fe(OH)3+3H+=Fe3++3H2O
3.铁化合物和亚铁化合物间的相互转变
铁化合物遇较强的还原剂会还原成亚铁化合物。
例如,氯化铁溶液遇铁等还原剂,能被还原生成氯化亚铁。
2Fe3++Fe=3Fe2+
亚铁化合物在较强的氧化剂的作用下会氧化成铁化合物。
例如,氯化亚铁溶液跟氯气起反应,立即被氧化成氯化铁。
2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-
从以上事实可以说明,Fe2+和Fe3+在一定条件下是可以相互转变的。
4.铁的络合物和Fe3+的检验
铁有多种络合物,重要的有六氰合铁络合物,如六氰合铁(Ⅱ)酸钾K4[Fe(CN)6](也叫亚铁氰化钾,俗名黄血盐)、六氰合铁(Ⅲ)酸钾K3[Fe(CN)6](也叫铁氰化钾,俗名赤血盐),以及硫氰合铁(Ⅲ)络离子[Fe(SCN)]2+,等等。
[实验4-4]在试管里注入少量氯化铁溶液,再滴入几滴KSCN溶液。
[实验4-5]在试管里注入少量氯化铁溶液,滴入几滴稀盐酸,加入少量铁屑,轻轻振荡片刻,再滴入几滴KSCN溶液。
我们可以利用无色的SCN-跟Fe3+反应,生成红色的络离子[Fe(SCN)]2+,来检验Fe3+的存在。
但Fe2+跟SCN-反应不显红色。
Fe3++SCN-=[Fe(SCN)]2+
1.填空
(1)铁位于元素周期表中第______周期、第______族。
铁原子的最外电子层上有______个电子,在化学反应中既可失去______层上的______个电子,又可失去______层上的______个电子,因此铁的常见化合价为______价和______价。
(2)将Fe、Cu、FeCl3的混合物放在稀硫酸中加热,待反应完毕后,仍剩有Fe和Cu,此时溶液中存在的主要阳离子是______,有关反应的离子方程式是______。
(3)8.56克某三价金属氢氧化物,煅烧后生成6.4克氧化物。
由此可推算出该金属氢氧化物的摩尔质量为______,该金属的原子量是______,它是______元素。
2.选择题
(1)下列各物质中,不能由组成它的两种元素的单质直接化合而得到的是______。
[]
A.FeSB.Fe3O4
C.FeCl2D.FeCl3
(2)将铁片放入下列溶液中,充分反应后溶液质量减轻的是______。
A.FeCl3溶液B.稀H2SO4
C.CuSO4溶液D.浓HCl
(3)在下列各溶液中分别放入铁片,反应一段时间后取出,使“铁片”质量增大的溶液是______。
A.FeCl3B.稀H2SO4
C.CuSO4D.浓HCl
(4)下列各反应中,Fe(Ⅱ)被还原的是______。
A.2Fe2++Br2=2Fe3++2Br
B.2FeCl2+Cl2=2FeCl3
C.2FeO+Si
2Fe+SiO2
D.FeO+2H+=Fe2++H2O
3.13.9克RSO4·
xH2O晶体,完全失水后剩7.6克粉末。
已知R的原子量约为结晶水分子数的8倍,试推算R的原子量。
加热氢氧化铁,它