第14章过渡元素(二)
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实验二十四:第一过渡系元素(二)(铁、钴、镍)〔实验目的〕1.试验并掌握二价铁、钴、镍的还原性和三价铁、钴、镍的氧化性;2.试验并掌握铁、钴、镍配合物的生成及性质。
〔实验原理〕铁、钴、镍的高氧化态化合物多是以含氧酸盐或配盐形式存在,如Na2FeO4、K3CoO4、K2NiF6,这类化合物在水溶液中都是不稳定的。
一、铁的化合物1.铁的化合物铁有3种氧化物,红棕色的氧化铁,黑色的氧化亚铁和黑色的四氧化三铁。
它们都不溶于水,灼烧后的氧化铁不溶于酸,氧化亚铁能溶于酸。
四氧化三铁是二价铁和三价铁的混合型氧化物,具有磁性。
铁化合物列于下表中:物质颜色和状态性质FeCl3黑褐色晶体以共价键为主的化合物,它的蒸气为双聚分子Fe2Cl6。
Fe(NO3)3 = Fe2O3 + 6NO2 + 3/2O2 (600~700ºC) Fe(NO3)3•H2O 淡紫色晶体 2FeCl2•4H2O 淡蓝色晶体在空气中易被氧化为草绿色FeSO4•7H2O 淡绿色晶体加热分解为三氧化硫,水溶液易被氧化。
(NH4)2Fe(SO4)2•6H2O 绿色晶体摩尔氏盐,在潮湿空气和水溶液中较稳定。
2.溶液中Fe(Ⅲ)、Fe(Ⅱ)的反应⑴溶液中Fe3+的重要反应还原剂如I-,SO2,H2S,Sn2+,Fe,Cu,等――――――――――――――――→ Fe2+OH-Δ⇌ Fe(OH)3(s)(棕色)→ Fe2O3NH3•H2O———→ Fe(OH)3(s)(棕色)NH3•H2O+NH4Cl——————→ Fe(OH)3(s)(棕色)Fe2+(NaOH,80ºC) O2——————→ Fe3O4• x H2O → Fe2O3CO32-ClO-——→ Fe(OH)3——→ FeO42-NH3•H2O+(NH4)2S H+――――――→Fe2O3(黑色)―→ FeS(黑色)H2S――→Fe2+ + SNCS-过量F-――→[Fe(NCS)]2+(血红色)―→ [FeF6]3-(无色)[Fe(CN)6]4-+ K+――――――→ [KFe(CN)6Fe]x(蓝色)K2C2O4(浓),加热――――――→ [Fe(C2O4)3]3-(黄色)不稳定,见光分解⑵溶液中Fe2+的重要反应氧化剂如Cr2O72-,浓HNO3等―――――――――――→ Fe3+OH-O2⇌ Fe(OH)2(s)(纯白色)→Fe(OH)3(s)(棕色)NH3•H2O――→ Fe(OH)2(s)(纯白色)NH3•H2O+NH4Cl――――――→无沉淀CO32-H2O + CO2 O2――→ FeCO3(白色)――→ Fe(HCO3)2―→Fe(OH)3(s)(NH4)2S―――→ FeS(黑色)NO――→[Fe(NO)( H2O)5]2+( 棕色)H2O2 +过量F-―――――→ [FeF6]3-(无色)NCS-――→无溶液、无颜色CN-过量CN-Cl2―→Fe(CN)2(s) (白色) ――→[Fe(CN)6]4-――→[Fe(CN)6]3-[Fe(CN)6]3-+ K+――――――→ [KFe(CN)6Fe]x(蓝色)二、钴的化合物1. 钴的化合物钴的氧化物与铁的氧化物类似,为暗褐色的Co2O3•xH2O和灰绿色的CoO。
第一过渡系元素(二)——铁、钴、镍铁、钴、镍是第一过渡系元素中应用广泛的三种金属。
它们都具有相似的化学性质和金属特性,因此在很多方面都有类似的应用。
下面我们就来看看这三种金属的特性和应用。
铁(Fe)是地球上广泛存在的元素,人类使用铁的历史已经有几千年了。
铁是一种重要的结构材料,它的强度和硬度很高,并且具有很好的可塑性和可焊性。
此外,铁还有很好的耐腐蚀性能。
由于其性能稳定、价格低廉,因此广泛应用于制造汽车、船舶、建筑等领域。
此外,铁还应用于电力行业,比如铁芯变压器核心、电缆等。
铁还是一种重要的磁性材料,被广泛应用于制作各种永磁体。
钴(Co)是一种稀有金属,它具有高强度、高耐磨性、高熔点等特性,因此被广泛应用于军工、航空航天等领域。
钴还是一种重要的磁性材料,被广泛用于制作磁记录材料、计算机硬盘等。
钴还被广泛应用于医疗行业,如制作人工骨骼、人工关节等。
钴的化合物被用作化学反应催化剂、生物体内一些酶的结构成分等。
镍(Ni)是一种有色金属,与铁、钴类似,具有高强度、高耐腐蚀性、高温性等特性。
镍是一种重要的合金元素,被广泛用于制造高强度的合金钢、高温合金、耐腐蚀合金等。
比如,合金钢通常采用镍铬或镍铬钼合金,具有较高的强度和硬度,广泛应用于汽车、船舶、机械制造等领域。
此外,镍还被广泛应用于电镀行业,用于制作各种饰品、厨房用具、电器外壳等。
镍的化合物也被广泛用作催化剂、电池材料等。
除了以上的应用,铁、钴、镍还有很多重要的应用,如铁和镍被用于生产不锈钢、硬质合金等材料,钴被用于生产永磁体、高温涂层等材料。
此外,在新能源、电子信息、医疗等领域,铁、钴、镍的应用也越来越广泛。
总之,铁、钴、镍是第一过渡系元素中应用广泛的三种金属,它们的性质相似,应用领域也有很大的交叉。
随着科技的不断发展和应用需求的不断变化,铁、钴、镍的应用也会不断扩展和深化。
过渡元素化学(二)过渡元素是周期表中的一组元素,其电子排布在第3到第12组之间。
这个区域由于有半满或近半满的d轨道和未填满的f轨道,使得这些元素具有特殊的性质,可以表现出很多不同的化学行为。
本文将深入探讨过渡元素的化学性质以及它们在化学反应中所扮演的角色。
1. 过渡元素的物理特征过渡元素具有许多独特的物理特征。
首先,它们具有高密度,高熔点和沸点,因为它们拥有许多未填满的d轨道,这些轨道的电子之间相互作用会导致较强的金属-金属键。
其次,它们通常是良好的导体,因为它们的未填满的d轨道使它们具有离子化趋势,容易失去电子形成正离子或者吸收电子形成负离子。
2. 过渡元素离子的颜色许多过渡元素的离子具有强烈的颜色,这是由于它们的d轨道未填满。
当电子从一个未填满的d轨道移到另一个未填满的d轨道时,会吸收光,而吸收波长的颜色就是离子呈现的颜色。
例如,二价铜在水溶液中呈现蓝色,因为它的四对未填满的d电子在s和p电子之间能吸收波长为580 nm左右的光线,这些电子从第一对d电子到第三对d电子转移。
过渡元素可以呈现多种不同的氧化态,这使得它们在许多有机和无机化学反应中都有不同的用途。
例如,铁可以以氧化态+2形式存在,也可以存在于+3的氧化态下。
由于不同的氧化态会影响到元素的化学性质,因此过渡元素在反应中所扮演的角色也会因其氧化态的不同而有所不同。
4. 过渡元素在催化反应中的作用过渡元素在催化反应中发挥着重要的作用,常见的过渡金属催化反应包括原料的直接活化、分子间的加成、还原等。
许多过渡金属催化剂的成功应用可以归功于它们容易形成中间态,也可以通过自旋、电荷、配体效应等变化调节反应活性。
与此同时,过渡元素也可以得到良好的选择性,这是由于它们的每一种氧化态具有不同的反应性能,所以它们可作为特异性催化剂。
总之,过渡元素是化学反应中非常重要的一类元素,它们具有独特的性质和特征,使得它们在许多不同的化学反应中都有不同的贡献和应用。
过渡元素的结构特点与基本性质过渡元素的结构特点与基本性质元素周期表中第四、五、六七周期元素中,第ⅢB~ⅤⅢ族,共25种元素,统称为过渡元素。
过渡元素的单质都是⾦属,所以也称为过渡⾦属元素。
见表16.1.5s0,是⼀种例外的电⼦排布)。
镧系、锕系的元素的电⼦排布,增加的电⼦填⼊(n-2)f亚层,例如:57La 4f 05d1 6s 2,在结构上,它们最外层⼆个电⼦层都是未充满的,因此在元素周期表的划分上不属于过渡⾦属元素,⽽属于内过渡元素。
也称之为镧系、锕系元素。
镧系57La ~ 71Lu (15种元素) 4f 0~145d0-1 6s2锕系89Ac~103Lr铹(15种元素)5f 0~146d0~1 7s216.1.1 价电⼦构型过渡⾦属价电⼦构型的通式为:(n-1)d1~9 ns1~2。
原⼦核外电⼦排布遵循能量最低原理、保⾥不相容原理和洪特规则。
L. Pauling 原⼦轨道近似能级图如下:1s; 2s 2p ; 3s 3p; 4s 3d 4p; 5s 4d 5p; 6s 4f 5d 6p ; 7s 5f 6d也有⼀些电⼦排布例外的情况,例如:Z = 24,41 ~ 46:Nb 铌4d45s1不是4d35s241W 钨 5d46s2不是4d55s142Ru 钌4d75s1不是4d65s244Rh 铑4d85s1不是4d75s245Pd 钯4d105s0 不是4d85s24616.1.2 氧化态的规律过渡⾦属元素常表现为多种氧化态,其根本原因在于内层电⼦的排布,过渡⾦属外层电⼦排布为:(n-1)d1~9 ns1~2 ,(n-1)d 轨道与ns轨道能量相近,部分(n-1)d电⼦参与成键。
例:Mn:+2 ~ +7均出现,主要+2,+3,+4,+6,+7.Fe:+2 ~ +6均出现,主要+2,+3,+6.过渡⾦属元素的最⾼氧化态与所在的族相等,最⾼氧化态= 所处的族数例:Sc +3 Ⅲ3d14s2Cr +6 Ⅵ3d54s1Mn +7 Ⅶ3d54s1但Ⅷ族:多数最⾼氧化态⼩于其族数,是因为随着有效核电荷的增加(Z *↑),不是所有(n-1)d 电⼦都参与成键。