高考化学专题过渡元素省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

13.3.5过渡元素通性●范围广义：ds区，d区和f区；此处：d区III(3)B~VIII(8)B族8个直列，24种元素1.过渡元素结构特点电子结构特点有未充满d轨道（Pd除外4d10），最外、次外两个电子层都未充满，特征电子构型为：（n-1）d1~9ns1~2性质特点各元素间从左到右水平相同性：不一样于主族，周期性改变规律不显著，原子半径、电离能随原子序数增加，虽变但不显著，分类四面期Sc到Ni为第一(轻)过渡系列（见下页表）；五周期Y到Pd为第二过渡系列；六周期La到Pt为第三过渡系列8/18/202411/45元素SckangTiVCrMnFeCoNi金属半径/pm161145132137137124125128离子半径/pm--90868880767472第一电离能/（kJ/mol）6316566506537177627587378/18/202422/452.单质物理性质——规律比主族金属有更大密度和硬度，更高熔点和沸点。除钪和钛外,密度均大于5，最重锇为22.48g/cm3；硬度最大铬，莫氏硬度为9；熔、沸点最高是钨3410℃——原因（略）

过渡金属d电子参加成键，使成键价电子数较多，原子化焓较大8/18/202433/45元素ScTiVCrMnFeCoNi密度/（g/cm3）3.24.56.07.17.47.98.78.9莫氏硬度-4-964.55.54熔点/K16731950219021761517181217681728沸点/K27503550365029152314316031503110原子化焓/（kJ/mol）3784705143972814184254308/18/202444/453.单质化学性质普通规律都是活泼金属，性质相同，都能从酸中置换出氢。但Ti、V、Cr因表面钝化形成致密氧化物膜，有抗酸碱能力过渡金属价电子构型特征决定了它们含有多变氧化态，如Mn能够表现出0、+2、+3、+4、+6和+7等氧化态，特殊情况下可有负氧化态数，如K[Mn(CO)5]中Mn氧化态为-1因为空d轨道存在，易形成配位键，产生配位化合物，呈不一样颜色8/18/202455/4513.3.6稀土金属

1.结构与性能●概况——稀土金属Sc、Y、La和镧系共17种元素。Sc化学性质与其它16种元素有较大差异，与碱土金属愈加相同，故稀土一词普通只包含钪以外16种元素——镧系元素（Lanthanides）Ln在周期表中，与镧处于同一格内，称镧系元素

范围包含铈镧到镥（587~71号）加上镧，共145种元素

电子构型除镧外，原子序数增加，新增电子依次进入4f轨道，又称内过渡元素，电子构型通式：4f1~145d0~16s2。镧系元素外层和次外层构型基本相同，f轨道是充满、半充满或未充满

钪21Sc

钇39Y

镧57La镧系58~718/18/202466/45元素原子序数相对原子质量价电子构型氧化态原子半径/pm离子半径(M3+)/pm

M3+/M）/VSc2144.9563d14s2+3164.0673.2

Y3983.9054d15s2+3180.1289.3-2.37La

57138.915d16s2+3187.91106.1-2.52Ce58140.124f15d16s2+3,+4182.47103.4-2.48Pr59140.904f36s2+3,+4182.79101.3-2.47Nd60144.244f46s2+3182.1499.5-2.44Pm61[145]4f56s2+3(181.1)(97.9)-2.42Sm62150.354f66s2+3,+2180.4196.4-2.41Eu63151.964f76s2+3,+2204.1895.0-2,41Gd64157.254f75d16s2+3180.1393.8-2.40Tb65158.924f85d16s2+3,+4178.3392.3-2.39Dy66162.504f106s2+3177.4090.8-2.35Ho67164.934f116s2+3176.6198.4-2,32Er68167.264f126s2+3175.6688.1-2.30Tm69168.934f136s2+3,+2174.6286.9-2.28Yb70173.044f146s2+3,+2193.9285.8-2.27Lu71174.974f145d16s2+3173.4984.8-2.258/18/202477/45

性质特点（1）单质及其离子物理、化学性质十分相同；（2）随核电荷增加和4f电子数目不一样，半径改变，性质略有差异，成为镧系元素得以区分和分离基础

稀土元素电子特征——位于周期表中IIIB族，特征氧化态为+3：5d16s2——据洪特规则，d或f轨道全空、全满或半满时，原子或离子有特殊稳定性，Ce和Tb失去4个电子，4f轨道分别全空和半满，+4氧化态较稳定；Pr和Dy失去4个电子时，4f轨道靠近全空和半满，所以也可存在+4氧化态；同理，Eu和Yb失去2个电子时，4f轨道分别处于半满和全满，而也能够形成较稳定+2氧化态化合物，Sm和Tm+2氧化态化合物稳定性较差8/18/202488/45●镧系收缩(Lanthanidecontriction)——现象从La到Lu，原子半径和+3离子半径随原子序数增加逐步减小——原因镧系元素每增一个质子，一个电子进入4f轨道，4f电子对原子核屏蔽作用与内层电子相比较小，有效核电荷增加较大，查对最外层电子吸引力增强——说明Eu和Yb反常。原因：半充满4f7，全充满4f14，较大屏蔽——意义

因为镧系收缩，使钇离子半径（Y3+）与Tb3+、Dy3+离子半径相近，钇在矿物中与镧系金属共生

使ⅣBZr与Hf，ⅤBNb与Ta，ⅪBMo与W半径几乎相等，三对元素性质相同，形成共生元素对，分离困难8/18/202499/45●稀土金属性质和应用自学——概况

稀土金属呈银白色，较软，有延展性

较强还原性，标准电极电势与镁靠近，性质似碱土金属。金属活泼次序由Sc—Y—La递增，由La到Lu递减。易与其它非金属形成离子化合物。室温能与卤素反应生成卤化物LnX3——氧化物

加热（大于453K）直接与氧反应能够得到碱性氧化物Ln2O3

Ce、Pr、Tb分别生成CeO2、Pr6O11、Tb4O7。这些氧化物在酸性条件下都是强氧化剂，可与卤化物定量反应生成卤素单质。在适宜条件下也可被还原成Ln2O38/18/20241010/45

应用稀土氧化物标准生成焓高于Al2O3，是比铝更加好还原剂——其它化合物1275K时，可于与N2反应生成LnN；与沸腾硫生成Ln2S3；与H2反应可生成非整比化合物LnH2，LnH3；与水反应生成Ln(OH)3或Ln2O3xH2O沉淀,并放出H2,加热反应加速——应用示例

镧系金属燃点低：Ce为438K，Pr为563K，Nd为543K，燃烧时放出大量热，故以Ce为主体混合轻稀土长久用于民用打火石和军用发怒合金。如Ce为50%，La和Nd占44%，Fe、Al、Ca、C和Si等占6%稀土引火合金可用于子弹引信和点火装置

氧化物Al2O3Y2O3La2O3标准生成焓/（kJ/mol）-1617.8－1905.8-1793.38/18/20241111/45

稀土金属及其合金含有吸收气体能力，吸氢能力最强，可作储氢材料。如1kgLaNi5合金在室温和253kPa下可吸收相当于标准情况下170LH2，而且吸收和释放H2可逆

Gd含有4f7电子构型，可实现电子只朝一个方向自旋状态，有铁磁性。4f电子不足半数轨道轻稀土有顺磁性。稀土及其化合物是主要永磁材料，第一代SmCo永磁体，第二代Ln3(FeCo)17和第三代Nd-Fe-B化合物等永磁材料有辽阔应用前景8/18/20241212/45

稀土金属分类略

16种稀土金属可按其物理、化学性质微小差异和稀土矿物形成特点，以钆为界，划分为轻稀土（铈组：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu）和重稀土（钇组：Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y）两组。按照稀土金属分离工艺可分为三组：铈组、铽组和钇组，或称为轻、中和重稀土，分界限因分离工艺不一样而稍有差异镧铈镨钕钷钐铕钆铽镝钇钬铒铥镱镥LaCePrNdPmSmEuGdTbDyYHoErTmYbLu轻稀土（铈组）重稀土（钇组）铈组（硫酸复盐难溶）铽组（硫酸复盐微溶）钇组（硫酸复盐不溶）轻稀土（P204弱酸度萃取）中稀土（P204低酸度萃取）重稀土（P204中酸度萃取）8/18/20241313/452.我国稀土资源自学我国正在开发内蒙古白云鄂博铁矿床中，稀土氧化物储量达3600万吨。加上其它地域已经开采或还未开采稀土矿，我国稀土矿储量预计可达1亿吨之多，占世界稀土总储量70%以上。我国稀土矿种类包含（略）3.稀土冶炼工艺介绍从矿物中提取稀土金属包含三步：精矿分解、化合物分离和纯化、稀土金属制备（略）4.稀土应用稀土金属及其化合物在农作物生产、石油化工、原子能工业、生物医药、冶金工业和功效材料领域有广泛应用（略）8/18/20241414/4513.3.7难熔金属●概况——范围包含IVB、VB、VIB和VIIB（除Mn）d区——通性金属键强度大，熔点高，在1700℃以上，其中W熔点最高，为3410℃。硬度大，Cr是全部金属中硬度最大，是制造耐磨、耐热和耐腐蚀材料理想金属钛22Ti钒23V铬24Cr

锆40Zr铌41Nb钼42Mo锝43Tc铪72Hf钽73Ta钨74W铼75Re8/18/20241515/451.钛(Titanium)，锆（zirconium）和铪（hafnium）●分布——钛我国丰产，大部分分散，主要矿物有金红石（TiO2）、钛铁矿（FeTiO3）和钒钛铁矿。钛资源丰富，冶炼困难——锆比铜、锌和铅总量还多，但分布非常分散——铪自然界于锆共生，存在于锆英石中——钛、锆和铪都归入稀有金属8/18/20241616/45（1）钛性质和用途●物理性质和用途——高熔点，轻，抗腐蚀，承受超低温广泛应用于航天飞机、火箭、导弹、潜艇、轮船和化工设备，制备盛放液氮和液氧器皿——有生物相容性接骨和人工关节，誉为“生物金属”——氢反应形成非整比氢化物，作为储氢材料●化学性质自学——钛标准电极电势为-1.63V，在空气中快速与氧生成致密氧化物膜而钝化，其在室温下不与水、稀酸和碱反应——钛能生成配合物TiF62-而可溶于氢氟酸或酸性氟化物溶液Ti+6HF====TiF62-+2H++2H28/18/20241717/45——钛能溶于热浓盐酸，生成绿色TiCl3·6H2O2Ti+6HCl===2TiCl3+3H2——钛在高温下可与碳、氮、硼反应生成碳化钛TiC、氮化钛TiN和硼化钛TiB。它们硬、难熔、稳定，成为金属陶瓷，氮化钛为青铜色，涂层能仿金。钛与氢反应形成一类非整比氢化物，可作为储氢材料。钛与氧反应生成TiO2TiO2TiCTiNTiH1.7~2.0TiO2TiBTiCl4Ti8/18/20241818/45（2）金属钛制备

TiCl4金属热还原法自学将TiO2或天然金红石和碳粉混合加热至1000K1100K，进行氯化处理制备TiCl4，氯化反应不能直接由TiO2氯化制得，必须有碳粉参加用金属镁或钠在1070K，氩气氛中还原得到钛1000K~1100KTiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s====TiCl4(g)+2CO(g)

1070K，ArTiCl4(l)+2Mg(s)====Ti(s)+2MgCl2(S)

过量Mg和MgCl2用稀盐酸处理除去，得到“海绵钛”8/18/20241919/45（3）钛主要化合物—TiO2晶型金红石型和锐钛型两种性质TiO2是白色粉末，不溶于水和稀酸，溶于氢氟酸和热浓硫酸TiO2+6HF====H2[TiF6]+2H2OTiO2+H2SO4====TiOSO4+H2O应用TiO2俗称钛白，是优良白色颜料，折射率高，着色力和遮盖力强，化学稳定性好，是制备高级涂料和白色橡胶主要原料；造纸和人造纤维消光剂；功效陶瓷BaTiO3主要原料。纳米TiO2有极好光催化性能，在有机污水处理领域有辽阔应用前景8/18/20242020/45（4）锆和铪性质和用途（略）锆和铪主要用于原子能工业，锆主要用作核反应堆中核燃料包套材料。铪含有尤其强热中子吸收能力，主要用于军舰和潜艇原子反应堆控制棒。锆合金强度高，宜作反应堆结构材料。铪合金特难熔，含有抗氧化性，用作火箭喷嘴、发动机和宇宙飞行器等。锆不与人体血液、骨骼及各组织发生作用，已用作外科和牙科医疗器械，并能强化和代替骨骼。它们还可用于化工设备和电子管吸气剂等。

8/18/20242121/452.钒(Vanadium),铌(Niobium)和钽(Tantalum)自学分布ⅤB，价电子构型是(n-1)d4ns1或(n-1)d3ns2——钒在地壳中丰度为136ppm，是银1000倍，在全部元素中排第23位，但它分布极广且很分散。钒主要矿物为绿硫钒VS2或V2S5，铅钒矿（Pb5(VO4)3Cl）等。——因为镧系收缩，铌和钽性质相同，在自然界共生，其矿物能够通式Fe(MO3)2表示——钒、铌、钽均是稀有金属8/18/20242222/45（1）金属钒及其化合物性质和用途——钒是银灰色含有延展性金属，不纯时硬而脆——钒是活泼金属，易呈钝态，常温下不与水、苛性碱和稀非氧化性酸作用，但可溶于氢氟酸、强氧化性酸和王水中，也能与熔融苛性碱反应。在高温条件下可与大多数非金属反应，比钛还易与氧、碳、氮和氢化合，所以制备纯金属极难。惯用金属（如钙）热还原V2O5得到——钒有金属“维生素”之称，含钒百分之几钢，含有高强度、高弹性、抗磨损和抗冲击性能，广泛应用于结构钢、弹簧钢、工具钢、装甲钢和钢轨。对汽车工业和飞机制造业有主要意义8/18/20242323/45——V2O5

钒最主要化合物。它是难溶于水棕黄色固体，可由偏钒酸铵热分解制备，是主要催化剂873K，2NH4VO3========V2O5+2NH3+H2OV2O5是两性氧化物，既溶于酸也溶于碱，且有一定氧化性，与浓盐酸反应可得到Cl2。V2O5+6HCl=====2VOCl2+Cl2+3H2O——钒含有各种氧化态（+5、+4、+3、+2、0）8/18/20242424/45VCl3V2O5VO3-VO43-VO2+V（粉末）+O2，Δ+H2，ΔV2O3V(H2O)6

3+OH-H+V(H2O)6

2+H2OZn/浓HClI-/H+VO2+Zn/HClZn/HCl强碱稀酸弱碱稀酸或铵盐加热浓酸+Cl2VCl4H2OH2O紫色绿色蓝棕黄色黄色8/18/20242525/45(2)铌和钽（略）8/18/20242626/453.铬(Chromium)、钼(Molybdenum)和钨(Tungsten,Wolfram)●分布VIB，价电子构型是(n-1)d5ns1或(n-1)d4ns2铬在自然界存在非常广泛，主要矿物为铬铁矿FeO·Cr2O3或FeCr2O4，是普通元素钼和钨是稀有金属。主要矿物有辉钼矿（MoS2）、钼酸钙矿（CaMoO4）和钼酸铁矿（Fe2(MoO4)3·nH2O）；白钨矿CaWO4和黑钨矿(Fe,Mn)WO4。钼和钨是我国丰产元素，其储量居世界首位，辽宁杨家杖子辉钼矿闻名于世，江西大庾岭钨最为丰富8/18/20242727/45（1）铬性质和用途——铬极硬、银白色、脆性金属，常温下极易形成致密氧化物保护膜而被钝化，在硝酸、磷酸或高氯酸中呈惰性，广泛用作电镀保护层及不锈钢——铬是活泼金属，其标准电极电势为Cr2++2e===Cr

ø=-0.90VCr3++3e===Cr

ø=-0.74V——铬能溶于稀盐酸和稀硫酸，生成蓝色Cr2+水合离子，而后被空气氧化为Cr3+绿色溶液Cr+2HCl===CrCl2+H24CrCl2+4HCl+O2===4CrCl3+2H2O8/18/20242828/45——铬氧化态有+6、+3、+2，+3最稳定，+2氧化态有还原性，+6氧化态有氧化性，+3氧化态离子能够形成配位化合物——铬化合物最主要是重铬酸钾，是分析化学主要试剂（2）钼和钨自学——钼和钨性质极相同何故。都是银白色高熔点金属，在常温下很不活泼，与除F2非金属单质不发生反应。在高温下易与氧、硫、卤素、碳及氢反应。钼和钨不与普通酸碱作用，但钼可被浓硝酸和浓硫酸所浸蚀。它们都溶于王水和HF与HNO3混合物，在熔融碱性氧化剂中快速被腐蚀——钼和钨用于制造合金钢，提升耐高温强度，耐磨性和抗腐蚀性等。钼钢和钨钢可做刀具、钻头等；钼合金在武器制造和导弹、火箭等尖端领域有主要地位。钨丝还用于制造灯丝和高温发烧元件。钼丝、带、片和棒在电子工业有广泛应用8/18/20242929/45M非氧化性酸MoO3，W不作用+Cl2，加热MoCl3，WCl6N2，加热M2N—MN间充化合物浓硝酸或浓硫酸不反应Na2MO4氧化剂熔融碱MoO3加热，O2或空气C，加热M2C—MC间充化合物8/18/20243030/454.锝(Technetium)和铼(Rhenium)（略）8/18/20243131/4513.3.8铁族●分布

——铁族包含锰、铁、钴和镍，锰位于VIIB族，铁、钴、镍是VIIIB族。锰和铁为黑色金属，钴和镍是有色金属；锰归入铁族是因为它们金属单质性质相同，与铁能够形成各种合金材料，统称黑色金属材料。锰和铁价电子构型分别是3d54s2，3d64s2——锰在地壳中有广泛分布，在海底存在有大量锰结核——铁是丰产元素。主要矿物有赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）和黄铁矿（FeS2）——钴和镍是我国丰产元素，甘肃金川市被誉为镍都锰25Mn铁26Fe钴27Co镍28Ni8/18/20243232/45●性质和用途自学锰是硬而脆银白色金属。在空气中极易生成氧化物保护膜而钝化铁、钴和镍是含有铁磁性银白色金属

都是是活泼金属，与水反应生成难溶于水氢氧化物M(OH)2而阻止反应继续进行,与强稀酸反应生成M（+2）盐和氢气。可被浓硫酸、浓硝酸钝化。加热时可与卤素、氧、硫、氮、碳和硅等生成对应化合物，但不能直接与氢化合

金属锰最主要用途是生产金属合金材料：锰钢坚硬、耐磨、抗冲击，应用于制造钢轨、钢甲和破碎机等，代替Ni制造不锈钢（16%~20%Cr，8%~10%Mn，0.1%C），铝锰合金含有良好抗腐蚀性能和机械性能

8/18/20243333/45[Fe(OH2)6]3+[Fe(OH2)5OH]2+Fe2O3·xH2OFeCl3Fe[Fe(OH2)4]2+Fe(OH)2FeCl2Fe3O4KFe[Fe(CN)6]FeSFe(NCS)2+8/18/20243434/45

铁及其合金是基本金属结构材料，钢铁产量为一个国家工业化程度标志之一。铁钴镍都是主要合金元素，能形成各种多样、性质各异金属合金材料。如不锈钢（18%Cr，9%Ni），钴钢可制永磁铁；白钢耐高温、抗腐蚀和氢脆；镍铬合金做电热丝；镍铁合金制录音机磁头；超硬合金生产钻头、模具和高速刀具，等等。镍易吸附氢，是一个氢化催化剂，在有机合成中有主要应用。镍还因为其较稳定而作为金属镀层及制造熔碱坩埚

铁族金属丰富多彩化合物和配合物，最主要有KMnO4，MnCl2·xH2O，MnO2；FeCl3，(NH4)2Fe(SO4)2,Fe(C5H5)2等

铁族金属在维持生命活动着发挥主要作用，锰是植物光合作用不可少微量元素；铁是血红蛋白组成元素；维生素B12是钴配合物。1974年证实了镍是动物和人必需微量元素，存在于DNA和RNA中，成人每日摄入量0.3mg~0.5mg8/18/20243535/4513.3.9贵金属自学●分布

贵金属包含价电子构型为(n-1)d10ns1IB铜族铜、银、金等普通元素和VIIIB钌、铑、钯和锇、铱、铂等铂系稀有元素，它们都是有色金属

铜29Cu钌44Ru铑45Rh钯46Pa银47Ag锇76Os铱77Ir铂78Pt金78Au8/18/20243636/451.铜族●存在铜、银、金是人类发觉最早单质态矿物。金主要以单质形式存在于岩石或沙砾中。铜和银还有硫化物、氯化物矿，铜还有碳酸盐矿，有货币金属(Currencymetals)之称●性质——物理性质铜银金有特征颜色，分别为：紫红、银白、金黄。铜银金很柔软，有极好延展性和可塑性，金尤其如此。1g金可碾压成只有230个原子厚度，约1m2薄片，拉成20μm直径长达165m金线。它们都是热和电良导体，银在全部金属中含有最正确导电性，所以都是电子和电气工业主要物资。铜质合金，如黄铜、青铜和白铜分别用作仪器零件和刀具8/18/20243737/45——化学性质

铜族元素都是不活泼金属，Cu—Ag—Au活泼性递减

都可形成+1，+2，+3氧化态化合物，Cu(+2)最稳定,Ag(+1)和Au(+1)最稳定

常温不与非氧化性酸反应，铜和银溶于浓硫酸和浓硝酸中，金只溶于王水，通氧下，铜可溶于加热硫酸和盐酸Cu+2H2SO4（浓）=====CuSO4+2H2O+SO23Ag+4HNO3

=====3AgNO3+

2H2O+NOAu+4HCl+HNO3

=====HAuCl4+2H2O+NO2Cu+2H2SO4+O2

=====2CuSO4+2H2O2Cu+8HCl（浓，热）=====2H3[CuCl4]+H28/18/20243838/45

铜在空气中加热时可与氧发生反应生成黑色氧化铜，而金、银加热也不与氧作用。铜在潮湿空气中能够生锈：2Cu+H2O+CO2+O2=====Cu2(OH)2CO3

铜银金它们都能与CN—等简单配体形成稳定配合物8/18/20243939/452.铂系金属自学●分布——铂系金属按照密度大小分为两组，钌、铑、钯密度约为12g/cm3，称轻铂系元素；锇、铱、铂密度约为22g/cm3，称重铂系元素。它们性质非常相同，在自然界共生，统称铂系元素——它们在自然界能够游离态存在，如铂矿和锇铱矿，也可共生于铜和镍硫化物中，在电解精练铜和镍后，铂系金属和金银常以阳极泥形式存在于电解槽中——铂系金属原子价电子构型分别是：Ru：4d75s1；Rh：4d85s1；Pd：4d10；Os：5d66s2；Ir：5d76s2；Pt：5d96s1与核外电子排布规律不完全一致。原因：4d和5s及5d和6s能级差与3d和4s相比更小，更易发生能级交织，造成原子最外层电子有从ns进入（n-1）d更强趋势，这种趋势随原子序数增大而增强8/18/20244040/45●性质和用途——除锇呈蓝灰色，其余均呈银白色。熔沸点高，密度大，钌锇硬而脆，其余韧性、延展性好——吸收气体，尤其氢气和氧气。优良催化剂：铂是烯烃和炔烃氧化和氨氧化合成硝酸催化剂；钌是苯氢化作用催化剂——化学惰性，在常温下不与氧、氟、氮等非金属反应，含有极高抗腐蚀性能。Ru、Rh、Ir和块状Os不溶于王水。Pd和Pt相对较活泼，可溶于王水，Pd可溶于浓硝酸和浓硫酸。在有氧化剂如KNO