高中化学-过渡金属(Ⅰ)竞赛课件

高中化学过渡金属竞赛过渡金属是化学竞赛中重要的内容之一。这些元素具有独特的性质和广泛的应用，例如催化、电池和颜料等。过渡金属的定义和分类过渡金属是指周期表中位于第3到第12族的元素。过渡金属的原子具有部分填充的d轨道，导致它们具有多种氧化态和独特的化学性质。过渡金属可以进一步分为第一过渡系、第二过渡系和第三过渡系。金属性和电子构型金属性过渡金属的金属性随周期数的增加而减弱，同一周期中，从左到右金属性减弱。电子构型过渡金属的电子构型一般为(n-1)d1-10ns1-2，外层电子构型为ns1-2，决定了过渡金属的化学性质。典型特征过渡金属的电子构型决定了其可变价态，参与形成多种氧化态，体现了过渡金属的典型特征。d轨道电子排布过渡金属的d轨道电子排布决定了它们的性质。d轨道电子排布遵循洪特规则和泡利不相容原理。电子首先填充能级较低的d轨道，然后才填充能级较高的d轨道。d轨道电子排布影响了过渡金属的化学性质、颜色、磁性等。元素电子构型d轨道电子排布Sc[Ar]3d14s2↑Ti[Ar]3d24s2↑↑V[Ar]3d34s2↑↑↑Cr[Ar]3d54s1↑↑↑↑↑Mn[Ar]3d54s2↑↑↑↑↑Fe[Ar]3d64s2↑↑↑↑↑↓Co[Ar]3d74s2↑↑↑↑↑↓↑Ni[Ar]3d84s2↑↑↑↑↑↓↑↓Cu[Ar]3d104s1↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓Zn[Ar]3d104s2↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓离子化焓和原子半径离子化焓(kJ/mol)原子半径(pm)过渡金属的离子化焓和原子半径变化规律与元素周期律密切相关。从左到右，原子半径逐渐减小，离子化焓逐渐增大。但是，由于d轨道的电子排布的影响，过渡金属元素的离子化焓和原子半径的变化规律并不完全一致。常见过渡金属的性质金属光泽过渡金属通常具有金属光泽，这是由于它们表面能够反射光线而产生的。良好导电性过渡金属的电子结构使它们能够容易地传导电流，这使得它们成为制造电线和电子设备的重要材料。高熔点和沸点过渡金属原子间存在强的金属键，需要较高的能量才能克服这些键，因此它们通常具有较高的熔点和沸点。形成多种化合物过渡金属能够形成多种不同类型的化合物，包括氧化物、卤化物、硫化物和配合物，这些化合物具有广泛的应用。锰的化学性质11.氧化性锰可以与卤素、氧气等非金属反应，生成相应的卤化物、氧化物。22.还原性锰也能与酸反应，生成相应的盐类，同时放出氢气，表现出还原性。33.多种价态锰的常见化合价有+2、+4、+6、+7价，不同的价态表现出不同的化学性质。44.形成配合物锰的离子可以与许多配体形成稳定的配合物，例如高锰酸钾等。铁的化学性质与非金属反应铁可以与氧气反应生成氧化铁，常温下生成氧化铁薄膜保护铁不被腐蚀，高温下生成四氧化三铁。铁可以与卤素反应生成卤化铁，如与氯气反应生成氯化铁。与酸反应铁可以与稀盐酸、稀硫酸反应生成氢气和相应的铁盐，如与稀盐酸反应生成氯化亚铁和氢气。铁不能与浓硫酸、硝酸反应，因为浓硫酸、硝酸具有强氧化性，能使铁表面钝化。钴的化学性质11.钴的氧化态钴的常见氧化态为+2和+3，+2氧化态稳定，+3氧化态也有重要作用。22.与氧气反应钴在空气中加热，生成CoO，在高温下生成Co3O4，钴粉在空气中燃烧发出蓝紫色火焰。33.与酸反应钴能溶于稀盐酸、稀硫酸，生成钴盐，并放出氢气。44.与卤素反应钴能与卤素反应生成相应的卤化钴，如CoCl2、CoBr2、CoI2等。镍的化学性质稳定性镍是一种比较稳定的金属，在空气中表面形成致密的氧化膜，可以防止进一步氧化。与酸反应镍能溶于稀硝酸，但不能溶于稀盐酸和稀硫酸。与碱反应镍与强碱反应生成镍酸盐。与非金属反应镍能与卤素、硫、磷等非金属反应，生成相应的化合物。铜的化学性质金属光泽铜具有独特的红色金属光泽，在空气中容易氧化形成氧化铜，表面会失去光泽。易生成铜绿铜在潮湿空气中易生成铜绿（碱式碳酸铜），是一种绿色的化合物，具有保护作用。与酸反应铜能与硝酸反应生成硝酸铜，但不能与稀盐酸或稀硫酸反应。与氧气反应铜在加热条件下能与氧气反应生成氧化铜，呈现黑色。银的化学性质稳定性银在常温下不易与氧气反应，但可以与硫化氢和硫反应生成黑色硫化银。银也能够与卤素反应生成卤化银，但反应速度较慢。还原性银的还原性较弱，在金属活动性顺序中位于氢之后，可以被强氧化剂氧化。溶解性银不溶于稀酸，但可以溶解于硝酸和热的浓硫酸，形成银离子。金的化学性质稳定性金在空气中稳定，不易被氧化。金不与非氧化性酸反应，但能溶解在王水中。反应金能与卤素反应生成卤化金。金还可以与氰化物反应生成氰化金离子。金与汞能形成合金，即汞齐。单质存在形态与结构过渡金属的单质存在形态多种多样。例如，铁、钴、镍等过渡金属以金属单质的形式存在，而铂、金等贵金属则以单质形式存在于自然界中。过渡金属单质的结构也多种多样，主要包括体心立方结构、面心立方结构、密堆积结构等。金属晶格结构对金属单质的物理性质和化学性质有重要的影响。金属晶格结构和金相分析过渡金属的晶格结构决定其物理性质。常见的晶格类型包括体心立方、面心立方和密排六方。金相分析是一种利用显微镜观察金属材料微观结构的技术，可以识别晶粒大小、形状、相分布等信息，帮助了解材料性能。过渡金属化合价多变性过渡金属可以形成多种化合价，例如铁可以形成+2、+3价，而锰可以形成+2、+3、+4、+6、+7价。d轨道过渡金属的多变化合价主要与d轨道的电子排布有关，d轨道的电子可以参与成键，形成不同的化合物。氧化还原过渡金属的化合价变化往往与氧化还原反应相关，例如Fe2+可以被氧化为Fe3+，而MnO4-可以被还原为Mn2+。影响因素过渡金属的化合价还受到其他因素的影响，例如配位环境、反应条件等。过渡金属的酸碱性过渡金属氧化物过渡金属氧化物通常表现为两性氧化物，在酸性溶液中可以与酸反应生成盐和水。过渡金属氢氧化物过渡金属氢氧化物通常表现为两性氢氧化物，在碱性溶液中可以与碱反应生成配位化合物。过渡金属盐过渡金属盐的酸碱性取决于金属离子的性质和阴离子的性质。过渡金属的氧化还原性11.氧化还原电位过渡金属元素的氧化还原电位与其电子构型有关。d轨道电子数量和填充方式影响氧化还原反应趋势。22.氧化态过渡金属元素通常表现出多种氧化态，这与d轨道电子填充情况有关。33.氧化还原反应过渡金属及其化合物在化学反应中能够发生氧化还原反应，参与许多重要的化学过程。44.影响因素氧化还原电位受多种因素影响，包括溶液pH值、配体类型、温度等。过渡金属离子的配位化合物定义过渡金属离子与配体通过配位键结合形成的化合物，称为配位化合物。配位化合物是过渡金属化学中重要的研究领域，在催化、材料科学和生物化学等方面具有广泛的应用。结构配位化合物通常包含中心金属离子，周围被配体包围。配体可以是中性分子或阴离子，通过提供孤对电子与金属离子形成配位键。命名配位化合物命名遵循一定的规则，以中心金属离子的名称开头，后面接配体的名称。配体的名称根据其性质和配位数进行命名，例如水分子为“水合”，氨分子为“氨合”。举例常见的配位化合物包括四氨合铜（Ⅱ）离子，[Cu(NH3)4]2+，和六氰合铁（Ⅱ）离子，[Fe(CN)6]4-。金属配合物的性质颜色金属配合物通常具有鲜艳的颜色，这是由于金属离子与配体之间的相互作用导致电子跃迁。溶解性许多金属配合物可溶于水或有机溶剂，这取决于配体的性质和金属离子的电荷。反应性金属配合物可以参与各种化学反应，包括配位交换反应、氧化还原反应等。结构金属配合物具有独特的几何结构，这取决于配体的数目和金属离子的配位数。金属配合物的稳定性11.稳定常数稳定常数越大，配合物越稳定。稳定常数是指在一定温度下，金属离子与配体形成配合物的平衡常数。22.配位体性质配体的大小、电荷、电子云密度等性质都会影响配合物的稳定性。例如，配位体电荷越高，配合物越稳定。33.金属离子性质金属离子的电荷、半径、电子构型等性质也会影响配合物的稳定性。例如，金属离子电荷越高，配合物越稳定。44.温度和溶剂温度和溶剂的性质也会影响配合物的稳定性。例如，温度升高，配合物的稳定性会降低。金属配合物的应用催化剂金属配合物作为催化剂在许多化学反应中起着重要作用，例如烯烃的加成反应和氧化反应。染料和颜料一些金属配合物具有鲜艳的颜色，可作为染料和颜料，用于纺织品、油漆和塑料等领域。医药一些金属配合物具有抗菌、抗癌和抗炎等药理活性，在医药领域有着广泛的应用。分析化学金属配合物在分析化学中用于定量分析和定性分析，例如用于测定金属离子的浓度或鉴定金属离子的存在。过渡金属的生物作用血液中的重要角色铁是血红蛋白的主要组成部分，负责将氧气输送到全身各个组织和器官。植物的光合作用镁是叶绿素的中心原子，参与植物光合作用，促进植物生长和发育。酶的活性中心铜参与多种酶的组成，催化体内重要的生化反应，维护机体正常功能。免疫系统和生长发育锌是人体必需的微量元素，参与免疫系统和生长发育，缺乏锌会导致免疫力下降和生长迟缓。过渡金属在工业中的应用钢铁冶炼钢铁是重要的工业材料，过渡金属铁是其主要成分。钢铁生产中需要使用锰、铬、镍等过渡金属，提高钢材的强度、硬度、耐腐蚀性等。汽车制造汽车制造中广泛使用过渡金属。例如，车身材料中使用钢材、铝合金、铜合金等，发动机中使用镍合金等。电子产品制造过渡金属在电子产品制造中发挥着重要作用。例如，铜、金、银等用于导线、芯片等，钴用于制造锂电池等。航空航天航空航天领域对材料性能要求极高，过渡金属合金具有高强度、耐高温等特性，被广泛应用于制造飞机、火箭、卫星等。过渡金属的污染和防治污染来源过渡金属在工业生产中广泛使用，例如冶金、化工和电子行业。废水、废气和固体废弃物中含有过渡金属，造成环境污染。环境影响过渡金属污染会影响土壤、水体和空气质量。过渡金属在生物体内富集，可能导致生物毒性，危害人类健康。防治措施加强工业废水、废气处理，减少过渡金属排放。推广清洁生产工艺，开发环保型过渡金属材料。过渡金属离子的分离和测定1选择性沉淀法利用不同金属离子对不同试剂的反应，实现分离2离子交换法利用离子交换树脂分离不同金属离子3溶剂萃取法利用金属离子在不同溶剂中的溶解度差异分离4色谱法利用金属离子在固定相和流动相中的分配系数差异分离过渡金属离子的分离和测定在分析化学领域具有重要的意义，应用于环境监测、食品安全、资源勘探等多个领域。常见的过渡金属离子分离方法包括选择性沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法和色谱法。测定方法包括重量法、滴定法、光度法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法等。过渡金属的回收和利用1资源枯竭过渡金属资源有限，回收利用对于可持续发展至关重要。2废旧金属回收从废旧电子设备、电池、催化剂等中提取过渡金属。3冶金技术利用冶金技术，对废金属进行提纯和再加工，制备可用的金属材料。过渡金属竞赛题目分析竞赛题目类型竞赛题目通常涵盖过渡金属的性质、反应、应用等方面。题目难度竞赛题目难度较高，需要深入理解过渡金属的理论知识和实验技能。备考策略建议学生多做练习，熟悉常见题型，并注重知识点的联系和运用。过渡金属竞赛题目训练基础知识掌握过渡金属的定义、分类、性质等基础知识。例如，过渡金属的定义、电子构型、氧化还原性等。经典题型熟悉过渡金属的常见题型，例如配位化合物、氧化还原反应、金属配合物等。解题技巧学习解题技巧，例如如何分析题意、如何运用知识点、如何判断答案等。真题演练通过大量真题演练，熟悉考试风格，提高解题能力和应试技巧。模拟考试参加模拟考试，模拟真实的考试环境，检验学习成果，找出薄弱环节。过渡金属知识点总结定义和分类过渡金属指周期表中d区元素，位于主族元素和副族元素之间。过渡金属根据其性质分为副族金属和镧系锕系。性质过渡金属具有多种化学性质，如可变价态、形成配合物、催化活性等。这些性质与它们独特的电子结构有关。应用过渡金属在工业、农业、医药等领域都有广泛应用，例如制备合金、催化剂、颜料和药物等。重要性过渡金属在生物体中扮演着重要的角色，参与各种重要的生化过程。它们是人体必需的微量元素，对于维持生命活动至关重要。复习思考题本节内容为过渡金属的知识点总结，通