高中化学_过渡金属(Ⅰ)竞赛课件

1、第二十章 过渡金属（）,201 概述 一、什么是过渡金属：不同书本有不同的分法 具有部分充填d或f亚层电子的元素： B8列元素 据此人们常将Cu族也纳入过渡金属元素，因为：Cu2+ d9 Au d8 也有书上把Zn族也归入，因此，过渡元素性质非常丰富，有最高熔点的W，最大硬度的Cr，也有常温液态的Hg，还要延展性最好的Au，导电性最好的Ag等。,按定义，还包括La系元素和Ac系元素。IIIB族的六、七周期一般叫做内过渡元素，常单独讲解。且因为Sc、Y（B族）的性质与La系元素相似，十七个元素一并称作稀土元素。 Ac系元素有锕、钍、镤、铀等15个元素，均为放射性元素；内容自学。 本章过渡（）主要

2、介绍：Ti，V，Cr，Mo，W，Mn ；以及各同族的Zr、Hf、Nb、Ta等,202 Ti副族,Ti Zr Hf 价电子结构 (n-1)d2 ns2 ,最稳定价态是+4 钛的含量（0.63%）在地球中十分丰富。过渡金属中含量仅次于Fe；总数第十位。主要有TiO2，钛铁矿FeTiO3，CaTiO3矿等。但钛的应用较晚。首先它纯度不高时，表现为脆性。最主要是Ti 的冶炼十分困难。在高温下，Ti的反应性强，尤其对氧的结合力强，能从其他的氧化物中抢过氧。比Si、B等更加亲氧。,然而，Ti的性能非常优秀，强度大，比重轻，耐腐蚀。硬度与钢铁差不多，但比重小一半d=4.43g/cm3,稍比Al大，但强度（硬

3、度）是Al的2倍。这对航空业的材料是最好的选择。在宇宙火箭和导弹中，就大量用Ti代替钢。另外，Ti粉可用做燃料，能放出大量热，是火箭的好燃料。所以，Ti被誉为宇宙金属、空间金属。产品中70%用于飞机、火箭、导弹。所以人们是这样描述的：人类对金属的应用，如果把Cu当作第一代，Fe第二代，Al第三代，则，Ti就是超越了前辈的第四代金属。,一、单质性质,常温下，Ti不与无机酸反应，即使是王水也不能溶解。有人做过实验，把一块Ti沉到海底，经5年后取上来观察，一点没有生锈，依旧亮闪闪的。这个用于轮船，潜艇就非常有利。化工机械中某些部件耐酸碱。除此之外，Ti没有磁性。这点对于避免鱼雷攻击非常有效。同时，它

4、的强度大，Ti潜艇可在深达4500m的深海中航行。Ti还可以作为一种形状记忆合金。,A TiF62 1.19 Ti TiO2+ -0.1 Ti3+ -0.37 Ti2+ -1.63 Ti Zr4+_-1.53_Zr Hf4+_-1.70_Hf 从A 来看，Ti的还原性非常强，与Al相近，但为何惰性？ 因为，Ti表面有一层致密的、钝性的氧化物保护膜。但在热条件下：,Ti+HClTiCl3+H2（加热条件下） Ti+HNO3H2TiO3+NO（加热条件下） 与碱不反应，与HF易反应： Ti+6HFTiF62-+2H2+2H+ 高温下，能直接与许多非金属形成很稳定、很硬、很难熔的TiN，TiC，Ti

5、B，TiB2，或与许多金属形成金属间化合物。其中 在18002000下发生反应：Ti+CTiC（黑色）。TiC熔点3100，硬度高，是目前效率最高的切削加工钢材的刀具材料。 r-TiAl，金属间合物，高硬度比，耐高温，抗氧化性，抗形变性，极具潜力的航空材料。,Ti的冶炼,非常困难，因为高温下，Ti非常活泼，能与N2，O2，C等形成非常稳定的化合物。因此，在冶炼时，空气和水是严格禁止接近的，甚至冶金常用的Al2O3坩埚也禁用，因为它可从中夺取氧。今利用Mg与TlCl4在惰气中来提取Ti（显然不能用C还原）： TiCl4（g）+2MgTi（海绵状）+2MgCl2（用Ar做保护剂，在约1070k下反

6、应） 海绵状的Ti，熔铸成钛锭，还得用高技巧的“水冷钢坩埚”电炉制备。 Ti还因其与许多元素结合力强，用于冶炼其他金属，纯化过程可加少量Ti，使它夺O等杂质，浮在面上，形成炉渣。 钢城“攀枝花”，钛铁矿的综合利用,二、钛的重要化合物,1 TiO2 自然界存在，晶体有三种晶型，其中金红石型最重要（四方晶系）。“红宝石”含微量Fe等元素显色。人工制造的TiO2粉，“钛白粉”，化工原料，最白的颜料。白度是ZnS+BaSO4白的5倍，1g可使450cm2涂得雪白。生产钛白： 法一：TiCl4+O2（干燥）TiO2+2Cl2（在约1000K下反应） 法二：FeTiO2+2H2SO4(80%)TiOSO4

7、+ FeSO4+2H2O (约在7080下反应) TiOSO4+2H2O=TiO2H2O+H2SO4（加热） 水解 900煅烧,2 BaTiO3：压电效应材料 TiO2+BaCO3BaTiO3+CO2（熔融状态下） 压电晶体，在超声波中，受压产生电流。电流的强弱可指示超声波的强度。或是通变频 电流，则产生超声波。 应用：超声发生器、置于铁轨下，可测量火车通过时压力、脉搏记录器、煤气炉打火等。,3TiCl4 制备：TiO2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO （800900下反应） （加热条件下反应） 类似反应：Al2O3+3C+3Cl22AlCl3+3CO （亲氧元素） B2O3+3Cl2+3

8、C2BCl3+3CO SiO2+2Cl2+2CSiCl4+2CO TiO2（s）+2Cl2（g）=TiCl4（g）+O2（g） H=149kJmol-10,s=41Jmol-1K-10 高温下，G0, T转=1491000/41= 3634K （3000还不会反应） 但加C后，上述反应，H=72K，s=220（0）（任意温度都可进行） ，仅加C还原不出这些金属，以下不同：,SnO2+2C=Sn+2CO PbO+C=Pb+CO Bi2O3+3C=2Bi+3CO PbO+CO=Pb+CO2 FeO+CO=Fe+CO2 如下是好方法：用COCl2,SOCl2,CHCl3,CCl4等氯化试剂： TiO

9、2+CCl4=TiCl4+CO2(770K) TiCl4为分子晶体，mp250K，bp409K AlCl3在453K就升华了 TiCl4在常温下是液体，有极强的水解性。 TiCl4+2H2O=TiO2+4HCl 应用：军事上，烟雾弹，经久不散 农业上，水解物白烟雾，就如棉被，对植物保暖防冻。,Ti(IV)配位化合物 过渡金属离子易成配合物为特点 在水中，可以H2O为配位体，但不是Ti（H2O）64+，而是TiO(H2O)42+或 Ti(OH)2 (H2O)62+；同时有 ，TiF62-, TiCl62-, Ti(NH3)44+ 特别指出，H2O2 中的过氧离子，易转移到高价过渡金属当配体，并有

10、特殊颜色，作为鉴定或测定方法。如：定性判断Ti的存在 P940 Ti(IV)中，加入H2O2 在强酸中，pH1 红色 在稀酸中，中性 橙黄,定量测定Ti TiO2+_+0.1_Ti3+_-0.37_Ti2+_-1.63_Ti H+TiO2+AlTi3+Al3+H2O (放入Al片) Ti3+还原性略比Sn2+强。Sn4+ 0.15 Sn2+ Fe3+Ti3+=Fe2+Ti(IV) 用SCN-为指示剂 可进行如下反应：Al+3Ti3+=Al3+3Ti2+ 中性时： 2H+e=H2 =0 H+/H2=0+(0.059/2)lg (C2H+)/(PH2/P)=0.059(-7)= 0.41 pH=6

11、 （-6）= 0.35,三、Zr,Hf的化合物,La系收缩，导致Zr、Hf二者相近性质 过渡金属从上到下趋于高价稳定，与主族相反；它们只有4价态。 MO2 MX4 水解性，配合性 ZrF4具有高折射率的无色单斜晶体,K2ZrF6可溶性，热水中溶度较大,ZrSiO4+ K2SiF6 K2ZrF6+ 2SiO2 锆英砂烧结、1盐酸浸泡出，结晶 (NH4)2ZrF6类似，但稍加热可得ZrF4 (NH4)2ZrF6ZrF4+ 2NH3 + 2HF,20-3 钒副族,一、钒族简介 b Ta 0.015% 2.410-3% 2.010-4% 在自然界中较稀散，总是与其他金属混合在一起。比较重要的有：钒酸钾

12、铀矿K(UO2)VO43/2H2O。 二、三过渡元素含量更是几十到百倍地减少； Nb、Ta半径相近，有如孪生姐妹，共生矿：铌(钽)铁矿Fe(Nb.Ta)O22等。分散而不集中。 尼日利亚是世界上Nb最大的供应商。由于电子计算机、手机等行业的迅速发展，Nb、Ta在电子线路中有重要用途，对此开采犹如淘金般的火爆。,V主要用于合金。它渗入钢成钒钢。钒钢与普通钢相比有结构紧密，韧性、弹性与机械强度高的特点。钒钢穿甲弹，能射穿40cm厚的钢板。大量应用于制造汽车、飞机的发动机轴、弹簧及汽缸等。 Nb、Ta同样在合金中有改善金属的重要性能，有钢的“维生素”之称。加入少量，就可以增加延展性、抗磨性、耐冲击性

13、等。同时也能改变化学性能。如：Al在OH-可溶，只需加0.05%Nb，就不在和碱反应。许多合金在低温下，会变得象玻璃一样脆，但加入0.7%的Nb，在-80下，仍保持原来强度。,除此之外，Nb、Ta在电子行业有特殊的功能：电解电容中的重要材料（有它容量可增大5倍）。电子管栅极材料（用它亦可吸收气体，形成真空）。Nb、Sn、Ge合金成为最重要的超导材料（临界温1821K，关键是合金易加工）。 Ta是所有金属中最耐酸蚀的。能抵抗除HF酸外的所有无机酸，包括王水，即使加热也相当稳定。HF腐蚀也较缓慢。,二、V的重要化合物,1、 V2O5 橙红 矿物中提炼： V2O5+2NaCl+0.5O2=2NaVO

14、3+Cl2（煅烧条件） 实验室：（NH4）VO3=V2O5+2NH3+H2O （加热条件） 易溶于碱（显酸性）：V2O5+6OH-=2VO43-+ 3H2O 也溶于浓强酸（显弱碱性）：形成VO2+、VO3+ 较强氧化性：V2O5+HCl=VOCl2+Cl2+H2O,2 钒酸盐 随酸度不同，形式不同(同多酸) ; 强碱 （加酸）强酸 VO43-V2O74-V3O93-V10O286-VO2+ V:O 1：4 1：3.5 1：3 1：2.8 1：2 氧化还原性 A：VO2+_1.0_VO2+_0.36_V3+_-0.26_V2+ _-1.19_V 橙黄 兰 绿 紫 颜色丰富，仙女之称。 VO2+（

15、加足量Zn）由黄兰绿紫,VO2+H2C2O4+2H+2VO2+CO2+H2O VO2+Fe2+2H+VO2+Fe3+H2O VO43-与H2O2显色反应：O22取代O2 中性黄色 强酸性红棕色,V +5常见价态:V2O5 VO2+ VO3- VO43- 钒氧基 偏钒酸根 钒酸根 酸性介质中有较强氧化性,A：VO2+_1.0_VO2+_0.36_V3+ _-0.26_ V2+ 较强氧化性 有氧化性 有较强还原性 与HNO3近 与Cu2+近 弱酸性条件下， 被H+氧化,VO2+Fe2+H+VO2+Fe3+H2O 2VO2+H2C2O4+2H+2VO2+2CO2+2H2O V2O5+HCl（浓） V

16、O2+Cl2,Nb Ta,性质相似的一对 +5价稳定，Nb2O5 、Ta2O5 水合物即为相应酸，多以多酸盐存在，如：M8Nb6O19xH2O NbCl5、TaCl5 易成M2NbF7、 M2TaF7,20-4 铬副族,一、概述 Cr Mo W 1.010-2% 1.510-4% 1.5510-4% 1存在状况：后两者的总含量不太高，比Nb、Ta低。但在我国含量极为丰富。辉钼矿MoS2，白钨矿CaWO4， 黑钨矿(Fe、Mn)WO4， 铬铁矿Fe(CrO2)2。,2用途：主要在于制高强度、耐高温的合金。特别在火箭，导弹，宇宙航行等方面离不开钨合金。在国防工业上，枪炮筒、装甲板、坦克和其他武器装

17、备需大量的Mo、W合金。就拿Mo来说，二十世纪初，Mo年产量只有几吨。在第一次世界大战期间增加了50倍；后来急剧下降，到1925年又回升。二战期间的1943年，产量又创新高，约3万吨。有人把它称为“战争金属”。,3性质之最：Cr是金属中硬度最大的。高纯时，硬度降低。 W是金属中熔点最高的，有3683K。 这些性质与其电子结构有很大关系，即：原子间结合力大金属键强。 Cr 3d54s1 Mo 4d5s1 W 5d46s2 能够提供最多的未成对电子，参与成键。,Cr、Mo、W和前面几种Ti，V族等元素一样，表面都能形成一层结构紧密的保护膜，显惰性，在王水中不溶。这在保护金属材料中，Cr特别有意义。

18、镀铬很方便。因为它有很稳定的Cr3+盐，而前面Ti、V族均为稳定的含氧酸或氧化物等。,4技术：铬盐钝化技术，在国外1930年才开始，在我国西安出土的秦始皇时代的三把宝剑，在潮湿的地下，毫无锈迹，剑身乌亮，寒光逼人。 不锈钢：Cr818%，Ni，Fe合金,A Cr2O72- _1.33 _Cr3+ _-0.41 _Cr2+ _-0.91 _Cr 强氧化性 稳定 可被水氧化 比VO2+强 同Ti2+ V2+,二、铬的重要化合物,1Cr（）：毒，可致癌。 CrO3 红色 K2Cr2O7 配制洗液 过程：先用少量水溶解，加浓H2SO4，有红色固体析出 方程式： Cr2O72-+2H2SO4=2CrO3

19、（s）+2HSO4-+H2O； CrO3Cr2O3+O2（加热条件） 洗液多次使用后，变绿时，则失去氧化效果。 洗液是强氧化剂，比V2O5强，遇有机物可着火。,2H2CrO4，H2Cr2O7，MCrO4 2CrO42-+2H+=Cr2O72-+H2O K=1014 酸性溶液中，以Cr2O72-存在；碱性溶液中，以CrO42-存在； 中性溶液中，则：Cr2O72-/CrO42-2=1； 沉淀盐，以MCrO4形式存在。 BaCrO4 黄色 KSP=1.210-10 PbCrO4 黄色 KSP=2.810-13 Ag2CrO4 砖红色 KSP=2.010-12 可做颜料。 鉴定方法：中性介质+M2+

20、沉淀 沉淀+H+溶解,氧化性：应在酸性介质中 A Cr2O72-_1.33_Cr3+ B CrO42-_-0.13_Cr（OH）4- H+Cr2O72-+H2SCr3+S+H2O H+Cr2O72-+SO32-Cr3+SO42- H+Cr2O72-+I-Cr3+I2 H+Cr2O72-+HCl（浓）Cr3+Cl2 H+Cr2O72-+Fe2+Cr3+Fe3+,过氧基显色反应 Cr2O72-+4H2O2+2H+=2CrO(O2)2+5H2O 兰色（在乙醚中） 用作鉴定反应之一,BaCrO4 黄色 KSP=1.210-10 PbCrO4 黄色 KSP=2.810-13 Ag2CrO4 砖红色 KS

21、P=2.010-12 等也作为鉴定反应 鉴定方法：中性介质+M2+沉淀 沉淀+H+溶解,3Cr（）人体微量元素 Cr3+ 3d34s04p0 易成配合物 d2sp3杂化 6配位 H2O，NH3，Cl-，CN-，C2O42-等均可配位。利用这点，可与主族元素区分。,当然实际用于Cr3+与其它金属离子分离的方法是用其还原性, 还原性： B CrO42-_-0.13_Cr（OH）4- 2OH-+2Cr（OH）4-+3H2O2=2CrO42-+8H2O 在酸性介质，较难氧化： 3S2O82-+2Cr3+7H2O=Cr2O72-+6SO42-+14H+ （在Ag+催化，加热下） 6MnO4-+10Cr3

22、+11H2O=5Cr2O72-+6Mn2+22H+（加热条件）,如：Al3+与Cr3+的分离。 二者均有两性+过量OH-Al（OH）4- Cr（OH）4- Al3+，Cr3+S2-Al(OH)3，Cr(OH)3+H2S A l3+，Cr3+NH3Al(OH）3，Cr(OH)3 利用Cr(OH)4- 易被H2O2氧化为CrO42-，再用Ba2+沉淀剂来分离。,如果要与Zn2+分离呢？, Cr2O3 绿色颜料 （NH4）2Cr2O7=Cr2O3+N2+4H2O（加热条件） Cr2O3可溶于酸中。 因为Cr3+有dd跃迁，所以有颜色，并且不同配位色不同。 Cr（H2O）63+或Cr3+ 蓝绿色 Cr

23、（OH）3 灰兰色 Cr（OH）4- 亮绿透明,三、Mo，W化合物, MoO3 WO3 (NH4)2MoO4 Na2WO4 同多酸，杂多酸（含氧酸中，同一元素含多个中心原子） PH=6 7MoO42-+8H+=Mo7O246-+4H2O (NH4)6Mo7O244H2O 3NH4+HPO42-+MoO42-+H+= （NH4)3P(Mo12O40) 6H2O+6H2O 12钼磷酸铵 （黄色）, Mo，W的制备 MoO3+2Al=Mo+Al2O3（均热条件下） MoO3+H2=MoO2+H2O（723923K） MoO2+H2=Mo+H2O（12231373K） WO3+H2=W+3H2O（g）

24、（9231093K）,3 Mo，W化合物也亲硫 自然界中就有MoS2矿 OH介质中MoO42-、WO42-溶液通H2S容易生成硫代酸盐。,固氮酶组成中含有Mo-Fe-S,20-5 锰副族,Mn Tc(人造元素) Re (稀少) (n-1)d5ns2 一、Mn简介 MnO2 软锰矿 Mn3O4 黑锰矿 Mn2O3H2O 褐锰矿 地球含量为0.085%，比Ti，Fe少。在深海中，有许多锰核球。 用途：主要用于合金。,如：12%Mn的Cu合金，电阻稳定，不受温度影响，是很好的电器材料。 含锰13%的Mn、Fe合金，既坚硬又强韧，性能优良。尤其锰钢不被磁化，可用在船舰上防磁的部位。 但是Mn与前面几种金属不同，它没有惰性的保护膜。 Mn+2HCl（稀）=Mn2+H2+2Cl-,二、锰的主要化合物,Mn的价态多： A MnO4-_0.56_MnO42-_2.26_MnO2_0.95_Mn3+_1.51_Mn2+_1.18_M (不稳定) （不稳定） _1.51_ MnO4：重要的氧化剂（pp粉），消毒剂，氧化还原分析试剂。制备反应： MnO2+KOH+O2=K2MnO4+2H2O MnO2+KOH+KClO3=K2MnO4+KCl+H2O 平衡