普通化學/各種元素的化學/過渡金屬

過渡金屬

過渡金屬位於元素週期表的中間。對過渡金屬有兩個定義

1. 所有d區元素（3-12族）
2. 具有部分填充d軌道的元素，或可以形成具有部分填充d軌道的陽離子的元素

第一個定義更為普遍，在日常使用中更為常見，但第二個定義強調了過渡金屬的獨特性質，是IUPAC（國際純粹與應用化學聯合會）使用的定義。第二個定義通常被認為不包括Zn、Cd和Hg，因為這些元素具有d¹⁰電子構型（d軌道完全填充，而不是部分填充）。然而，最近報道的具有d⁸構型的氟化汞(IV)化合物使這種排除變得可疑，使考慮Hg（以及可能還有Zn和Cd）為過渡金屬變得合理。

過渡金屬的行為與其他金屬不同，因為它們具有部分填充的d軌道。向過渡金屬新增電子不會影響其價層，因為電子進入d軌道（它不是價層的一部分）。所有過渡金屬都具有一個或兩個價電子。

電子和氧化

過渡金屬很有趣，因為它們可以具有多種氧化態，不像大多數其他金屬。這是因為過渡金屬在形成離子時，除了s電子之外還可以失去d電子。

實心圓點表示常見的氧化態，空心圓點表示可能但不太可能的態。

記住，當電子軌道充滿或半滿（或空）時，它最穩定。研究過渡金屬的電子構型顯示出一個有趣的模式

Sc	[Ar]4s23d1
Ti	[Ar]4s23d2
V	[Ar]4s23d3
Cr	[Ar]4s13d5
Mn	[Ar]4s23d5
Fe	[Ar]4s23d6
Co	[Ar]4s23d7
Ni	[Ar]4s23d8
Cu	[Ar]4s13d10
Zn	[Ar]4s23d10

為了更加穩定，鉻和銅中的一個s電子“躍遷”到d軌道。這也會發生在較重的過渡金屬中，例如鉬、鎢和鉑。對於週期5、6和7中的較重過渡金屬，相對論的影響導致軌道能級的變化。在這些元素中，s電子比預期更容易“躍遷”到d層，遵循充滿/半滿規則。

當過渡金屬離子形成時，它們首先失去s電子，然後如果進一步電離，它們會失去d電子。例如，銅可以形成兩種不同的離子，鈦可以形成三種

Cu	[Ar]4s13d10
Cu+	[Ar]4s03d10
Cu2+	[Ar]4s03d9
Ti	[Ar]4s23d2
Ti2+	[Ar]4s03d2
Ti3+	[Ar]4s03d1
Ti4+	[Ar]4s03d0

顏色

過渡金屬及其氧化物在溶解時會形成有色化合物。1族和2族金屬溶解時是透明的，沉澱時是白色的。其他金屬，如鉛，溶解時是透明的，沉澱時可能會有顏色（鉛沉澱物是黃色的）。另一方面，過渡金屬溶解時是有色的。不同的金屬以其特定的顏色而聞名，被用作墨水或油漆。

從左到右：硝酸鈷(II)（紅色）；重鉻酸鉀（橙色）；鉻酸鉀（黃色）；氯化鎳(II)（綠色）；硫酸銅(II)（藍色）；高錳酸鉀（紫色）。

族

貨幣金屬

"貨幣金屬"是銅、銀、金和釒羅。這些元素的用途遠不止硬幣，除了這些元素之外，還有許多其他元素被製成硬幣。此外，釒羅是一種放射性元素，半衰期為3.6秒，使其無法用於商業應用。因此，"貨幣金屬"更恰當地稱為11族（IB）元素。

銅、銀和金，儘管相對稀有（銅）、稀有（銀）或極其稀有（金），但它們是最早為人所知且最熟悉的元素之一。它們是柔軟、光亮、緻密的金屬，耐腐蝕，並且是良好的導電體。釒羅是一種最近發現的合成元素，壽命很短，因此其物理和化學性質尚未得到很好的定義。

銅因其電氣特性、常見性（與銀和金相比）以及黃銅和青銅合金的吸引力而成為這些元素中使用最廣泛的元素。在鋁成為常見金屬之前，銅在金屬產量中僅次於鐵。

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  銅管
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  最光亮的銀
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  金

它們很容易識別，因為銅（紅色）和金（黃色）是人們可能遇到的兩種有色金屬。銀是金屬中最光亮的，通常與銅或金一起發現，形成鮮明的對比。它們通常以遊離態存在。

由於柔軟，它們很容易被敲擊成硬幣，而且它們相對稀有和具有吸引力，再加上它們耐腐蝕，使它們成為財富的緊湊儲存器。它們太軟而沒有結構價值，但銅合金與鋅和錫等元素形成更硬的黃銅和青銅。黃銅和青銅是早期金屬工具中必不可少的；沒有它們，我們所知的文明將是不可能的。金和銀由於其吸引力和耐氧化性，已被大量用於珠寶和其他裝飾作品。金雖然非常昂貴，但它非常具有延展性，以至於少量金可以以適中的成本被錘成極薄的箔，使它可以被用作一些建築物表面的覆蓋層；少量金可以走很遠。

銅在鹵化物和氧化物中難以氧化至+1價，在硫酸銅 CuSO₄ 等鹽中氧化至+2價。可溶性銅化合物很容易透過其獨特的藍綠色來識別。銀在硝酸銀 AgNO₃ 和硫化銀 Ag₂S 等物質中氧化至+1價，後者是銀的典型變黑。金極難氧化至+1價和+3價。

這些元素是弱（銅）到極弱（金）的還原劑，它們的化合物是非常好的氧化劑。銅離子氧化大多數金屬

${\hbox{Cu}}_{(aq)}^{2+}+{\hbox{Fe}}_{(s)}\to {\hbox{Cu}}_{(s)}+{\hbox{Fe}}_{(aq)}^{2+}$

與銀或金的反應更強。實際上，這些金屬鹽的溶液可以鍍在大多數其他金屬上。

銀是電導率最高的金屬，其次是銅，然後是金。這使得銅成為電線的首選材料。金尖電線用於需要電氣精度的場合（如高品質音訊），因為金不會變色（銅的變色導電性要低得多）。

鋅族

鋅族是第12族 (IIB)，包括鋅、鎘、汞和鎶。

鋅、鎘和汞是金屬，其熔點對於金屬來說很低。這是因為它們具有特別穩定的電子構型。汞在形成金屬鍵方面非常差，以至於它在室溫下是液體。

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  一枚鋅幣
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  鎘塊
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  一灘汞

鋅和鎘是軟金屬，很容易氧化成+2價態。這兩種金屬都沒有以遊離態出現在自然界中。鋅被大量用於與銅的合金中，以製造一種更硬的金屬，稱為黃銅；作為鐵的塗層（該過程稱為“鍍鋅”），它氧化形成一層保護性的氧化鋅 (ZnO) 層，保護鐵不被氧化，也稱為生鏽。氧化鋅比氧化鉛安全得多，通常用於白漆。自1982年以來，鋅一直是美國分幣使用的主要金屬。現在它被用於新的風琴管。

鎘形成兩種物質，鎘黃（硫化鎘，CdS）和鎘紅（硒化鎘，CdSe），它們出現在油漆中。這些顏料具有強烈的顏色，許多印象派時期的大藝術家在他們的繪畫中喜愛這些顏色。但這些物質劇毒，使用它們的畫家經常英年早逝，並且殘疾。現代畫家通常使用不含這兩種有毒化學物質的不同顏料。

相反，汞在室溫下是閃亮的液體，並且很難氧化。它導電性良好。由於它是液體，它是一種不尋常的金屬——但它是一種金屬。它已被用於溫度計（但自被認定為危險毒物後就不那麼常用了），因為它會隨著熱量膨脹，以及在開關中，它可以流入封閉的空間以閉合電路。汞在氯化汞 (HgCl₂) 中氧化至+2價；在一些奇怪的化合物中，兩個汞原子共享一個電子，並提供它們“剩餘”的電子來形成+1價態的物質，如氯化亞汞 (Hg₂Cl₂)。

鋅是生物體必需的微量元素；它具有一定的殺菌作用，並且大量存在時有毒。鋅分幣切勿吞食。鎘、汞及其化合物是劇毒物質。儘管汞具有吸引力並且具有非凡的特性，但應謹慎使用，並且只能由瞭解其危害的工人使用。

2010年命名的第112號人工元素鎶，其性質可能屬於該族的一部分，但它極難產生，而且太不穩定，無法確定其化學性質。迄今為止，這種元素只製備了很少的原子。

第8、9和10族的元素分為兩個不同的組：第一行過渡金屬中的常見元素鐵、鈷和鎳以及第二行和第三行中的鉑族金屬，以及更稀少的兩個下行過渡元素中的鉑族金屬。

鐵、鈷和鎳

這些元素是相當好的還原劑——好到它們很少以遊離態出現在自然界中。鐵是其中最常見的元素。它是宇宙中最常見的元素之一，也是在恆星中透過正常核聚變形成的最重的金屬（但只有最大的恆星）。當恆星開始在其核心產生鐵時，這顆恆星註定將在很短的時間內發生劇烈的爆炸，摧毀恆星並散佈其物質，包括它在核聚變中形成的所有元素。

遊離鐵、鈷和鎳——特別是鐵——可以在隕石中找到，隕石是撞擊地球的固體物體。鐵是過渡元素中最常見的，也是最有用的元素之一。很難計算出鐵的所有用途，鐵是幾乎所有機器中使用最多的金屬（無論是純金屬還是合金）。巨大的“玻璃盒子”摩天大樓依賴於其混凝土“骨架”內的鐵棒，以賦予它們強度和穩定性。鐵路的軌道是長長的鐵棒。混凝土公路和飛機跑道有鐵筋，以賦予它們承受重型車輛的強度。車輛本身主要由鐵和一種更硬的材料製成，稱為鋼，它是鐵、碳和通常不含鐵的金屬的合金。

鐵是最便宜的結構金屬。透過被稱為鐵匠的工匠的一些技巧，它可以被加工成許多有用的物品，如馬蹄鐵、釘子、犁、鏈條、桶、梯子和許多工具。在鑄造廠，鐵和鋼以更大的數量被塑造成傢俱和飛機、船舶、機動車和電器部件等物品。

鐵作為結構材料有一個缺陷：它容易生鏽。在有水（特別是鹽水）的情況下，它會腐蝕成氧化物

Fe_(s) + 1/2 O_2(g) → FeO_(s) 2 Fe_(s) + 3/2 O_2(g) → Fe₂O_3(s)

以及一種稱為赤鐵礦的混合氧化物

2 Fe_(s) + 3/2 O_2(g) → Fe₂O_3(s)

是鐵最常見的礦石之一。氧化鐵呈弱鹼性，因此鐵能抵抗鹼的侵蝕；酸會侵蝕它。例如，

Fe _(s) + H₂SO_4(l) → Fe²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq) + H_2(g)

即使是相對較弱的酸，如磷酸，也可以侵蝕氧化鐵。這就是“海軍果凍”反應，它可以去除鐵鏽

FeO_(s) + H₃PO_4(l) → Fe²⁺_(aq) + HPO_4(aq)^-2 + H₂O_(l)

人類的一大進步，即鐵器時代的開始，始於人們發現可以透過用碳（通常是木炭）燃燒來從氧氣中分離鐵，碳可以將氧化鐵還原成鐵

Fe₃O_4(s) + 4 C_(s) → 3 Fe_(s) + 4 CO_(g)

現有的許多經濟活動都依賴於鐵礦石的開採、鐵礦石的還原、鐵的強化成鋼、鐵和鋼製品的製造以及保護鐵免受腐蝕的各種做法。

這項活動雖然重要，但我們的生活不可能沒有一種叫做血紅蛋白的重要鐵化合物，血紅蛋白透過血流將氧氣輸送到細胞，細胞可以使用氧氣從透過血流輸送到細胞的食物中釋放能量。

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  兩座懸索橋
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  一把舊的鐵犁
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  紅細胞含有血紅蛋白
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  一塊電磁鐵正在吸引廢鐵

地球本身有一個由主要由鐵和鎳組成的熱而緻密的核心。在地球核心的特徵溫度下，鐵和鎳形成了一個巨大的天然磁鐵，產生了一個磁場，該磁場延伸到地球本身之外進入大氣層。該磁場驅散了大量危險的輻射，如果這些輻射到達地球表面，將殺死地球表面的生命。

鈷和鎳都比鐵稀少得多，並且在商業上沒有鐵那樣廣泛使用，儘管它們有專門的用途。

鉑族

鉑族金屬包括釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑。這些元素位於第 8/9/10 族 (IIIB) 的最後兩行。

與這些元素在第 8、9 和 10 族中的較輕同類元素不同，它們耐腐蝕和變色。它們用作許多化學反應的催化劑，加速反應而不會被反應消耗。

鈀、鋨和其他鉑族金屬在粉末狀時會吸收氫氣。

銠用於催化轉化器 - 汽車內部的金屬結構。催化轉化器將氮氧化物（有毒汙染物）轉化為元素氮和氧氣（兩者都是可呼吸空氣的組成部分）

$2{\hbox{NO}}_{x}\to x{\hbox{O}}_{2}+{\hbox{N}}_{2}$

如果沒有銠作為催化劑，該反應就不會發生。