过渡元素的性质及其应用-无机与分析化学

过渡元素的性质及其应用

过度元素小组

2004年04月

i

摘要

过度元素是化学走棋表中元素最多的一部分鉴于人员有限和个人兴趣我们主要介绍了钛、锰、铂、铁四种元素。首先我们从总体上对化学元素进行了一些介绍，即为第一章；第二章是钛，元素钛（Ti）是一种过渡金属，从20世纪40年代以后，钛及其化合物被广泛应用于制造、催化以及石油化工等领域。本文将就其重要性质、工业制取及应用作出阐述；第三章是锰，主要介绍了二氧化锰的吸附性；第四章对铁的化合物进行了较为系统的介绍。而第五章主要介绍了铂的化学性质和铂在催化，只要等方面的应用。第二章是本报告的重点。

目录

第一章过度元素简介与性质 1

第二章钛金属的性质和应用 2

第三章锰的性质及应用 6

第四章铁及其化合物的应用 7

第五章铂的性质及应用 9

第六章附言 10

词汇表

词汇。

过渡元素

外过渡元素(d-过渡元素)

内过渡元素(f-过渡元素)

钛的性质、制取、应用、钛粉的应用

氨冷凝器

复合半导体

零点电荷

螯和作用

第一章、过渡元素简介与性质

一、简介

（1）过渡元素是位于周期表中央的金属元素(接于碱土族之后)，不象一般的典型金属元素(A族元素)，同一行有相似的化学性质，其化学性质相差很大。

（2）过渡元素分为两类

外过渡元素(d-过渡元素)：最后一个电子填入d轨道；

内过渡元素(f-过渡元素)：最后一个电子填入f 轨道。

1.2 性质

过渡元素均为金属元素，具有金属光泽，并为电、热的良导体。

（1）除ⅡB族的锌、镉、汞因ns及(n-1)d价轨道已完全填满，阳离子电荷密度小，故金属键较弱导致熔点、沸点，汽化热低外，其余的过渡元素均为高熔点、高沸点及高汽化热。

（2）具有多种氧化态，可形成各种化合物，如锰具+2、+3、+4、+6及+7氧化数：钴具有+2，+3氧化数；铁具+2，+3氧化数等。

化合物中的过渡元素大都具有未填满电子的d轨道及未成对电子

具有颜色

二、过渡元素的性质

1. 过渡元素：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等

价电子组态：3d1-104s2(Cu、Cr例外)

Cr→3d54s1

Cu→3d104s1

2. 原子量随原子序增大而增大(例外：Co>Ni)

3. 地壳存量：以铁最丰富；铜之活性较小，可以游离态存在

4. 原子半径及离子半径由Sc至Ni大致随原子序增大而减小，但变化不大

5. 游离能不高，相近

IE1最大：Zn；IE2最大：Cu；IE3最大：Zn

而IE1、IE2及IE3最小者均为Sc。

6. 除锌外，熔点、沸点、汽化热均高。

7. 密度：除锌外，大致随原子序数的增加而增大。

8. 标准还原电位大致随原子序数的增加而增大

除Cu外，其余皆为负值

9. 氧化数：随原子序的增加而先增后减

Sc(+3)、Ti(+4)、V(+5)、Cr(+6)、Mn(+7)、Fe(+3)、Co(+2)、Ni(+4)、Cu(2+)、Zn(+2)

第一列过渡元素在高氧化态时均非以其阳离子的水合离子存在(即无V5+(aq)、Cr6+(aq)、Mn7+(aq))，而以共价性的含氧离子存在，如VO2+、CrO42-及MnO4-，最大氧化数不超过最外层3d与4s轨道的价电子总数

1

2

10

三、过度元素用途

1. 由于过渡金属大多都有很高的熔沸点，使得很多过渡金属单质及其化合物在耐火，耐高温材料中应用广泛，如锆，铪及其氧化物都被广泛地应用于耐火砖，耐火管及陶瓷等耐高温的材料中；

2. 过渡金属中许多如钛，钒，锆，铪等因自身优良的耐腐蚀性能而被大量用于耐腐蚀的仪器设备的制备；

3. 钒，钛，铁，锰，铂等金属元素的许多化合物都可以作为催化剂，催化大量的无机，有机反应。

第二章、钛金属的性质和应用

一、钛的性质：

钛呈银白色，外观似不锈钢，粉末钛呈灰色，钛的熔点高密度小（比钢轻43%），属轻金属，或列为难熔金属。纯钛具有塑性，易机械加工，纯度越高，塑性越大，但强度越低。钛的主要物理常数有：原子序数22，原子量47.90，原子的电子分布［Ar ］3d 24s 2，第一电离能I 1=661KJ·mol -1，熔点1668±4℃，沸点3260±20℃，密度25℃时，α-钛4.506g·cm -3 ；900℃时，β-钛4.400g·cm -3

钛位于元素周期表中的IVB 族。

钛原子的价层电子构型为3d 24s 2，它的d 电子可以部分或全部作为价电子出现，因此，钛可形成氧化态为+4，+3，+2的化合物。钛作为过渡元素，由于原子及离子半径较小、离子电荷较多，且具有成键能力较强的(n - 1)d 空轨道，所以钛能形成大量的配合物和有机钛化合物，此外钛与部分过渡元素一样，还能形成不太稳定的低氧化态（+1，0，-1等）的配合物。

钛有两种同素异形体：α-钛属密集六方晶系，为低温（< 882.5℃）稳定态；β-

钛属体心立方晶系，为高温稳定态。

3

常温下钛的化学活性很小，仅能于氟氢氟酸等几种物质起作用。但在较高温度下，钛可与多种单质和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生不同反应可分为四类： 第一类：钛与卤素和氧族元素形成离子化合物

常温下即可与氟反应，150C 时反应激烈进行：

Ti+2F 2=TiF 4

加热条件下，钛与氯碘可发生如下反应：

Ti+2Cl2=TiCl4 >350C

Ti+2I2=TiI4 >400C

第二类：钛与过渡元素氢铍硼族碳族及氮族元素形有限固溶体和金属间化合物 钛与氧气的反应，取决于钛的形态和温度条件。钛粉或海绵钛的活性表面较大，常温下在空气中摩擦或撞击便可着火燃烧：

Ti+O2=TiO2

2Ti+1.5O2=Ti2O3 致密钛表面能形成一层致密氧化膜，以防止代进一步被氧化。但超过700C 表层氧化膜便

失去保护作用，氧化反应加剧，纯氧中钛在500-600C 时就开始燃烧。

钛与氮气在常温下不反应，高于800C 时在氮气中燃烧（氮也能被钛吸收形成Ti-N 固溶体）： 2Ti+N2=2TiN >800C

钛在空气中主要是吸氧，钛的良好吸气性使它可用作吸气剂。钛和氢气除了可反应生成

TiH,、TiH 2外还能形成Ti-H 固溶体，且可逆

钛与碳在高温下反应生成碳化钛：

Ti+C=TiC 1800~4200C 碳化钛熔点3140C ，硬度大，可用于生产硬质合金，也能形成Ti-C 固溶体。

第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；

第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基本上不发生反应。

二、钛的制取

钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。原因在于：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。

工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应：

FeTiO 3+3H 2SO 4 == Ti(SO 4)2+FeSO 4+3H 2O

FeTiO 3+2H 2SO 4 == TiOSO 4+FeSO 4+2H 2O

FeO+H 2SO 4 == FeSO 4+H 2O

Fe 2O 3+3H 2SO 4 == Fe 2(SO 4)3+3H 2O

为了除去杂质Fe 2(SO 4)3，加入铁屑，Fe 3+还原为Fe 2+，然后将溶液冷却至273K 以下，使得FeSO 4·7H 2O （绿矾）作为副产品结晶析出。Ti(SO 4)2和TiOSO 4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：

Ti(SO 4)2+H 2O == TiOSO 4+H 2SO 4

TiOSO 4+2H 2O == H 2TiO 3+H 2SO 4

锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：

H 2TiO 3 == TiO 2+H 2O

工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将TiO 2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至1000～1100K ，进行氯化处理，并使生成的TiCl 4，蒸气冷凝。

TiO 2＋2C ＋2Cl 2＝TiCl 4＋2CO

在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl 4可得多孔的海绵钛：

TiCl 4＋2Mg ＝2MgCl 2＋Ti

这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材