化学竞赛元素部分——d区

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K sp (Ag 2 CrO 4 ) 1.110 12
pH>6:CrO42-为主
K sp (Ag 2Cr2 O 7 ) 2.0 10 7
2 4Ag Cr2 O 7 H 2O 2Ag 2CrO 4 (s, 砖红) 2H 2 2Ba 2 Cr2 O 7 H 2O 2BaCrO 4 (s, 柠檬黄) 2H 2 2Pb 2 Cr2 O 7 H 2O 2PbCrO 4 (s, 黄) 2H
Na2Cr2O7 + KCl = K2Cr2O7 + NaCl (重铬酸钾的溶解度随温度变化显著) 性质 有毒
H2Cr2O4酸性强:K1=4.1,K2=10-5,不易形成多酸
有强氧化性--测定铁、洗液、与乙醇反应(检验是否酒后驾车) H2O2与重铬酸盐反应(用乙醚萃取)生成蓝色的CrO5,可以鉴定Cr(VI):
制备海绵钛反应器示意图 10
MgCl2,电弧熔化铸锭
问题:为什么在由 TiO2 制备TiCl4 时,反应中要加入 C 而不能直接由 TiO2 和 Cl2 反应来制取?
反应 TiO2 (s) +2Cl2 (g) = TiCl4(l) + O2 (g) 在298K时的△rGq =
151 kJ· mol-1,因其为熵减反应, △Sq = - 38. 3 kJ· mol-1,因
9
钛的制备
5. 碳氯法
TiO2 + 2 C +2 Cl2
800~900 ℃
TiCl4 + 2 CO
TICl4
TiCl4 在 950℃ 真空分馏纯化
Ar
6. 熔融的镁还原TiCl4可得海棉钛
TiCl4 + 2 Mg
800 ℃ Ar
海绵钛
Ti + 2 MgCl2
Mg(l) MgCl2(l)
1000℃下真空蒸馏除去 Mg、
性质 强氧化性 不稳定
CrO3 + H2CrO4
<30℃
2 Cr2(SO4)3 + 3 O2 + 6 H2O
>470℃ CrO3 → Cr3O8 →
Cr2O5 → CrO2 → Cr2O3
酸性氧化物
CrO3 + 2H2O → H2CrO4
33
Cr(III)化合物
铬绿 ( Cr2O3 )
Δ 2Cr2O3 制备: 4Cr 3O 2 Δ (NH 4 ) 2 Cr2O7 Cr2O3 N 2 4H 2O
BaCO 3 (s) TiO 2 (s) BaTiO 3 (s) CO2 (g) Ba 2 Ti (IV) 共沉 草酸盐 煅烧 高纯BaTiO 3
Zr,Hf
高温
分离
钾和铵的氟锆酸盐和氟铪酸盐在溶解度上有明显的差别,
可利用此性质来分离 Zr 和 Hf 。
12
钛的化合物
TiO2
△ C,Cl2 浓H2SO4 H2O Mg
H2TiCl6 深黄色
HCl H2
TiCl4
TiO2•xH2O 白色
TiOSO4 NaTiO3
浓NaOH


TiCl4
TiCl3 紫色
Ti
TiCl4:易水解(可做烟雾弹) TiCl4 + H2O = TiOCl2 + 2HCl TiCl4 + 3H2O = H2TiO3 + 4HCl
有多种优异性质
密度: 4.54g·cm-3,比钢轻 43% 强度大:合金抗拉强度达180
kg·mm-2,适应温度宽
耐腐蚀 (不怕酸、碱、海水)
用途广泛:飞机;潜艇材料, 可增加深度 80% 达 4500 m 以 下; Ni-Ti记忆合金;亲生物金属,可做人造关节等。
5
F22
6
单质的反应
室温下呈惰性,不与无机酸反应,但能溶于热的浓HCl以及含
F-的酸中
2Ti + 6HCl === 2TiCl3 + 3H2↑ Ti + 6HF === 2TiF62- + 2H+ + 2H2↑ ( HF+HCl 或 H2SO4,锆和铪也能发生此配位反应。 ) Ti在高温能与氢化合形成非整比化合物 TiH1.7~2.0、还可以与
V3+
VO2+
V10O286-
VO43-
20

V2O5:为两性偏酸性的氧化物,是一种重要的催化剂。
深红色,有毒。微溶于水,0.07g/100gH2O。
2NH4VO3 = V2O5 + 2NH3 + H2O V2O5 + Ca = V + CaO V2O5 + H2SO4 = (VO2)2SO4 V2O5 + NaOH = Na3VO4 + 3H2O
d区
d Block
主要内容
1 2
d 区元素通性及存在形式 第一过渡系元素的单质及化合物性质
2
ห้องสมุดไป่ตู้
通性
过渡金属原子半径小,s、d电子均参与形成金属键,金属键 较强。(与主族元素相比密度较大、硬度较高,熔沸点高)
第一过渡系原子半径从左到右依次减小,到Cu、Zn增大;
第一过渡系密度左到右依次增大,到Cu、Zn减小; 从上到下原子半径增大(增大幅度小于主族元素); 第二、第三过渡系元素半径相近,第三过渡系元素密度非常 大;
273K以下使 FeSO4· 7H2O 结晶析出。
3. 加热煮沸 Ti(SO4)2 和TiOSO4溶液,使之水解 Ti(SO4)2 + H2O === TiOSO4 + H2SO4 TiOSO4 + H2O === H2TiO3↓+ H2SO4 4. 分离煅烧 H2TiO3 === TiO2 + H2O
2 Na2Cr2O7 + 3 C == 2 Cr2O3 + 2 Na2CO3 + CO2
Na2Cr2O7 + 2 NH4Cl == 2NaCl + Cr2O3 + N2
15
钛的反应
16

由于化合物鲜艳多彩,因而命名为 钒。主要矿物有绿硫钒矿VS2或V2S5, 钒铅矿Pb5[VO4]3Cl等。
17

Nb和Ta因性质相似,在自然界中共生,矿物为 Fe[(Nb,Ta)O3]2 如果Nb的含量多就称铌铁矿,反之为钽铁矿。
电子构型为 (n-1)d3ns2 价态有+V、+IV、+III、+II,V、Nb、
应速度很快,能将硝基化合物还原为胺:
RNO2 + 4Ti3+ + 2H2O =
RNH2 + 4TiO2+ + 2H+ ClO4- + 8Ti3+ + 8H+ = 8Ti4+ + Cl- + 4H2O TiCl3 与 CuCl2 的反应产物是什么?
14
钛酸钡
BaTiO3
压电陶瓷材料
钙钛矿(CaTiO3)型晶体结构。
氧化还原性
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铬的氧化还原性
从电极电势上看,Cr为活泼金属,但其表面常形成氧化膜而
有很好的耐腐蚀性,常温下甚至不溶于 HNO3 和王水。无保 护膜的铬较活泼: Cr + 2HCl(稀) == CrCl2(蓝) + H2↑ 4CrCl2(蓝色) + 4HCl + O2(空气) === 4CrCl3(绿色) + 2H2O
(n-1)d轨道电子参与成键。
3
通性
与主族元素相比,过渡金属元素的电离能随着离子电荷的增 加不出现突变,只是逐渐增大, (n-1)d电子与ns电子间能量
接近,因此可呈现多种氧化态;
第三过渡系元素的电离能比前两过渡系大
4
钛 (titanium)
含量较丰富的元素
元素 wt % Ti 0.42 Cl C Mn 0.14 0.087 0.085
Na2CrO4 (s) Fe2O3(s)
H2O 浸取
Na2CO3(s)
Na2CrO4(aq)
酸 ②化 H2SO4
Cr
Al
Fe(CrO2)2(s) Cr2O3


Na2CO3(s)
Na2Cr2O7 (aq)
27
铬的性质及用途
灰白色, 熔沸点高,是硬度最高的金属 用途 不锈钢的铬含量在12%~14% 金属陶瓷(含77%的Cr, 23%的Al2O3) 电镀层
Mo,W
Mo只溶于浓硝酸及王水,W只溶于HF和硝酸的混酸。W的熔 点是金属中最高的。
29
Cr(VI)化合物
Cr(VI)半径很小,电荷较高,溶液中必须CrO42-、Cr2O72-等形式存在。
制备 FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 = 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2↑(酸化得到Na2Cr2O7)
卤素、氧、硫等反应,与碳、氮、硼形成间隙化合物TiC、
TiN、TiB。
7
钛的应用:记忆合金
原形
放入热水后
再放入冷水
8
钛的制备
工业上常用 FeTiO3 为原料来制金属钛
1. 矿石中含有 FeO、Fe2O3 杂质,先用浓硫酸处理 FeTiO3 + 3H2SO4 === FeSO4 + Ti(SO4)2 + 3H2O FeTiO3 + 2H2SO4 === FeSO4 + TiOSO4 + 2H2O 2. 加入单质铁把 Fe3+ 离子还原为 Fe2+ ,然后溶液冷却至
VO2+ + Fe2+ + H+ = VO2+ + Fe3+ + H2O
2VO2+ + C2O42- + 4H+ = 2VO2+ + 2CO2 + 2H2O V2O5也是一种比较强的氧化剂: V2O5 + 6HCl = 2VOCl2 + Cl2 + H2O
21
钒酸盐与多钒酸
随pH与总浓度变化 钒酸(盐)的存在形式
Ta以+V价最稳定,V的+IV价也较稳定。
它们的单质呈钝态、都溶于硝酸和氢氟酸的混合酸中,钽
不溶于王水。
18

pH=0
pH=14
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V(+V)具有较大的电荷半径比,所以在水溶液中不存在简单的 V5+离子,而是以钒氧基(VO2+、VO3+)或钒酸根(VO3-,VO43-) 等形式存在。同样,氧化态为+IV的钒在水溶液中以VO2+离子 形式存在。 颜色:V2+紫色, V3+绿色, VO2+蓝色,VO2+淡黄色, VO43-无色, V5O143-红棕色, V10O286-橙红色
22
钒的鉴定
在钒酸盐中加入H2O2,当
溶液为弱碱、中性、弱酸 当溶液为强酸性时,生成 红棕色过钒氧离子
性,生成黄色二过氧钒酸
离子
二者存在平衡:[VO2(O2)2]3- + 6H+ = [V(O2)]3+ + H2O2 + 2H2O
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钒的反应
24
铬 (chromium)
主要矿物为铬铁矿 (FeCr2O4)
Cr2O72- + 4H2O2 + 2H+ + 2Et2O= 2[CrO(O2)2Et2O] + 5H2O
30
Cr(VI)化合物
Cr2O72- 与 CrO42- 间的转化
2 pH值的影响 2CrO 2 2H 2HCrO Cr O 4 4 2 7 H 2O 黄 橙
pH<2:Cr2O72-为主 溶解度的影响
此升温对于反应无益,如果把反应: C(s) + O2 (g) = CO2 (g) 耦合到上述反应中,可得: TiO2 (s) + 2C (s) +2Cl2 (g) = TiCl4 (l) + CO2 (g) △ rGq = - 243 kJ· mol-1
11
△rGq = - 394 kJ· mol-1
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问题:为什么不论是酸性还是碱性介质,溶液中加入 Ag+ 、 Pb2+ 、 Ba2+ 等重金属离子得到的总是铬酸盐沉淀而不是重铬酸盐沉淀?
这类阳离子铬酸盐有较小的溶解度(除了铵盐、碱 金属、镁盐以外其他的铬酸盐均难溶)。
32
Cr(VI)化合物
CrO3
Na2Cr2O7· 2 H2O + 2 H2SO4 2 CrO3 + 2 NaHSO4 + 3 H2O 红色针状晶体
钛的化合物
– 0.86
TiO2+
0.1
Ti3+
– 0.37
Ti2+
– 1.63
Ti
TiO2
金红石的结构
不溶于水及稀酸,可溶于HF和浓硫酸中。新制的二氧化钛为
淡黄色,冷却后呈白色。且可缓慢溶解于强酸或强碱,但煅
烧处理后则难溶。 TiO2 + 6HF === H2[TiF6] + 2H2O Ti4+ 容易水解得到 TiO2+ 离子——钛酰离子。
铬铅矿 磷铬铅矿
Cr、Mo的价电子构型为(n-1)d5ns1,W的价电子构型为
5d46s2,它们中的6个电子都可以参加成键。按Cr、Mo、W
的顺序最高氧化态的稳定性增强,低氧化态的稳定性减弱。
25
钼钨
白钨矿 钨铁矿
辉钼矿
黑钨矿
26
铬 (chromium)
制备方法
Fe(CrO2)2(s)
1000 ~ 1300 ℃ 空气 ①
在浓 HCl 中生成 H2[TiCl6]
Ti(IV)的检验:TiO2+ + H2O2 = [TiO(H2O2)]2+
13
Ti(III)
用锌处理四氯化钛的盐酸溶液,可得紫色的三氯化钛TiCl3 , 溶液中加入乙醚,并通入氯化氢,醚层则呈绿色。
Ti(III)是一个很强的还原剂,Eq = 0.10V,比Sn2+强,还原反
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