第13章 金属元素

VA( 3) HNO2 H3PO3 H3AsO3 Sb(OH)3 Bi(OH) 3
酸
性
增
从强
下，
到 上
碱 性
减
弱
HClO HClO 2 HClO 3 HClO 4
高氧化态的氧化物和水合物酸性增强
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6
§13－2 p区重要金属单质与化合物
一、铝的重要化合物
α-Al2O3 刚玉
Al2O3
γ-Al2O3 活性氧化铝
性 增 强
La(OH)3 Hf(OH)4 Ta(OH)5 H2WO4 HReO4
强碱性 两性 微碱 两性 弱酸性 弱酸性
Ac(OH)3 强碱
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25
d区元素离子的颜色
第一过渡系金属水合离子的颜色
d电子数
d0 d1 d2 d3 d3 d4 d4
水合离子
[Sc(H2O)6]3+ [Ti(H2O)6]3+ [V(H2O)6]3+ [Cr(H2O)6]3+ [V(H2O)6]2+ [Cr(H2O)6]2+ [Mn(H2O)6]3+
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价层电子构型
(n-1)d1-10ns1-2
过渡元素的原子结构共同特点：
电子依次填充在(n-1)d轨道上，而外层只有 1~2个电子，易失去，所以它们都是金属元素。
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镧系收缩使它后面的各对过渡元素性 质相似，分离困难。
ⅢB Y3+ 89.3 La3+ 101.6
ⅣB Zr4+ 80 Hf4+ 79
ⅤB Nb5+ 70 Ta5+ 69
ⅥB Mo6+
62 W6+ 62
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单质的物理性质
除ⅡB外，过渡元素的单质都是高熔 点、高沸点、密度大，导电性及导热性良 好的金属。
• 熔点最高的单质： 钨 W • 硬度最大的单质： 铬 Cr • 密度最大的单质： 锇 Os • 导电性最好的单质：银 Ag
铬
韧性好
铁
不锈钢
机械强度好
耐腐蚀性
镍
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铬酸根与重铬酸根的转化
溶液中CrO42-和Cr2O72-存在下列平衡：
2CrO42-+2H+
黄色
Cr2O72-+H2O
橙红色
K =1014
加酸，平衡右移
加碱，平衡左移
pH<2， Cr2O72-为主 pH>8， CrO42-为主
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第十三章 金属元素简介
§13－1 碱金属和碱土金属 §13－2 p区重要金属单质与化合物 §13－3 过渡元素 §13－4 铜族、锌族元素 §13－5 稀土金属
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1
§13－1 碱金属和碱土金属
碱金属和碱土金属元素形成化合物的成键特征
IA IIA Li Be Na Mg K Ca Rb Sr Cs Ba
该反应用于鉴定Sn2+、Hg2+
Байду номын сангаас
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SnCl2能把Fe(III)盐还原为Fe(II)盐，把
单质碘还原为 I- 。
2Fe3+＋Sn2+
2Fe2+＋Sn4+
I2＋Sn2+
2I-＋Sn4+
SnCl2的溶液可被空气中的O2氧化，加入金属锡
可以防止氧化。
2Sn2+ ＋O2＋ 4H+
2H2O＋2Sn4+
大多数元素形成离 子型化合物
Li+、Be2+、Mg2+主 要形成共价型化合物
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2
两族元素形成的化合物在性质上的异同
相
差
似
异
性
性
• 主要是离子型的化合物； • IA族元素的碱
•氧化物水合物一般是强碱； 和盐大多是易
• 碱和盐多是强电解质；
溶于水的；
• 同强酸形成的盐基本不水 • 而IIA元素的碱
锗、锡、铅 ＋ 碱
可溶性盐
氧化物
＋水
锗、锡、铅 氢氧化物
难溶于水
锗、锡、铅 氢氧化物
组成不定的氧化 物的水合物：
xMO2 ·yH2O xMO ·yH2O 两性氧化物
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弱酸
酸性增强
氧
化酸
性性
增 强
增 强
Ge(OH)4(棕色) Sn(OH)4(白色) Pb(OH)4(棕色)
Ge(OH)2(白色) Sn(OH)2(白色) Pb(OH)2(白色)
水合离子 的颜色
无色溶液 紫色 绿色 紫色 紫色 蓝色 红色
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第一过渡系金属水合离子的颜色（续前表）
d电子数
d5 d5 d6 d6 d7 d8 d9 d10
水合离子
[Mn(H2O)6]2+ [Fe(H2O)6]3+ [Fe(H2O)6]2+ [Co(H2O)6]3+ [Co(H2O)6]2+ [Ni(H2O)6]2+ [Cu(H2O)6]2+ [Zn(H2O)6]2+
用途
铬是人 体必需 的微量 元素之
一。
是胰岛 素不可 缺少的 辅助成
分。
参与糖 的代谢 过程， 促进脂 肪和蛋 白质的 合成。
对于人 体的生 长发育 起着促 进作用
糖尿病人的头发和血液中的含铬量比正常人低
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铬的光泽度好，抗腐蚀性强，用来 镀在其它金属的表面，外表美观，防锈， 经久耐用。
4 第一 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
5 第二 Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
6 第三 La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg
7 第四 Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub
Ⅷ族元素的水平相关性 > 垂直相关性 铁系元素：Fe Co Ni 铂系元素：Ru Rh Pd, Os Ir Pt
化合物
MO2型氧化物
共价型、两性偏酸 性的化合物
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锗、锡、铅的氧化物的酸碱性及氧化还原性
氧 化酸 性性 增增 强强
酸性增强
GeO2（白色） SnO2（白色）
GeO（黑色） SnO（黑色）
还 碱原 性性 增增 强强
PbO2（棕黑色） PbO（黄红色）
碱性增强
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氢氧化物
[Al(H2O)6]3+ △ Al(OH)3＋3H2O＋3H+
加入碳酸盐或硫化物会促使铝盐完全水解。
2Al3+＋3CO32-＋3H2O
2Al(OH)3＋3CO2
2Al3+＋3S2-＋3H2O
2Al(OH)3＋3H2S
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二、锗、锡、铅及其重要化合物
锗、锡、铅 ＋O2
MO型氧化物
离子型、两 性偏碱性的
Sn4+＋Sn
2Sn2+
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氯化亚锡在水中易水解生成白色的碱式盐沉淀。
SnCl2＋H2O 如何配制SnCl2溶液?
Sn(OH)Cl(s)＋HCl
SnCl2 ＋
浓盐酸
（少量）
加水稀释
加锡粒
SnCl2溶液
配制氯化亚锡溶液时必须加酸防止水解, 加锡防止氧化。
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铅的化合物
原 子 能 工 业 离 不 开 铅
还
碱原
性性
增 强
增 强
碱性增强
两性
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氯化亚锡 SnCl2
氯化亚锡能把汞盐还原为白色的亚汞盐。 Sn2+＋2HgCl2＋4Cl- [SnCl6]2-＋Hg2Cl2(s)
若SnCl2过量，亚汞盐会被进一步还原 为黑色的金属汞。 Sn2+＋Hg2Cl2＋4Cl- SnCl62-＋2Hg (l)
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元素最高氧化态氧化物的水合物酸碱性
IIIB
IVB
VB
VIB VIIB
Sc(OH)3 Ti(OH)4 HVO3 H2CrO4 HMnO4
碱 弱碱性 两性
两性 强酸性 强酸性 酸
性 增 强
Y(OH)3 Zr(OH)4 Nb(OH)5 H2MoO4 HTcO4 中强碱 两性 微碱 两性 弱酸性 酸性
水合离子 的颜色 淡红色 淡紫色 淡绿色 蓝色 粉红色 绿色 蓝色 无色
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过渡元素形成配合物的倾向
过渡元素具有能量相近的空价电子轨 道。
d轨道部分的填充电子，吸引配体能 力强，导致有很强的形成配合物的倾向。
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➢物理性质
抗腐蚀性
密度小
（4.54g/cm3)
强度大 (与钢相似)
RbOH 强碱 Sr(OH)2 强碱
CsOH
强碱 Ba(OH)2 强碱
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4
拓展三个规律
I. 同周期（如第三周期） ：
NaOH Mg(OH)2 Al(OH)3 H2SiO3 H3PO4 H2SO4 HClO4
从左到右，酸性增强，碱性减弱
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5
II. 同族（如VA） ：
III. 同一元素不同氧化态 （如氯元素） :
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铅是放射线 的防护材料， X-射线、γ-射 线不能穿透 它
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铅
肠胃 人体 血液
吸收
人体组织
血液 骨骼
慢性中毒
疲倦 食欲不 振 体重减轻
严重
呕吐 腹泻并 出现神经错乱
因急性脑 病而死亡
铅的 污染
汽油中的
铅
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铅成为大 气污染的 罪魁祸首
消耗一加 仑汽油就 有0.53克铅 进入水体
PbCl2＋2H2O
Pb(OH)2＋NaOH Na[Pb(OH)3]
Pb(OH)2加热脱水，温度高可得红色PbO， 温度低可得黄色的PbO。
△
Pb(OH)2
PbO＋H2O
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§13－3 过渡元素
过渡系
副族 周
ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB
Ⅷ
ⅠB ⅡB
期 过渡系 钪 钛 钒 铬 锰 铁系、铂系 铜 锌
熔沸点高 硬度大 不溶于酸、碱、水
硬度不大 可作催化剂载体 可溶于酸、碱
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Al3+＋3OH-
（可溶于酸） ＋3H+ Al3+＋3H2O
Al(OH)3
＋OH- [Al(OH)4]（可溶于碱）
Al(OH)3不溶于氨水中，它与NH3不生成配合物。
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促进水解的方法：
加热会促进Al3+水解而产生一部分Al(OH)3 沉淀。
4OH- EB = +0.401V
Fe2++2OH-
Fe(OH)2 (s,白色)
(或氨水)
立即
4Fe(OH)2 +O2+2H2O 4Fe(OH)3(s,红棕色)
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{ Co2++2OH-
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酸性介质中，Fe2+、Co2+、Ni2+最稳定； 高氧化态的Fe(Ⅵ)、Co(Ⅲ)、Ni(Ⅳ)是很强的氧化剂； 还原性： Fe2+ > Co2+ > Ni2+ 氧化性： Fe3+ < Co3+ < Ni3+
例如： O2 + 4H+ + 4e
2H2O EA = +1.229V
4Fe2+ + O2 + 4H+
钒的化合物大多都是有毒的，吸入人体 会使人得肺水肿病，使用时要特别小心。
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价层电子构型及氧化态
(n-1)d5ns1 W：5d4ns2
元素
Cr Mo W
稳定氧化态 +3, +6, +2 +6 +6
• 族氧化态：最高的氧化态 +6 • 低氧化态：铬易表现出低氧化态+3
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熔点高 (1933K)
被称为宇宙金属
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二氧化钛 (Titanium Dioxide)
制备
FeTiO3+2H2SO4 TiOSO4+FeSO4+2H2O
TiOSO4+2H2O H2TiO3(s)+H2SO4
H2TiO3 TiO2+H2O
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二价钒盐呈紫色 三价钒盐呈绿色 四价钒盐呈浅蓝色 五氧化二钒呈红色
解。
和盐一般有较
低的溶解度。
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3
氢氧化物 (Hydroxide)
碱性递变规律
（1）现象
M2O H2O 2MOH MO H2O M(OH) 2
氢氧化物的碱性
LiOH 中强碱 Be(OH)2 两性
碱
NaOH
强碱 Mg(OH)2 中强碱
性 增
KOH
强碱 Ca(OH)2 强碱
强
4Fe3+ + 2H2O
而不能把Co2+、Ni2+氧化成Co3+、Ni3+。
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碱性介质中，铁的最稳定氧化态是+3，而钴 和镍仍是+2； 还原性：Fe(OH)2 > Co(OH)2 > Ni(OH)2； 氧化性：Fe(OH)3 < Co(OH)3 <Ni(OH)3。
例如：
O2 + 2H2O + 4e
空气 水源 食物都有 铅的污染
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铅
黄色的 PbO
的 氧
棕色的 PbO2
化 物
橙色的 Pb2O3
红色的 Pb3O4
PbO2 600K Pb2O3 700K Pb3O4 800K PbO
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氢氧化物
Pb(OH)2具有两性，溶于酸生成铅盐，溶 于碱生成亚铅酸盐。
Pb(OH)2＋2HCl
锰是人体不可缺少的元素。
畸形生长 畸形生殖 脑惊厥
常饮茶能供应人体 必需的锰量的1/3还多
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锰的各种氧化物
氧化数 氧化物名称
分子式 酸碱性
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅵ
Ⅶ
氧化锰
三氧化二 锰
二氧化锰
锰酸酐
高锰酸 酐
MnO 碱性
Mn2O3 弱碱性
MnO2 两性
MnO3 Mn2O7 酸性 酸性
氧化物水合物 Mn(OH)2 Mn(OH)3 Mn(OH)4 H2MnO4 HMnO4
氧化性增强
碱性增强
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元素符号
Fe
Co
Ni
常见氧化态 +2, +3, +6 +2, +3 +2
一般条件下，铁常见的氧化态是＋2、 ＋3，与强氧化剂作用，铁可以生成不稳定 的+6氧化态；
钴和镍常见的氧化态都是＋2，与强氧 化剂作用，钴可以生成不稳定的+3氧化态， 而镍的+3氧化态则少见。