第3—12族——d区,以及你曾经触摸过的大多数金属

过渡金属

铁、铜、金、银、钛、铬、镍、锌。d区的38种元素坚硬、密度大、熔点高且具有导电性,并且独特地能够形成多种不同电荷的离子。这种灵活性使它们能够催化反应、产生颜色并表现出磁性。

成员
38
3–12
电子构型
(n−1)d¹⁻¹⁰ ns¹⁻²
放射性
10

在元素周期表中突出显示

每个成员

38个过渡金属

21 Sc 44.956 u 一种接近稀土金属的金属,能让铝合金强韧得多,但价格使它始终显得稀有。 固态 22 Ti 47.867 u 强度与钢相当,重量轻45%,且不受海水影响——用于植入物、喷气式飞机和深海潜水器的金属。 固态 23 V 50.942 u 一种过渡金属,会根据其氧化态在溶液中呈现四种不同颜色。 固态 24 Cr 51.996 u 让铬闪耀,也让不锈钢拥有“不锈”特性的元素。 固态 25 Mn 54.938 u 微量时不可或缺,大量时却很脆,也是你的钢材不会在寒冷中碎裂的原因。 固态 26 Fe 55.845 u 按质量计地球上最常见的元素,恒星聚变的终点,也是为一个时代命名的金属。 固态 27 Co 58.933 u 中世纪彩色玻璃和明代瓷器中的蓝色,也是固定硬盘的磁体中有一半所含的元素。 固态 28 Ni 58.693 u 坚韧、耐腐蚀且具有磁性——也是不锈钢中含量第二高的成分。 固态 29 Cu 63.546 u 人类冶炼出的第一种金属,至今仍是电气化世界的神经系统。 固态 30 Zn 65.38 u 牺牲性金属:锌发生腐蚀,从而保护它所覆盖的钢材。 固态 39 Y 88.906 u 一种实际上并不稀有的“稀土”元素,也是手机屏幕发出恰当色彩的原因。 固态 40 Zr 91.224 u 它几乎能让中子完全通过,因此几乎所有核反应堆的燃料棒都用它包覆。 固态 41 Nb 92.906 u 一种超导金属,为地球上每一台MRI磁体传导电流。 固态 42 Mo 95.95 u 耐火材料中的主力:钼在几乎所有其他物质变软的温度下仍能保持强度。 固态 43 Tc 98 u 第一种由人类制造而非发现的元素,也是完全没有稳定同位素的最轻元素。 放射性 人造 固态 44 Ru 101.07 u 一种铂族金属,能使相邻金属变硬,并催化氨的合成。 固态 45 Rh 102.906 u 按重量计地球上最昂贵的贵金属,也是你的汽车尾气不会有毒的原因。 固态 46 Pd 106.42 u 这种金属像海绵一样吸收氢,最多可达到自身 900 倍的体积。 固态 47 Ag 107.868 u 所有元素中导电和导热性能最好的元素,也是自古以来就为人所知的抗菌剂。 固态 48 Cd 112.414 u 一种柔软、有毒的金属,为世界带来了可充电的NiCd电池和旧式油漆鲜艳的黄色。 固态 72 Hf 178.49 u 化学性质几乎与锆相同,但在反应堆中却恰恰相反——它会吞噬中子。 固态 73 Ta 180.948 u 一种几乎能抵抗所有酸的金属,其生物相容性足以用于外科植入物。 固态 74 W 183.84 u 所有金属中熔点最高——3,422 °C——也是白炽灯时代的灯丝材料。 固态 75 Re 186.207 u 地壳中最稀有的元素之一,也是让喷气发动机涡轮能够在更高温度下运行的金属。 固态 76 Os 190.23 u 天然存在的密度最大的元素:一升锇重22.6 kg。 固态 77 Ir 192.217 u 已知耐腐蚀性最强的金属,也是终结恐龙的那颗小行星留下的指纹。 固态 78 Pt 195.084 u 催化剂金属:铂能让原本需要不可能条件的反应发生。 固态 79 Au 196.967 u 化学性质几乎完全惰性、延展性无穷,并受到每个曾发现它的文明珍视。 固态 80 Hg 200.592 u 唯一在室温下呈液态的金属,也是强效神经毒素。 液态 104 Rf 𬬻 267 u 第一种超锕系元素——在化学性质上是铪的更重同族元素,根本不是锕系元素。 放射性 人造 固态 105 Db 𬭊 268 u 以俄罗斯小镇Dubna命名,超重元素化学的大量先驱研究在那里开展。 放射性 人造 固态 106 Sg 𬭳 271 u 以Glenn Seaborg命名,当时他仍然在世——这在元素周期表中尚属首次。 放射性 人造 固态 107 Bh 𬭛 272 u 一种超重元素,其化学性质经过逐个原子测试,表现符合族7元素的预测。 放射性 人造 固态 108 Hs 𬭶 270 u 化学性质得到实验证实的最重元素。 放射性 人造 固态 109 Mt 276 u 以Lise Meitner命名,她解释了核裂变,却未获诺贝尔奖。 放射性 人造 固态 110 Ds 𫟼 281 u 1994年在Darmstadt通过融合镍核和铅核制得。 放射性 人造 固态 111 Rg 𬬭 280 u 以X射线的发现者命名,预计其化学性质类似于金。 放射性 人造 固态 112 Cn 285 u 预计为易挥发的液态——一种行为几乎像稀有气体的金属。 放射性 人造 液态

定义它们的特征

构成过渡金属的三件事

01

未填满的d亚层

定义性特征。由于d轨道与外层s轨道的能量相近,过渡金属可以失去数量不定的电子——铁可失去两个或三个,锰则可失去两个到七个。每种电荷态都是不同的化学性质。

02

颜色源于d轨道分裂

用配体包围过渡金属离子时,它的五个d轨道会分裂成能量略有不同的几组。可见光促使电子跨越这一能级差,而你看到的颜色就是剩余的光。这就是硫酸铜呈蓝色、红宝石呈红色,以及同一种元素能够产生多种不同颜色的原因。

03

催化和磁性

未填满的d层电子壳层是极佳的临时成键伙伴——这是工业催化的基础,从铁催化的氨合成到铂催化的汽车尾气净化器都是如此。同样的未成对d电子赋予铁、钴和镍铁磁性。

周期性趋势

它们在家族中的变化方式

沿着一行,原子半径变化非常小——增加的质子将电子向内拉,而增加的d电子向外屏蔽,二者大致相互抵消。每一行中部的密度和熔点达到峰值,因为那里可用于金属键的电子数最多:钨的熔点为3,695 K,是所有金属中最高的。

现实世界中的应用

它们的用途

钢铁——遥遥领先、使用量最大的金属,也是工业世界的结构基础。

电线、管道,以及你拥有的每台设备中的印刷电路。导电性仅次于银,却便宜得多。

航空航天、船舶硬件和医疗植入物:强度与钢相当,重量轻45%,并且实际上不受海水和体液侵蚀。

铬和镍

它们共同制成不锈钢。铬形成一层看不见且能自我修复的氧化物保护层;镍则增加韧性和耐腐蚀性。

铂族

催化。铂、钯和铑可净化车辆尾气;铑有时是地球上最昂贵的金属。

金和银

货币、珠宝,以及——由于金永不腐蚀——高可靠性电子设备中的触点镀层。

处理

安全

差异极大。铁、锌、铜、钴、锰、钼和铬(III)是人体必需的微量营养元素;铬(VI)是强致癌物。镉和汞会累积中毒。镍是世界上最常见的接触性过敏原。许多过渡金属的细金属粉末具有自燃性。

值得了解

  • 锝(43)是第一个被制造出来而非被发现的元素,也是最轻的、没有稳定同位素的元素。
  • 汞是唯一一种在室温下呈液态的金属——这是相对论效应作用于其6s电子的结果。
  • 人类迄今开采的全部黄金,都能装进一个边长约22米的立方体。

常见问题

关于过渡金属

什么使一种元素成为过渡金属?

严格的IUPAC定义是:其原子的d亚层部分填充,或能够形成具有部分填充d亚层的阳离子的元素。这在技术上排除了锌、镉和汞,因为它们的d层始终是满的——但它们位于d区,教学中几乎总是与该族一起讲授。本网站遵循通常的惯例,将它们包括在内。

为什么过渡金属会形成有色化合物?

因为周围的配体会将它们的d轨道分裂成能量略有不同的轨道,而能量差恰好与可见光光子的能量相匹配。电子吸收光子后跃迁跨越能隙;你看到的是互补色。锌化合物恰恰因为锌的d层已充满、没有可供跃迁的能隙,所以是无色的。

为什么它们的密度比第1族和第2族金属大得多?

每个原子可用于金属键合的电子更多——最多可达十几个——因此原子之间的吸引紧密得多。同样强的键合也赋予它们较高的熔点和硬度。位于第6行中部的锇,是目前密度最大的元素,密度为22.6 g/cm³。