Chapter 19 过渡元素（江I) the transition elements (II) 3B 4B 5B 6B 7B 8B 11B 12B 3 品 得 25 26 27 28 29 30 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn [Ar]4s23d [Ar)4s23d3 [Ar)4s13d5 [Ar4s23d5 scandium vanadium chromium [A4'3d1 A4s23d10 44.96 47.88 50.94 52.00 54.94 55.85 58.93 58.69 68 59 翌 0 41 2 44 45 46 47 8 Zr Nb Mo Ru Rh Pd Cd a Kr)5s4d7 K4d10 K]5s24d10 cadmium 91.22 92.91 95.94 (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 57 5 76 77 78 9 0 La* Hf W Re Os Ir Pt Au Hg Xej6s24f14sd Xe6s24r145 a6524f145 Xe)6sar14sd henium ej6s24r15d 1389 178.5 180g 183.9 186.2 190.2 190.2 195.1 2003 89 104 105 106 107 108 109 110 11T 112 Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Uuu Uub [Rn] Rn]7s25746d 2m75tt6d 20 (271D (272) (277
Chapter 19 过渡元素(II) the transition elements (II)
第VIlIB族元素包括九种元素 1.ferrous metals:Iron(Ferrum),Cobalt,Nickel 2.Platinium metals: Ruthenium,Rhodium,Palladium Osmium,Iridium,Platinum 铂系元素又被称为稀有元素，它们与金，银一起又称为贵金属 (noble metals) 8B 26 Fe 0 i 4s23 A523d 55.85 58.93 44 5 6 Ru Rh Pd Valence electron configuration: 5s'4d 101.1 106.4 (n-1)dxns2(x=6、7、8) 78 64f145 例外：Ru4d75s,Rh4d85s1, 990.2 190.2 195.1 108 109 10 Pd 4d105s0,Pt 5d96s! Mt Ds 725f14 m7g
第 VIIIB族元素包括九种元素 1. ferrous metals： Iron (Ferrum), Cobalt, Nickel 2. Platinium metals: Ruthenium, Rhodium, Palladium Osmium, Iridium, Platinum 铂系元素又被称为稀有元素，它们与金，银一起又称为贵金属 （noble metals） Valence electron configuration: (n 1)dxns2 (x = 6、7、8) 例外：Ru 4d75s1 ， Rh 4d85s1 ， Pd 4d105s0 ，Pt 5d96s1 2
S19.1铁系元素(the ferrous elements) 包括：Ferrum Cobalt Nickel 8B 2 27 一、General properties Fe Ni 1.Electron configuration and radius: 【A4s23d6 [A74s23d7 A4s238 iron cobalt nickel 55.85 58.93 58.69 价电子构型 重要氧化态 3d64s2 140 Fe +2,+3,(+6) 120 Co 3d4s2 +2,+3,(+5) 100 Ni 3d84s +2,+3,(+4) 80 ◆最高氧化态〈族序数。 60 40 .·3d轨道上电子数>5，不易 20 形成高氧化态 0 2.Oxidation states: 共价半径 -M(1I)的半径 过渡元素(II)的最高氧化数除了OS,Ru形成+8氧化态外，其它各 元素的最高氧化态都小于8，这说明过渡元素（工I)的d轨道上的电子 只能部分参与成键。 Fe、Co、Ni的低氧化态(0、-1、-2)等出现在金属羰基配合物中， 如Fe(CO)5、Fe(CO)}、Co(CO)4、[Ni,(O)6]2 3
§19.1 铁系元素（the ferrous elements） 一、General properties 包括：Ferrum Cobalt Nickel 价电子构型 重要氧化态 Fe 3d6 4s2 +2,+3, (+6) Co 3d7 4s2 +2,+3,(+5) Ni 3d8 4s2 +2,+3,(+4) 最高氧化态 < 族序数。 ∵ 3d 轨道上电子数＞5，不易 形成高氧化态 2. Oxidation states: ¾ 过渡元素（II）的最高氧化数除了Os, Ru形成+8氧化态外，其它各 元素的最高氧化态都小于8，这说明过渡元素 (II)的d轨道上的电子 只能部分参与成键。 ¾ Fe、Co、Ni的低氧化态（0、-1、-2）等出现在金属羰基配合物中， 如 1. Electron configuration and radius: 3
Fe >Fe约占地壳质量的5.1%，居元素分布序列中的第四位（仅次于0， Si,Al)。铁矿有：赤铁矿Fe2O3,磁铁矿Fe304,褐铁矿 2Fe203·3H,0,菱铁矿FeC03,黄铁矿FeS2 >人类对铁的发现相当早，可能与Cu相当。由于需要较高温，治炼 有困难，利用铁要比铜晚的多。最早用的铁，可能来自于陨石铁， 其含铁量较高，可达90%。 >Fe的应用：有生铁（含C1.74.5%),熟铁（铁也是生物体必需元素之一。如血红蛋白和肌红蛋白
¾ Fe约占地壳质量的5.1%，居元素分布序列中的第四位(仅次于O, Si, Al) 。 铁矿有：赤铁矿 Fe2O3， 磁铁矿 Fe3O4， 褐铁矿 2Fe2O3 ·3H2O，菱铁矿FeCO3，黄铁矿FeS2。 ¾ 人类对铁的发现相当早，可能与Cu相当。由于需要较高温，冶炼 有困难，利用铁要比铜晚的多。最早用的铁，可能来自于陨石铁， 其含铁量较高，可达90％。 ¾ Fe的应用：有生铁（含C 1.7~4.5%）,熟铁（<0.1%）,钢（含C量 介于生铁和熟铁之间, 0.1~1.7% ）。 ¾ 铁也是生物体必需元素之一。如血红蛋白和肌红蛋白。 Fe 4
Co > C0,Ni含量相对少的多，约为10一3~10-2%，其中C0含量比Cu还 少2.2倍，它们常共生，辉钴矿CoAsS,镍黄铁矿NiS·FeS. >Co:较大量的用于合金，最重要的一种钴合金：Co掺Cr,W,Fe, N,Mo中的数种，成硬度不受温度影响的合金。可制作刀具，如 手术刀含C055%,W25%,Cr15%,Mo5%。可以在火中消毒， 1000℃仍保持硬度。 >Co60原子量58.9。其中60，Co具有放射性，穿透力特强，接近Ra的 60倍。用于治疗恶性肿瘤，不伤害有机体。 >钴是人体内微量元素，维生素B12的成分，它影响核酸和蛋白质 的合成，促进红细胞发育和成熟。 >羊饲料中如果缺少钴，将会引起严重的脱毛症，只要每昼夜加1 毫克，便可治好。 >有人发现青光眼急性发作时，血中钴含量减少，采用“钴食”疗 法，能使患者的眼压很快恢复正常
¾ Co，Ni含量相对少的多，约为10－3～10－2％，其中Co含量比Cu还 少2.2倍，它们常共生，辉钴矿CoAsS，镍黄铁矿NiS·FeS. ¾ Co：较大量的用于合金，最重要的一种钴合金：Co掺Cr，W，Fe， Ni，Mo中的数种，成硬度不受温度影响的合金。可制作刀具，如 手术刀含Co55％，W25％，Cr15%，Mo5％。可以在火中消毒， 1000℃仍保持硬度。 ¾ Co60原子量58.9。其中60 27Co具有放射性，穿透力特强，接近Ra的 60倍。用于治疗恶性肿瘤，不伤害有机体。 ¾ 钴是人体内微量元素，维生素B12的成分，它影响核酸和蛋白质 的合成，促进红细胞发育和成熟。 ¾ 羊饲料中如果缺少钴，将会引起严重的脱毛症，只要每昼夜加1 毫克，便可治好。 ¾ 有人发现青光眼急性发作时，血中钴含量减少，采用“钴食”疗 法，能使患者的眼压很快恢复正常。 Co 5
Ni >Ni最大用途也是作合金。钢中加Ni,增强机械强度，抗拉强度。 航空材料中的改进经常以N基合金作为对比。它也是不锈钢的成 分之一。抗腐蚀抗酸性，电镀上常用。 >除此之外，Ni合金还有功能性的作用。Ni一Ti记忆合金，在转变 温度之上（较硬）把它加工成形，这是它的“永久记忆形状”， 转变温度之下（较软）可以任意冷加工变形，但温度上升至转变 温度之上，就恢复“永久记忆”的形状。 >36%的镍钢，体积不随温度变化，这在精密仪器中非常重要。 46%的Ni一Fe,膨胀系数也小，与Pt,玻璃相似，称“类铂”。 6
Ni ¾ Ni最大用途也是作合金。钢中加Ni，增强机械强度，抗拉强度。 航空材料中的改进经常以Ni基合金作为对比。它也是不锈钢的成 分之一。抗腐蚀抗酸性，电镀上常用。 ¾ 除此之外，Ni合金还有功能性的作用。Ni－Ti记忆合金，在转变 温度之上（较硬）把它加工成形，这是它的“永久记忆形状” ， 转变温度之下（较软）可以任意冷加工变形，但温度上升至转变 温度之上，就恢复“永久记忆”的形状。 ¾ 36％的镍钢，体积不随温度变化，这在精密仪器中非常重要。 46％的Ni－Fe，膨胀系数也小，与Pt，玻璃相似，称“类铂” 。 6
lustrous metallic with a grayish tinge 二、The simple substances Fe 1.Physical properties: >铁系元素的熔沸点随原子序数的 增加而降低，这可能是因为3d轨道 hard lustrous gray metal 中成单电子数依次减少使金属键减 Co 弱的缘故 >它们都具有金属光泽，都是铁磁 性物质（ferromagnetism) 。 >密度随原子序数的增大而增大， lustrous,metallic.and silver with a gold tinge 这是由于原子半径随原子序数的增 Ni 大而变小的缘故
二、The simple substances 1. Physical properties: ¾ 铁系元素的熔沸点随原子序数的 增加而降低，这可能是因为3d轨道 中成单电子数依次减少使金属键减 弱的缘故. ¾ 它们都具有金属光泽，都是铁磁 性物质（ferromagnetism）. ¾ 密度随原子序数的增大而增大， 这是由于原子半径随原子序数的增 大而变小的缘故. Fe Co Ni 7
2.Chemical properties: (1) Fe Co Ni EM2+/M0(V) -0.44-0.28 -0.25 E0M3+/M2+)V 0.77 1.82 1.68 (Ni0,/Ni2+) '.Fe、Co、Ni是中等活泼金属，且金属性Fe>Co>Ni 在通常条件下，无水存在时，与非金属反应不显著，但在 高温下，与非金属反应激烈： 2 FeO Fe+ CL FeCl3 S(s) FeS C(s) Fe,C Co、Ni表层有致密氧化膜保护，R.T.对空气和水均稳定
2.Chemical properties: (1) ∴Fe、Co、Ni是中等活泼金属，且金属性 Fe > Co > Ni 在通常条件下，无水存在时，与非金属反应不显著，但在 高温下，与非金属反应激烈： Co、Ni 表层有致密氧化膜保护，R.T. 对空气和水均稳定。 8
(2)Reaction with acids >从非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）中置换出H2: M+2H+=++H,↑C0、Ni(反应缓慢) 作用程度：Fe>Co>Ni >R.T.与浓酸“钝化” 单质浓H,SO4 稀硝酸 浓HNO3 浓碱溶液 Fe 钝化* 作用 钝化* 缓慢反应H,+Fe(OHD2 L→Fe(OH田3 Co 钝化 作用 钝化* Ni 钝化 作用 钝化* ※可用铁罐贮存浓H,SO4、浓HNO3。 (3)Reaction with bases 浓碱缓慢腐蚀Fe;Co,Ni在浓碱中比较稳定 ※“熔碱试验”用镍坩埚，不用铁坩埚、陶瓷（硅酸盐)坩埚、 石英（SO,)坩埚，P坩埚。（钴硬而脆，延伸性较差） 9
¾ 从非氧化性酸（盐酸、稀硫酸） 中置换出H2： M + 2H+ = M2+ + H2↑ Co 、Ni (反应缓慢) 作用程度： Fe > Co > Ni ¾ R.T .与浓酸“钝化” 单质 浓H2SO4 稀硝酸 浓HNO3 浓碱溶液 Fe 钝化* 作用 钝化* 缓慢反应 H2+ Fe(OH)2 └→Fe(OH)3 Co 钝化 作用 钝化* Ni 钝化 作用 钝化* ※ 可用铁罐贮存浓H2SO4、浓HNO3。 (2)Reaction with acids (3)Reaction with bases 浓碱缓慢腐蚀Fe； Co，Ni在浓碱中比较稳定 ※“熔碱试验”用镍坩埚，不用铁坩埚、陶瓷（硅酸盐）坩埚、 石英（SiO2） 坩埚，Pt坩埚。(钴硬而脆，延伸性较差) 9
3.铁和钢的冶炼 Ore, Metallurgy of Iron and Steel limestone. coke Waste Fe,O(s+3CO(g)→2Fe()+3C02(g〉 gases 500@ 900C 1200C 11 Hot air 1700C 53g Slag Molten out iron out Molten iron 10
3. 铁和钢的冶炼 10