第十五章 d 区元素(一)第一节 过渡元素概述 第二节 钛 第三节 钒 第四节 铬、钼和钨 第五节 锰d 区元素包括 ⅢB~ⅦB 族和 Ⅷ 族元素 (不包括 镧以外的镧系元素和锕以外的锕系元素)d 区元素 的价层电子组态为(n-1)d1~10ns1~2(Pd 为 4s105s0)ds 区元素包括 IB 族和 IIB 族元素ds 区元素 的价层电子组态为 (n-1)d10ns1~2d 区和 ds 区元素位于元素周期表中部，左邻 s 区元素而右邻 p 区元素可以把 d 区和 ds 区看成是 s 区和 p 区间的桥梁和过渡，因此把 d 区元素和 ds 区元素称为过渡元素2) 第二过渡系：包括第五周期的 Y、Zr、Nb、 Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd 十种元素第二过 渡系元素的一般性质如表 15-2 所示3) 第三过渡系:包括第六周期的 La、Hf、Ta、 W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg 十种元素第三过渡 系元素的一般性质如表 15-3 所示习惯上将第一过渡系元素称为轻过渡系元素， 将第二过渡系元素和第三过渡系元素称为重过渡系 元素根据过渡元素所在周期的不同，通常将过渡元 素分为三个过渡系。
1) 第一过渡系：包括第四周期的 Sc、Ti、V、 Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn 十种元素第一过 渡系元素的一般性质如表 15-1 所示表 15-1 第一过渡系元素的一般性质元素价层电层电 子组态组态熔点/℃沸点/℃氧化值值Sc3d14s215412836161─639.5+3Ti3d24s21668328714590664.6+2,+3,+4V3d34s21917342113288656.5+2,+3,+4,+5Cr3d54s11907267912584659.0+2,+3, +6Mn3d54s21244209512480723.8+2,+3,+4,+6,+7Fe3d64s21535286112476765.7+2,+3, +6Co3d74s21494292712574764.9+2,+3Ni3d84s21453288412572742.5+2,+3Cu3d104s11085256212869751.7+1,+2Zn3d104s242090713374912.6+2表 15-2 第二过渡系元素的一般性质元素价层电层电 子组态组态熔点/℃沸点/℃氧 化 值值Y4d1s215523345181606.4+3Zr4d25s218523577160642.6+2,+3,+4Nb4d45s124684860143642.3+2,+3,+4,+5Mo4d55s126224825136691.2+2,+3,+4,+5,+6Tc4d55s221574265136708.2+4,+5,+6,+7Ru4d75s123344150133707.6+3,+4,+5,+6,+7,+8Rh4d85s119633727135733.7+1,+2,+3,+4,+6Pd4d105s015553167138810.5+1,+2,+3,+4Ag4d105s19622164144737.2+1,+2Cd4d105s2321765149874.0+2表 15-3 第三过渡系元素的一般性质元素价层电层电 子组态组态熔点/℃沸点/℃氧化值值Lu5d16s216633402173529.7+3Hf5d26s222274450159660.7+2,+3,+4Ta5d36s229965429143720.3+2,+3,+4,+5W5d46s233875900137739.3+2,+3,+4,+5,+6Re5d56s231805678137754.7+2,+3,+4,+5,+6,+7Os5d66s230455225134804.9+2,+3,+4,+5,+6,+7,+8Ir5d76s224472550136874.7+2,+3,+4,+5,+6Pt5d96s117693824136836.8+2,+4Au5d106s110642856144896.3+1,+3 Hg5d106s2-393571601013.8+1,+2第一节 过渡元素概述一、过渡元素的原子半径 二、过渡元素单质的物理性质 三、过渡元素单质的化学性质 四、过渡元素的氧化值 五、过渡元素离子的颜色 六、过渡元素的生物学效应一、过渡元素的原子半径与同周期的 I A 族和 IIA 族元素相比，过渡 元素的原子半径一般比较小。
过渡元素的原子半 径随原子序数的变化情况如图 15-1 所示同一周期过渡元素的原子半径随着原子序数 的增大而缓慢地减小同一族过渡元素的原子半 径，除部分元素外，从上到下随电子层数的增加 而增大，但是第二过渡系元素的原子半径比第一 过渡系元素的原子半径增大得较少，而第三过渡 系比第二过渡系元素原子半径增大的程度更小， 这主要是由于镧系收缩所导致的结果图 15-1 过渡元素的原子半径二、过渡元素单质的物理性质过渡元素的单质通常是高熔点、高沸点、密度 大、导电性和导热性良好的金属在同一周期元素 中，单质的熔点从左到右一般是先逐渐升高，然后 又缓慢下降产生这种现象的原因是这些金属的原 子间除了主要以金属键结合外，还可能具有部分共 价键原子中未成对的 d 电子数增多，金属键的部 分共价性增强，导致这些金属单质的熔点升高在 同一族中，第二过渡系元素的单质的熔点和沸点大 多高于第一过渡系，而第三过渡系元素的单质的熔 点和沸点又高于第二过渡系 (ⅢB 族除外)，熔点最 高的单质是钨过渡元素单质的硬度也有类似的变 化规律，硬度最大的金属是铬在过渡元素中，单质密度最大的是 Ⅷ 族的锇， 其次是铱、铂、铼。
这些金属的密度都是水的密度 20 倍以上，是典型的重金属图 15-2 过渡元素的熔点三、过渡元素单质的化学性质在化学性质上，第一过渡系元素的单质比第二 过渡元素和第三过渡系元素的单质活泼第一过渡 系元素的金属单质都能与稀盐酸或稀硫酸作用，而 第二过渡系元素和第三过渡系元素的金属单质大多 较难与稀酸发生反应，有些仅能溶于王水和氢氟酸 中，少数甚至不溶于王水过渡元素单质能与活泼非金属单质直接形成化 合物过渡元素与氢元素形成金属型氢化物，又称 过渡型氢化物这类氢化物的特点是组成多不固定 ，通常是非化学计量的，如 VH1.8、TaH0.76 等金 属型氢化物基本上保留着金属的一些物理性质，其 密度小于相应金属有些过渡元素(如 ⅢB~ⅦB 族元素)的单质， 还能与原子半径较小的非金属元素(如 B、C、N) 形成间充化合物这些化合物是由 B、C、N 元素 的原子钻到金属晶格空隙中而形成的，它们的组 成往往是可变的，是非化学计量的，常随 B、C、 N 在金属中溶解的量而改变间充化合物比相应 纯金属的熔点高，硬度大，化学性质不活泼过渡元素的单质由于具有多种优良的物理性 质和化学性质，在冶金工业上用于制造各种合金 钢。
另外，过渡元素的一些单质或化合物在化学 工业上常用作催化剂四、过渡元素的氧化值过渡元素大都可以形成多种氧化值的化合物 一般说来，过渡元素的高氧化值化合物比其低氧化 值化合物的氧化性强过渡元素与非金属元素形成 二元化合物时，只有电负性较大、阴离子较难被氧 化的非金属元素(氧或氟)才能形成高氧化值的二元 化合物；而电负性较小、阴离子较易被氧化的非金 属(如碘、溴、硫等)，则很难与过渡元素形成高氧 化值的二元化合物在过渡元素的高氧化值化合物 中，含氧酸盐比较稳定过渡元素的较低氧化值的简单离子 M2+ 和 M3+ 的氧化性一般都不强 (Co3+、Ni3+、Mn3+ 除外)，都 能与多种酸根离子形成盐五、过渡元素离子的颜色过渡元素的水合离子大多具有颜色，第一过渡元 素水合离子的颜色如表 15-4 所示 表 15-4 第一过渡系金属水合离子的颜色d 电子数水合离子颜色d 电子 数水合离子颜色d0[Sc(H2O)6]3+无色无色d5[Fe(H2O)6]3+浅紫色浅紫色d1[Ti(H2O)6]3+紫色紫色d6[Fe(H2O)6]2+淡淡绿绿绿绿 色色 d2[V(H2O)6]3+绿绿绿绿色色d6[Co(H2O)6]3+蓝蓝蓝蓝色色d3[Cr(H2O)6]3+紫色紫色d7[Co(H2O)6]2+粉粉红红红红 色色 d3[V(H2O)6]2+紫色紫色d8[Ni(H2O)6]2+绿绿绿绿色色d4[Cr(H2O)6]2+蓝蓝蓝蓝色色d9[Cu(H2O)6]2+蓝蓝蓝蓝色色d4[Mn(H2O)6]3+红红红红色色d10[Zn(H2O)6]2+无色无色d5[Mn(H2O)6]2+浅浅红红红红 色色过渡元素的离子与其他配体形成的配位个 体也常具有颜色。
这些配位个体吸收了一部分 可见光后，发生 d-d 跃迁，而其余部分的光透 过溶液人们肉眼看到的就是这部分透过光的 颜色，也就是溶液呈现的颜色具有 d0 和 d10 电子组态的中心原子，在可 见光照下不发生 d-d 跃迁，它们与水分子形成 的配位个体没有颜色某些含氧酸根离子具有颜色，如 、 、等，通常认为它们的颜色是由电荷迁移引起 的上述离子中的金属原子都处于最高氧化值，其 形式电荷分别为 V5+、Cr6+、Mn7+，它们都具有 d0 电子组态V5+、 Cr6+、Mn7+ 都有较强的夺取电子 的能力，这些酸根离子吸收了一部分可见光的能量 后，氧阴离子的电荷会向金属离子迁移伴随着电 荷迁移，这些离子呈现出不同的颜色六、过渡元素的生物学效应目前认为，人体必需微量元素为 14 种而 在这 14 种微量元素中，有 7 种是过渡元素，并 且除 Mo 外都分布在第一过渡系过渡元素在 体内的含量、分布和主要生物功能列于表 15-4 中表 15-4 体内过渡元素的含量、分布及生物功能元素氧化值值体内总总含量主要分布部位主要生物功能钒钒+4,+517~43μg脂肪中 (>90%)促进进脂质质代谢谢，抑制胆固醇合成，促进进牙 齿矿齿矿 化等铬铬+35~10 mg各组织组织 器官 及体液中在糖和脂肪代谢谢中起着重要作用，并具有加 强胰岛岛素功能的作用锰锰+2,+310~20 mg肌肉、肝及其 他组织组织 中参与构成锰锰酶、锰锰激活酶等，对对机体的生长长 发发育、维维持骨结结构、维维持正常代谢谢及维维持 脑脑和免疫系统统正常的生理功能具有重要作用铁铁+2,+3约约 4 200 mg血液中 (>70%)参与构成血红红素蛋白、含铁铁酶及铁铁蛋白等, 向机体各组织细组织细 胞输输送 O2 及贮贮存 O2, 并参 与机体的氧化还还原反应应等钴钴+2,+31.1~1.5 mg肌肉、骨及其 他软组织软组织 中参与构成维维生素 B12 及 B12 辅辅酶, 影响骨髓造 血功能,增强某些酶及甲状腺的活性, 参与蛋 白质质的合成等镍镍+2约约 10 mg肾肾、肺、脑脑 、心脏脏及皮肤 中与血清蛋白、氨基酸形成配位个体, 保护护心 血管系统统,促进进血细细胞生成,并具有降低血糖 的作用等钼钼+4,+5,+6约约 9.3 mg肝、肾肾、脾、 肺、脑脑、肌肉 及体液中构成钼钼酶,参与许许多生理生化反应应体内微量元素作为构成金属蛋白、核酸配合 物、金属酶和辅酶的重要元素及作为许多生物酶 的激活剂，在机体生长发育、生物矿化、细胞功 能调节、物质输送、信息传递、免疫应答、生物 催化、能量转换及各种生理生化反应中起着重要 的作用。
随着现代医学和生命科学在分子、亚分 子水平上研究生命的过程，探索机体生老病死与 生物分子间的有机联系，体内微量元素的生物功 能就越来越受到科学家们的重视，并已成为当今 世界科学界瞩目的崭新的领域 微量元素在机体不同的组织和体液中严格地 保持着一定的浓度，缺乏或过量都会对机体产生 不良的影响人们还认识到，由这些元素参与构 成的活性配合物在生命活动中起着开关、调节、 控制、传递、放大等作用，并且它们参与的生理 。