《高中化学 过渡金属（ⅰ）竞赛课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中化学 过渡金属（ⅰ）竞赛课件（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二十章 过渡金属（）,201 概述 一、什么是过渡金属：不同书本有不同的分法 具有部分充填d或f亚层电子的元素： B8列元素 据此人们常将Cu族也纳入过渡金属元素，因为：Cu2+ d9 Au d8 也有书上把Zn族也归入，因此，过渡元素性质非常丰富，有最高熔点的W，最大硬度的Cr，也有常温液态的Hg，还要延展性最好的Au，导电性最好的Ag等。,按定义，还包括La系元素和Ac系元素。IIIB族的六、七周期一般叫做内过渡元素，常单独讲解。且因为Sc、Y（B族）的性质与La系元素相似，十七个元素一并称作稀土元素。 Ac系元素有锕、钍、镤、铀等15个元素，均为放射性元素；内容自学。 本章过渡（）主要
2、介绍：Ti，V，Cr，Mo，W，Mn ；以及各同族的Zr、Hf、Nb、Ta等,202 Ti副族,Ti Zr Hf 价电子结构 (n-1)d2 ns2 ,最稳定价态是+4 钛的含量（0.63%）在地球中十分丰富。过渡金属中含量仅次于Fe；总数第十位。主要有TiO2，钛铁矿FeTiO3，CaTiO3矿等。但钛的应用较晚。首先它纯度不高时，表现为脆性。最主要是Ti 的冶炼十分困难。在高温下，Ti的反应性强，尤其对氧的结合力强，能从其他的氧化物中抢过氧。比Si、B等更加亲氧。,然而，Ti的性能非常优秀，强度大，比重轻，耐腐蚀。硬度与钢铁差不多，但比重小一半d=4.43g/cm3,稍比Al大，但强度（硬
3、度）是Al的2倍。这对航空业的材料是最好的选择。在宇宙火箭和导弹中，就大量用Ti代替钢。另外，Ti粉可用做燃料，能放出大量热，是火箭的好燃料。所以，Ti被誉为宇宙金属、空间金属。产品中70%用于飞机、火箭、导弹。所以人们是这样描述的：人类对金属的应用，如果把Cu当作第一代，Fe第二代，Al第三代，则，Ti就是超越了前辈的第四代金属。,一、单质性质,常温下，Ti不与无机酸反应，即使是王水也不能溶解。有人做过实验，把一块Ti沉到海底，经5年后取上来观察，一点没有生锈，依旧亮闪闪的。这个用于轮船，潜艇就非常有利。化工机械中某些部件耐酸碱。除此之外，Ti没有磁性。这点对于避免鱼雷攻击非常有效。同时，它
4、的强度大，Ti潜艇可在深达4500m的深海中航行。Ti还可以作为一种形状记忆合金。,A TiF62 1.19 Ti TiO2+ -0.1 Ti3+ -0.37 Ti2+ -1.63 Ti Zr4+_-1.53_Zr Hf4+_-1.70_Hf 从A 来看，Ti的还原性非常强，与Al相近，但为何惰性？ 因为，Ti表面有一层致密的、钝性的氧化物保护膜。但在热条件下：,Ti+HClTiCl3+H2（加热条件下） Ti+HNO3H2TiO3+NO（加热条件下） 与碱不反应，与HF易反应： Ti+6HFTiF62-+2H2+2H+ 高温下，能直接与许多非金属形成很稳定、很硬、很难熔的TiN，TiC，Ti
5、B，TiB2，或与许多金属形成金属间化合物。其中 在18002000下发生反应：Ti+CTiC（黑色）。TiC熔点3100，硬度高，是目前效率最高的切削加工钢材的刀具材料。 r-TiAl，金属间合物，高硬度比，耐高温，抗氧化性，抗形变性，极具潜力的航空材料。,Ti的冶炼,非常困难，因为高温下，Ti非常活泼，能与N2，O2，C等形成非常稳定的化合物。因此，在冶炼时，空气和水是严格禁止接近的，甚至冶金常用的Al2O3坩埚也禁用，因为它可从中夺取氧。今利用Mg与TlCl4在惰气中来提取Ti（显然不能用C还原）： TiCl4（g）+2MgTi（海绵状）+2MgCl2（用Ar做保护剂，在约1070k下反
6、应） 海绵状的Ti，熔铸成钛锭，还得用高技巧的“水冷钢坩埚”电炉制备。 Ti还因其与许多元素结合力强，用于冶炼其他金属，纯化过程可加少量Ti，使它夺O等杂质，浮在面上，形成炉渣。 钢城“攀枝花”，钛铁矿的综合利用,二、钛的重要化合物,1 TiO2 自然界存在，晶体有三种晶型，其中金红石型最重要（四方晶系）。“红宝石”含微量Fe等元素显色。人工制造的TiO2粉，“钛白粉”，化工原料，最白的颜料。白度是ZnS+BaSO4白的5倍，1g可使450cm2涂得雪白。生产钛白： 法一：TiCl4+O2（干燥）TiO2+2Cl2（在约1000K下反应） 法二：FeTiO2+2H2SO4(80%)TiOSO4
7、+ FeSO4+2H2O (约在7080下反应) TiOSO4+2H2O=TiO2H2O+H2SO4（加热） 水解 900煅烧,2 BaTiO3：压电效应材料 TiO2+BaCO3BaTiO3+CO2（熔融状态下） 压电晶体，在超声波中，受压产生电流。电流的强弱可指示超声波的强度。或是通变频 电流，则产生超声波。 应用：超声发生器、置于铁轨下，可测量火车通过时压力、脉搏记录器、煤气炉打火等。,3TiCl4 制备：TiO2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO （800900下反应） （加热条件下反应） 类似反应：Al2O3+3C+3Cl22AlCl3+3CO （亲氧元素） B2O3+3Cl2+3
8、C2BCl3+3CO SiO2+2Cl2+2CSiCl4+2CO TiO2（s）+2Cl2（g）=TiCl4（g）+O2（g） H=149kJmol-10,s=41Jmol-1K-10 高温下，G0, T转=1491000/41= 3634K （3000还不会反应） 但加C后，上述反应，H=72K，s=220（0）（任意温度都可进行） ，仅加C还原不出这些金属，以下不同：,SnO2+2C=Sn+2CO PbO+C=Pb+CO Bi2O3+3C=2Bi+3CO PbO+CO=Pb+CO2 FeO+CO=Fe+CO2 如下是好方法：用COCl2,SOCl2,CHCl3,CCl4等氯化试剂： TiO
9、2+CCl4=TiCl4+CO2(770K) TiCl4为分子晶体，mp250K，bp409K AlCl3在453K就升华了 TiCl4在常温下是液体，有极强的水解性。 TiCl4+2H2O=TiO2+4HCl 应用：军事上，烟雾弹，经久不散 农业上，水解物白烟雾，就如棉被，对植物保暖防冻。,Ti(IV)配位化合物 过渡金属离子易成配合物为特点 在水中，可以H2O为配位体，但不是Ti（H2O）64+，而是TiO(H2O)42+或 Ti(OH)2 (H2O)62+；同时有 ，TiF62-, TiCl62-, Ti(NH3)44+ 特别指出，H2O2 中的过氧离子，易转移到高价过渡金属当配体，并有
10、特殊颜色，作为鉴定或测定方法。如：定性判断Ti的存在 P940 Ti(IV)中，加入H2O2 在强酸中，pH1 红色 在稀酸中，中性 橙黄,定量测定Ti TiO2+_+0.1_Ti3+_-0.37_Ti2+_-1.63_Ti H+TiO2+AlTi3+Al3+H2O (放入Al片) Ti3+还原性略比Sn2+强。Sn4+ 0.15 Sn2+ Fe3+Ti3+=Fe2+Ti(IV) 用SCN-为指示剂 可进行如下反应：Al+3Ti3+=Al3+3Ti2+ 中性时： 2H+e=H2 =0 H+/H2=0+(0.059/2)lg (C2H+)/(PH2/P)=0.059(-7)= 0.41 pH=6
11、 （-6）= 0.35,三、Zr,Hf的化合物,La系收缩，导致Zr、Hf二者相近性质 过渡金属从上到下趋于高价稳定，与主族相反；它们只有4价态。 MO2 MX4 水解性，配合性 ZrF4具有高折射率的无色单斜晶体,K2ZrF6可溶性，热水中溶度较大,ZrSiO4+ K2SiF6 K2ZrF6+ 2SiO2 锆英砂烧结、1盐酸浸泡出，结晶 (NH4)2ZrF6类似，但稍加热可得ZrF4 (NH4)2ZrF6ZrF4+ 2NH3 + 2HF,20-3 钒副族,一、钒族简介 b Ta 0.015% 2.410-3% 2.010-4% 在自然界中较稀散，总是与其他金属混合在一起。比较重要的有：钒酸钾
12、铀矿K(UO2)VO43/2H2O。 二、三过渡元素含量更是几十到百倍地减少； Nb、Ta半径相近，有如孪生姐妹，共生矿：铌(钽)铁矿Fe(Nb.Ta)O22等。分散而不集中。 尼日利亚是世界上Nb最大的供应商。由于电子计算机、手机等行业的迅速发展，Nb、Ta在电子线路中有重要用途，对此开采犹如淘金般的火爆。,V主要用于合金。它渗入钢成钒钢。钒钢与普通钢相比有结构紧密，韧性、弹性与机械强度高的特点。钒钢穿甲弹，能射穿40cm厚的钢板。大量应用于制造汽车、飞机的发动机轴、弹簧及汽缸等。 Nb、Ta同样在合金中有改善金属的重要性能，有钢的“维生素”之称。加入少量，就可以增加延展性、抗磨性、耐冲击性
13、等。同时也能改变化学性能。如：Al在OH-可溶，只需加0.05%Nb，就不在和碱反应。许多合金在低温下，会变得象玻璃一样脆，但加入0.7%的Nb，在-80下，仍保持原来强度。,除此之外，Nb、Ta在电子行业有特殊的功能：电解电容中的重要材料（有它容量可增大5倍）。电子管栅极材料（用它亦可吸收气体，形成真空）。Nb、Sn、Ge合金成为最重要的超导材料（临界温1821K，关键是合金易加工）。 Ta是所有金属中最耐酸蚀的。能抵抗除HF酸外的所有无机酸，包括王水，即使加热也相当稳定。HF腐蚀也较缓慢。,二、V的重要化合物,1、 V2O5 橙红 矿物中提炼： V2O5+2NaCl+0.5O2=2NaVO
14、3+Cl2（煅烧条件） 实验室：（NH4）VO3=V2O5+2NH3+H2O （加热条件） 易溶于碱（显酸性）：V2O5+6OH-=2VO43-+ 3H2O 也溶于浓强酸（显弱碱性）：形成VO2+、VO3+ 较强氧化性：V2O5+HCl=VOCl2+Cl2+H2O,2 钒酸盐 随酸度不同，形式不同(同多酸) ; 强碱 （加酸）强酸 VO43-V2O74-V3O93-V10O286-VO2+ V:O 1：4 1：3.5 1：3 1：2.8 1：2 氧化还原性 A：VO2+_1.0_VO2+_0.36_V3+_-0.26_V2+ _-1.19_V 橙黄 兰 绿 紫 颜色丰富，仙女之称。 VO2+（
15、加足量Zn）由黄兰绿紫,VO2+H2C2O4+2H+2VO2+CO2+H2O VO2+Fe2+2H+VO2+Fe3+H2O VO43-与H2O2显色反应：O22取代O2 中性黄色 强酸性红棕色,V +5常见价态:V2O5 VO2+ VO3- VO43- 钒氧基 偏钒酸根 钒酸根 酸性介质中有较强氧化性,A：VO2+_1.0_VO2+_0.36_V3+ _-0.26_ V2+ 较强氧化性 有氧化性 有较强还原性 与HNO3近 与Cu2+近 弱酸性条件下， 被H+氧化,VO2+Fe2+H+VO2+Fe3+H2O 2VO2+H2C2O4+2H+2VO2+2CO2+2H2O V2O5+HCl（浓） VO2+Cl2,Nb Ta,性质相似的一对 +5价稳定，Nb2O5 、Ta2O5 水合物即为相应酸，多以多酸盐存在，如：M8Nb6O19xH2O NbCl5、TaCl5 易成M2NbF7、 M2TaF7,
