铁系元素的价电子构型为课件

元素周期表元素周期表 VIII 族族中的中的 9 种种元素，按其性质分为两个系元素，按其性质分为两个系Ru Rh Pd Os Ir Pt铂系元素铂系元素Fe Co Ni铁系元素铁系元素22.1 铁系元素铁系元素铁铁 Fe 赤铁矿赤铁矿 Fe2O3 磁铁矿磁铁矿 Fe3O4 菱铁矿菱铁矿 FeCO3 褐铁矿褐铁矿 2Fe2O33H2O 铁在地壳中的质量分数为铁在地壳中的质量分数为 4.1%列第列第 4 位。位。黄铁矿黄铁矿 FeS2 由于含硫量高，不适合炼铁，由于含硫量高，不适合炼铁，是制造是制造 H2SO4 的重要原料。的重要原料。钴在地壳中的质量分数钴在地壳中的质量分数为为 2.0 103%钴钴 Co 砷钴矿砷钴矿 CoAs2 辉钴矿辉钴矿 CoAsS 硫钴矿硫钴矿 Co3S4 1735 年，瑞典人布兰特年，瑞典人布兰特 Brandt 在斯德哥尔摩用木在斯德哥尔摩用木炭还原砷辉钴矿制得金属钴。炭还原砷辉钴矿制得金属钴。（）镍在地壳中的质量分数镍在地壳中的质量分数 为为 8.0 103%镍镍 Ni 硅镁镍矿硅镁镍矿 Ni，Mg 6 Si4O10 OH 2 镍黄铁矿镍黄铁矿 Ni，Fe 9 S8（）（）（）红砷镍矿红砷镍矿 NiAs 1751 年，瑞典人克朗斯塔特年，瑞典人克朗斯塔特（Cronstedt）在斯德哥尔摩用木炭）在斯德哥尔摩用木炭还原红砷镍矿制得金属镍。还原红砷镍矿制得金属镍。铁系元素的价电子构型为：铁系元素的价电子构型为：(n-1)d68ns2 除两个除两个 s 电子参与成键外，内层电子参与成键外，内层的的 d 轨道电子也可能参与成键，轨道电子也可能参与成键，铁系元素除形成稳定的铁系元素除形成稳定的+2 氧化氧化态外，还有其它氧化态。态外，还有其它氧化态。铁铁的稳定氧化态为的稳定氧化态为+2 和和+3，也存在不稳定的也存在不稳定的+6 氧化态。氧化态。钴和镍的稳定氧化态为钴和镍的稳定氧化态为+2。22.1.1 铁系元素的单质铁系元素的单质 通常情况下，通常情况下，Fe 呈灰色，呈灰色，但纯铁是但纯铁是银白色银白色，Co 呈灰色，呈灰色，Ni 呈银白色，均具有金属光泽。呈银白色，均具有金属光泽。Co 硬而脆，硬而脆，Fe，Ni 延展性好延展性好。依依 Fe，Co，Ni 顺序，其原子顺序，其原子半径略有减小，密度略有增大，熔半径略有减小，密度略有增大，熔点降低。点降低。单质铁通常是在高温条件单质铁通常是在高温条件下由碳还原铁的氧化物制得。下由碳还原铁的氧化物制得。高纯的铁可使用氢还原高高纯的铁可使用氢还原高纯度的氧化铁或直接用五羰合纯度的氧化铁或直接用五羰合铁铁 Fe CO 5 热分解制得。热分解制得。（）金属钴的提取通常先由碳或金属钴的提取通常先由碳或铝在高温下还原其氧化物，再经铝在高温下还原其氧化物，再经电解纯化而获得。电解纯化而获得。铁、钴、镍属于中等活泼的铁、钴、镍属于中等活泼的金属，活泼性依次递减。金属，活泼性依次递减。极细的铁粉在空气中可能迸极细的铁粉在空气中可能迸发火光。发火光。成块状的纯铁、钴、镍单质在成块状的纯铁、钴、镍单质在空气和纯水中稳定。空气和纯水中稳定。含有杂质的铁在潮湿的空气中含有杂质的铁在潮湿的空气中可缓慢锈蚀，形成结构疏松的棕色可缓慢锈蚀，形成结构疏松的棕色铁锈铁锈 Fe2O3 H2O：Fe Fe2+2eO2+2 H2O+4e 4OH4 Fe OH 2+O2 2 Fe2O3+4 H2O（）铁的锈蚀发生必须有氧气、水及铁的锈蚀发生必须有氧气、水及一种电解质的存在，其电化学过程一种电解质的存在，其电化学过程：经过强氧化性物质如浓硝酸经过强氧化性物质如浓硝酸等处理过的铁表面，形成一层致等处理过的铁表面，形成一层致密的氧化膜，可以保护铁表面免密的氧化膜，可以保护铁表面免受潮湿空气的锈蚀。受潮湿空气的锈蚀。钴和镍被空气氧化可生成薄钴和镍被空气氧化可生成薄而致密的膜，这层膜可保护金属而致密的膜，这层膜可保护金属使之不被腐蚀。使之不被腐蚀。钴在加热条件下与空气中的氧钴在加热条件下与空气中的氧反应，反应，温度较低时生成温度较低时生成 Co3O4 和和 CoO，升温至升温至 900以上，以上，Co3O4 分解，分解，于是氧化产物为于是氧化产物为 CoO。加热条件下，镍与氧气反应加热条件下，镍与氧气反应生成生成 NiO。铁在红热情况下，与硫、氯、铁在红热情况下，与硫、氯、溴等剧烈作用。溴等剧烈作用。在在 200300 条件下，与卤素条件下，与卤素反应生成反应生成 FeF3，FeBr3，及，及 FeI2。由于由于 Fe3+的氧化能力及的氧化能力及 I-的还的还原能力，原能力，FeI3 不稳定。不稳定。赤热条件下，水蒸气与铁反应赤热条件下，水蒸气与铁反应生成氢气和生成氢气和 Fe2O3。钴与氟化合成钴与氟化合成 CoF3，与其他卤，与其他卤素化合只能得到素化合只能得到 Co 化合物。化合物。（）镍与氟反应生成的氟化物保护镍与氟反应生成的氟化物保护膜阻止反应的继续进行。膜阻止反应的继续进行。Fe，Co，Ni 对碱稳定，对碱稳定，Ni 的的稳定性最高，稳定性最高，可用可用 Ni 制坩埚处理制坩埚处理熔碱。熔碱。金属镍尤其是微细的镍粉，有金属镍尤其是微细的镍粉，有很强的吸收分子氢的能力，最多可很强的吸收分子氢的能力，最多可吸收吸收 935 倍于自身体积的氢。倍于自身体积的氢。22.1.2 铁系元素的简单化合物铁系元素的简单化合物黑色的黑色的 红棕色的红棕色的 黑色的黑色的 铁有铁有 3 种常见的氧化物种常见的氧化物 FeOFe2O3Fe3O4 1.铁的简单化合物铁的简单化合物 Fe3O4 +8 HCl FeCl2 +2 FeCl3 +4 H2O 将将 Fe3O4 溶于稀盐酸，在溶溶于稀盐酸，在溶液中存在液中存在 Fe2+和和 Fe3+:Fe3O4 可以认为是铁酸亚铁可以认为是铁酸亚铁 Fe FeO2 2（）在隔绝空气的条件下加热分解草在隔绝空气的条件下加热分解草酸亚铁，可制得黑色粉末酸亚铁，可制得黑色粉末 状的状的FeO：FeC2O4 FeO+CO+CO2 这样的氧化铁具有很高的活性，这样的氧化铁具有很高的活性，在空气中能自燃。在空气中能自燃。Fe 盐与碱液在无氧条件下盐与碱液在无氧条件下作用得到白色作用得到白色 Fe OH 2 沉淀，沉淀，（）（）与空气中的氧作用迅速转变为与空气中的氧作用迅速转变为灰蓝绿色。灰蓝绿色。产物分别是产物分别是 Fe 和和 Fe 氢氧化物的混合物及水合氢氧化物的混合物及水合 Fe2O3，最后转化为棕红色的最后转化为棕红色的 Fe OH 3。（）（）（）Fe OH 2 溶于酸，也微溶于溶于酸，也微溶于浓氢氧化钠溶液，但并不以此称浓氢氧化钠溶液，但并不以此称其具有两性。其具有两性。（）亚铁盐在空气中易被氧化，亚铁盐在空气中易被氧化，其其复盐复盐 FeSO4 NH4 2SO4 6 H2O 为浅蓝绿色晶体，称为摩尔盐，在为浅蓝绿色晶体，称为摩尔盐，在空气中较稳定。空气中较稳定。（）铁的硫酸盐、硝酸盐易溶于铁的硫酸盐、硝酸盐易溶于水，且由于水解作用溶液不同程水，且由于水解作用溶液不同程度地呈酸性。度地呈酸性。铁的碳酸盐、磷酸盐等弱铁的碳酸盐、磷酸盐等弱酸盐都难溶于水。酸盐都难溶于水。由于由于 d 轨道处于未充满状态，轨道处于未充满状态，Fe 的水合离子具有一定的颜色：的水合离子具有一定的颜色：Fe H2O 62+呈浅绿色，呈浅绿色，Fe H2O 63+呈浅紫色。呈浅紫色。（）（）Fe3+的水解严重，故其强酸盐的水解严重，故其强酸盐溶于水，得不到淡紫色的水合离子溶于水，得不到淡紫色的水合离子Fe H2O 63+。（）而是逐渐水解生成而是逐渐水解生成 Fe OH H2O 52+（）（）Fe2 OH 2 H2O 82+（）（）水合硫酸亚铁水合硫酸亚铁 FeSO4 7 H2O 为蓝绿色晶体，俗称绿矾。它是制为蓝绿色晶体，俗称绿矾。它是制备其他铁化合物的常用原料。备其他铁化合物的常用原料。硫酸铁是一种常见的硫酸铁是一种常见的 Fe 原料，其与原料，其与 NH4 2SO4 形成的复盐形成的复盐NH4Fe SO4 2 12 H2O 俗称铁铵矾，俗称铁铵矾，可用于鞣革。可用于鞣革。（）（）（）FeCl3 6 H2O 呈橘黄色。呈橘黄色。无水无水 FeCl3 为棕黑色，由铁屑为棕黑色，由铁屑与干燥氯气在与干燥氯气在 500 700 条件下条件下制得。制得。无水无水 FeCl3 的共价性较强，的共价性较强，熔点熔点 307.6，沸点约，沸点约 316 ，可以升华。可以升华。FeCl3 在在 400 C 以下主要以以下主要以二聚体形式二聚体形式存在。存在。FeFe Fe（）是中等强度的氧化剂，）是中等强度的氧化剂，可以氧化可以氧化 KI，H2S，SO2，Sn2+等等强还原剂：强还原剂：2 Fe3+2 I 2 Fe2+I2 2 FeCl3+H2S 2 FeCl2 +2 HCl +S FeCl3 的水溶液对铜的溶解能力，的水溶液对铜的溶解能力，使之用于印刷电路板的刻蚀：使之用于印刷电路板的刻蚀：2 Fe3+Cu 2 Fe2+Cu2+在强碱中在强碱中 Fe OH 3 被氧化被氧化生成紫色的高铁酸根：生成紫色的高铁酸根：（）2 Fe OH 3+3 Cl2+10 OH 2 FeO42+6 Cl+8 H2O（）高铁酸钡是红棕色沉淀：高铁酸钡是红棕色沉淀：酸性条件下，酸性条件下，FeO42 氧化性极强而不稳定：氧化性极强而不稳定：4 FeO42+20 H+4 Fe3+3 O2 +10 H2O FeO42 +Ba2+BaFeO4 Co 有灰色的有灰色的 CoO 和黑色的和黑色的 Co3O4 两种氧化物。两种氧化物。2.钴和镍的简单化合物钴和镍的简单化合物 向向 Co2+盐溶液中加入碱先生成盐溶液中加入碱先生成蓝色的蓝色的 Co OH 2 沉淀，放置或加热沉淀，放置或加热转化为粉色的转化为粉色的 Co OH 2。（）（）Co OH 2 具有具有两性两性：（）Co OH 2+2 NaOH 浓浓 Na2 Co OH 4 （）（）（）Co OH 2 +2 HCl CoCl2 +2 H2O（）Co OH 2 在碱性条件下或空气在碱性条件下或空气中容易被氧化为中容易被氧化为 Co OH 3。（）（）Co 在酸性介质中有强氧化性：在酸性介质中有强氧化性：（）Co3O4 +8 HCl 3 CoCl2 +Cl2+4 H2O 2 Co OH 3+6 HCl 2 CoCl2+Cl2+6 H2O（）无水盐无水盐 CoF2 红色，红色，CoCl2 蓝色，蓝色，CoBr2 绿色，绿色，CoI2 黑色。黑色。酸性介质中，酸性介质中，Co 的氧化性很的氧化性很强，可以将强，可以将 Mn2+氧化成氧化成 MnO4：（）5 Co3+Mn2+4 H2O MnO4+5 Co2+8 H+Co3+可将可将 H2O 氧化，致使其在氧化，致使其在水溶液中不能稳定存在：水溶液中不能稳定存在：4 Co3+2 H2O 4 Co2+4 H+O2 镍元素有氧化数为镍元素有氧化数为 +2 的绿色的绿色氧化物氧化物 NiO 和氢氧化物和氢氧化物 Ni OH 2。（）2Ni2+Br2+6 OH 2NiO OH +2 Br+2 H2O（）尽管纯的尽管纯的 Ni2O3 尚未见报道，但尚未见报道，但在碱性介质中，用在碱性介质中，用 溴溴 氧氧 化化 硝硝 酸镍可酸镍可以得到黑色的以得到黑色的 NiO OH ：（）2 NiO OH +6 HCl 2 NiCl2+Cl2 +4 H2O（）Ni（III）的氧化性极强）的氧化性极强 Ni3+可将可将 H2O 氧化，故其在氧化，故其在水溶液中不能稳定存在。水溶液中不能稳定存在。Ni OH 2 不能被空气中氧化不能被空气中氧化。制备制备高价态的高价态的 Ni 要用要用强氧化剂在强氧化剂在碱性介质中进行碱性介质中进行。（）Ni2+水合盐多为绿色，水合盐多为绿色，Ni2+的的溶液主要用于金属材料的电镀保护。溶液主要用于金属材料的电镀保护。Co OH