过渡元素（从ⅢB族到VⅢ族的化学元素）
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更新时间：2023-05-20
过渡元素
从ⅢB族到VⅢ族的化学元素
基本信息
| 中文名 | 过渡元素 |
| 外文名 | transition elements |
| 原子构型 | 最外层仅有1~2个电子 |
| 最硬 | 铬是金属中最硬的 |
| 最难熔 | 钨是所有金属中最难熔的 |
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简介
性质特征
过渡元素的特征性质有：①它们都是金属，具有熔点高、沸点高、硬度高、密度大等特性，而且有金属光泽，延展性、导电性和导热性都很好，不同的过渡金属之间可形成多种合金。②过渡金属的原子或离子中可能有成单的d电子，电子的自旋决定了原子或分子的磁性。因此，许多过渡金属有顺磁性，铁、钴、镍3种金属还可以观察到铁磁性。可用作磁性材料。③ 过渡元素的d电子在发生化学反应时都参与化学键的形成，可以表现出多种的氧化态。最高氧化态从钪、钇、镧的+3一直到钌、锇的+8 。过渡元素在形成低氧化态的化合物时，一般形成离子键，而且容易生成水合物；在形成高氧化态的化合物时，形成的是共价键。④过渡元素的水合离子在化合物或溶液中大多呈显一定的颜色，这是由于具有不饱和或不规则的电子层结构造成的。⑤ 过渡元素具有能用于成键的空d轨道以及较高的电荷/半径比，都很容易与各种配位体形成稳定的配位化合物。过渡金属大多有其独特的生产方法：电解法、金属热还原法、氢还原法和碘化物热分解法。
原子结构
原子构型
过渡元素原子电子构型的特点是它们的d 轨道上的电子未充满（Pd例外），最外层仅有1~2个电子，它们的价电子构型为(n-1)d -9ns （Pd为4d5s）。
元 素 | Sc | Ti | V | Cr | Fe | Co | Ni | |
价电子层结构 | 3d4s | 3d4s | 3d4s | 3d4s | 3d4s | 3d4s | 3d4s | 3d4s |
氧化态 | (+Ⅱ) +Ⅲ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ +Ⅴ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅵ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ +Ⅵ +Ⅶ | +Ⅱ +Ⅲ (+Ⅵ) | +Ⅱ +Ⅲ | +Ⅱ (+Ⅲ) |
元 素 | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd |
价电子层结构 | 4d5s | 4d5s | 4d5s | 4d5s | 4d5s | 4d5s | 4d5s | 4d5s |
氧化态 | +Ⅲ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ +Ⅴ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ +Ⅴ +Ⅵ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ +Ⅴ +Ⅵ +Ⅶ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ +Ⅴ +Ⅵ +Ⅶ +Ⅷ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ +Ⅴ +Ⅵ | +Ⅱ +Ⅲ +Ⅳ |
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注：划横线的表示比较常见、稳定的氧化态；带括号的表示不稳定的氧化态。
原子半径
过渡元素与同周期的ⅠA、ⅡA族元素相比较，原子半径较小。
各族中从上到下原子半径增大，但第五、六周期同族元素的原子半径很接近，铪的原子半径(146 pm)与锆(146 pm)几乎相同。
同周期过渡元素d轨道的电子未充满，d电子的屏蔽效应较小，核电荷依次增加，对外层电子的吸引力增大，所以原子半径依次减小。到铜副族前后，充满的d轨道使得屏蔽效应增强，原子半径增大。由于镧系收缩的影响，第五、六周期同族元素的原子半径相近。
性质对照
物理性质
②过渡金属一般呈银白色或灰色（锇呈灰蓝色），有金属光泽。
③ 除钪和钛属轻金属外，其余都是重金属。
④ 大多数过渡元素都有较高的熔点和沸点，有较大的的硬度和密度。如：钨是所有金属中最难熔的，铬是金属中最硬的。
化学性质
② 第一过渡系比第二、三过渡系的元素活泼-----核电荷和原子半径两个因素。
同一族中自上而下原子半径增加不大，核电荷却增加较多，对外层电子的吸引力增强，核电荷起主导作用. 第三过渡系元素与第二过渡系元素相比，原子半径增加很少（镧系收缩的影响），所以其化学性质显得更不活泼。
锰的数值有些例外（比铬还低）：失去两个4s电子形成稳定的3d构型。
有关资料
氧化态
过渡元素最外层s电子和次外层d电子可参加成键，所以过渡元素常有多种氧化态。一般可由+Ⅱ依次增加到与族数相同的氧化态（ⅧB族除Ru、Os外，其它元素尚无+Ⅷ氧化态）。
同一周期从左到右，氧化态首先逐渐升高，随后又逐渐降低。
随3d轨道中电子数的增加，氧化态逐渐升高；当3d轨道中电子数达到5或超过5时，3d轨道逐渐趋向稳定，高氧化态逐渐不稳定（呈现强氧化性），此后氧化态又逐渐降低。
三个过渡系元素的氧化态从左到右的变化趋势是一致的。不同的只是第二、三过渡系元素的最高氧化态表现稳定，而低氧化态化合物并不常见。
同一族中从上至下，高氧化态趋向于比较稳定-----和主族元素不同。
催化剂
过渡金属催化剂或是生命起源的关键
要解释生命如何在地球上出现这个悬而未决的大问题，就像是回答先有鸡还是先有蛋的悖论：诸如氨基酸和核苷酸这样的基本生化物质，是如何在生物催化剂（蛋白质或核酶）出现之前而完成其构造的？在最新一期《生物学通报》上，科学家发表论文指出，或是第三种类型的催化剂启动了深海热泉中的新陈代谢以及生命。
根据美国乔治梅森大学的哈罗德·莫洛维兹和维加亚萨拉斯·斯里尼瓦桑及圣达菲研究所的埃里克·史密斯提出的模型，包含过渡金属元素（铁、铜、镍等）和配体（小有机分子）的分子结构，可以催化基本生化物质（单体）的合成。单体是更加复杂的分子的基本构造模块，最终导致了生命的起源。
莫洛维兹表示，在过去的50年里，生命起源理论研究中一直存在着一个大问题，那就是“你需要大蛋白分子作为催化剂来形成单体，但你又需要单体来制作催化剂”。对此问题，莫洛维兹提出的解释是，可从这些小的金属配体催化剂入手，从而制造出用以形成大蛋白催化剂的单体。
过渡金属原子作为金属配体复合物的核心，必定被其他配体包围着。莫洛维兹和他的同事提出，深海热泉中简单的过渡金属配体复合物可催化产生更复杂分子的反应。之后，这些日益复杂的分子在效率越来越高的过渡金属配体复合物催化剂中扮演着配体的角色。渐渐地就累积起了新陈代谢的基本分子成分，并自我组织起奠定生命基础的化学反应网络。
莫洛维兹说：“我们曾经认为，如果我们了解了碳、氢、氮、氧、磷、硫在做什么，我们就理解了生物学。但是，我们发现，还有一些其他罕见的元素—过渡金属在生物学中也是必需的，因此，我们必须要问，它们在生命起源中又发挥了怎样的作用？”莫洛维兹正在列出构成了地球上大部分生物质的元素清单。
研究人员指出，生命形式的出现是过渡金属和配体场论独特性的自然结果，该理论描述了配体复合物的特性。莫洛维兹说：“这种思想发端于对元素周期表的研究。我们强烈地感到，除非你能看到生命是如何以某种化学方式出现的，否则你永远无法真正地解决这个问题。”
莫洛维兹和他的同事们正准备用实验方法来测试以不同配体制成的过渡金属配体复合物的催化性能。配体已知会和过渡金属紧密结合，包括在三羧酸循环过程（许多微生物所必需的一系列生化反应）中产生的分子。莫偌维兹表示，他们认为生命始于三羧酸循环，同时有证据显示，在深海热泉的环境中有循环的中间物质形成。科学家计划用这些中间物质分子与不同的过渡金属混合，将它们加热到不同温度并维持相应的一段时间，然后检查会有何种催化剂产生。
这类实验有望帮助了解在奠定生命基础时，究竟发生了何种催化反应。该假说还提出了生命的出现也许不止一次。研究人员表示，生命也许有多次起源，如果能在宇宙其他地方发现生命，这些生命和人类生命也许非常相似，因为它们与人类都是基于相同的过渡金属和配体。这还只是个猜想，不过这或许会成为生命起源研究的核心观点。
