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第十章 过渡金属元素( II )( VIIIB 族). VIIIB 族是周期表 d 区过渡金属元素较为特殊的一族. 它们分列 4 , 5 , 6 周期的 9 种元素:. Fe 、 Ru 、 Os ; Co 、 Rh 、 Ir ; Ni 、 Pd 、 Pt. 其中 4 周期的 Fe 、 Co 、 Ni—— 称为铁族元素,. 它们的性质有些相似. Ru 、 Rh 、 Pd 及 Os 、 Ir 、 Pt—— 称为铂族元素. 由于 La 系收缩的后果,它们的性质相似 ,. 而与 Fe 、 Co 、 Ni 差别较显著.
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第十章 过渡金属元素(II)(VIIIB族) VIIIB族是周期表d区过渡金属元素较为特殊的一族. 它们分列4,5,6周期的9种元素: Fe、Ru、Os;Co、Rh、Ir;Ni、Pd、Pt. 其中4周期的Fe、Co、Ni——称为铁族元素, 它们的性质有些相似. Ru、Rh、Pd及Os、Ir、Pt——称为铂族元素. 由于La系收缩的后果,它们的性质相似, 而与Fe、Co、Ni差别较显著. Pt系属于稀有贵重元素.尤其以Os密度最大,22.5g/cm3最贵重.
§ 10—1 铁系元素(Fe、Co、Ni)的通性 Fe 3d64s2 • +2 +3 +6 • 1—1 价电子层结构及氧化数 d6结构Fe2+, d5结构Fe3+ Co 3d76s2 主要是 +2, +3. Co2+ +2 d7结构 Co3+ +3 d6结构. Ni 3d84s2 主要是+2 Ni2+ +2 d8结构
1.形成+2氧化数的离子性为主的化合物. 2.形成+3氧化数的化合物 1—2 成键特征 3.形成配合物——这是它们主要的成键特征. 1—3 元素电势图 1.酸性介质中,FeO42-、Co3+是强氧化剂, 水溶液中难以稳定存在,并且有氧化性. Fe3+<<Co3+<Ni3+. 2. 碱性介质中,Fe(OH)2、Co(OH)2难以稳定存在, 空气中的O2即可将其氧化为Fe(OH)3(红棕色) Co(OH)3(棕褐色), 但Ni(OH)2(绿色)是可以稳定存在的,空气中难以将其氧化.
1.存在 5.1%Fe金属元素第二位. Fe2O3(赤铁矿) 主要以矿石存在, 1—4 单质的存在、性质、应用 Fe3O4(磁铁矿)Fe2O3·2H2O(褐铁矿) FeS2(硫铁矿)CuFeS2(黄铜矿) • . 2 . 性质 熔点按Fe—Co—Ni 依次降低.为什么? 3. 应用 (1).Fe2+是血红蛋白的形成体,缺铁是不可以的. (2).Co3+是VB12的重要组成部分 (3). Ni对强碱具有很强的耐腐蚀作用, 可用来做Ni坩埚.熔融碱性物质. Fe难以形成汞齐
§10—2 Fe、Co、Ni的重要化合物 2—1 氧化物和氢氧化物 一、氧化物 FeO(黑色) CoO(灰绿色) NiO(暗绿色) Fe2O3(红色,铁红) Co2O3(黑色) Ni2O3(黑色) Fe3O4(黑色) Fe[FeO2]2 Pb3O4→Pb2[PbO4] 二、氢氧化物 1. M(OH)2 Fe(OH)2 Co(OH)2 Ni(OH)2 颜色白色粉红色绿色
稳定性 很不稳定 较不稳定 稳定 Fe(OH)2 Fe(OH)3 4Fe(OH)2 +O2+2 H2O= 4Fe(OH)3 还原性 NH3·H2O—NH4+ 难溶解 溶解 Co(NH3)62+ 溶解Ni(NH3)62+ 2.M(OH)3 Fe(OH)3 Co(OH)3 Ni(OH)3 颜色 红棕色 棕褐色 黑色 浓HCl Fe3+(棕黄色) CoCl42-+Cl2(g)(兰色) NiCl2+Cl2(g)(绿色)
2—2 Fe、Co、Ni的重要化合物(盐). 一、+2氧化数的化合物Fe2+、Co2+、Ni2+ 1.离子的结构及性质 Fe2+3d6结构; Co2+ 3d7结构; Ni2+ 3d8结构. 除了d8结构的Ni2+外, Fe2+、Co2+在形成八面体配合物时, 往往存在高低、自旋,内轨、外轨之分. t2g 6eg0(低自旋)d2sp3杂化 Fe2+ t2g 4eg2(高自旋)sp3d2杂化 Co2+ t2g 5eg2 (高自旋)sp3d2杂化 t2g 6eg1(低自旋)d2sp3杂化 d8结构的按CFT、八面体中只有一种排布t2g 6eg2
2. M2+的相似性及差异性 ② 盐水溶解性相似 ① 形成CN = 6的sp3d2杂化的八面体结构的外轨型. 顺磁性水合氧离子,且具有颜色: Ni(H2O)62+(亮绿色) Co(H2O)62+(粉红色 ) Fe(H2O)62+(浅绿色) d—d轨道跃迁所致. 它们的SO42-、Cl-、NO3- etc的盐易溶解于水, 但CO32-、PO43-、S2- etc的盐难以溶解于水. ③形成复盐和矾:MSO4·7H2O、 K2SO4·MSO4·6H2O(NH4)2SO4·MSO4·6H2O.
ii 差异性 ①电子结构不同. ② 还原性稳定性不同 Fe2+在碱性酸性皆难以稳定存在, Ni2+无论酸性碱性均可稳定存在. ③ 形成配合物的能力稳定性不同 Fe2+、Co2+与CN-形成稳定的M(CN)64- (d2sp3杂化的内轨型低自旋八面体结构) Ni2+则形成Ni(CN)42- dsp2杂化的内轨型低自旋平面方形结构. 但Co(CN)64-极不稳定, H2O就将其氧化为Co(CN)63-
2Co(CN)64- + 2H2O = 2Co(CN)63- + H2 + 2OH- Co2+、Ni2+可与NH3·H2O形成配合物, 但Fe2+难以形成配合物. 但Fe2+、Ni2+难以形成配合物. Co2+与NCS-可以形成兰色配合物, 3. M2+的重要反应 (1)与OH-反应 (2)与NH3·H2O—NH4+反应 (3)与CN-反应形成低自旋内轨型配合物 Fe(CN)64- (橙黄色) Fe2+ Co2+ Ni2+ CN- Co(CN)64- (紫色) Ni(CN)42- (黄色)
为何d8结构的Ni2+在强场作用下 易形成dsp2杂化的内轨型平面方形配合物? [问题5]{CFSE讨论之} (4). 与SCN- 的反应-----Co2+ Co(NCS)42-(蓝色) sp3杂化的四面体结构外轨型,强顺磁性. 此配合物水溶液中稳定性差,加入Hg2+可形成兰色沉淀. Hg2+ + Co(NCS)42- = HgCo(NCS)4↓(兰色沉淀) 可以鉴定Co2+以及分离Ni2+与Co2+的特征反应. (5). 与赤血盐的反应---鉴别Fe2+ Fe2+ + K+ + Fe(CN)63- = KFe[Fe(CN)6]↓(蓝色沉淀) 滕氏蓝
------主要是Ni2+的特征反应 (6)与丁二酮肟的反应 生成鲜红色的内配盐沉淀.——定性鉴定Ni2+. (7).与NO3-的配位作用.——Co2+的特性 Co2+与NO3-能形成一种很有趣的配离子Co(NO3)42- CN = 8 十二面体结构, NO3-起双齿配体的作用 (8) 与NO2-的反应 3K++ Co2+ + 7NO2- +2H+ =K3Co(NO2)6↓(亮黄色)+NO+ H2O 这是分离K+ Na+ or Co2+ Ni2+的特征反应. 4. Co2+、Fe2+、Ni2+分离与鉴定
5.几个重要的盐 (1) MSO4·7H2O M2+ Co2+ Fe2+ Ni2+ 颜色 红色晶体 浅绿色 亮绿色 稳定性 稳定 不稳定 稳定 绿矾晶体表面常有铁锈色斑. 其水溶液放置后,常有棕色沉淀. 因此,保存配制FeSO4溶液时, 应加入H2SO4以及铁钉防止被氧化
但(NH4)2SO4 FeSO4·6H2O(摩尔盐)是很稳定的. 可用来标定KMnO4溶液的准确浓度. 是成用的还原剂, (2)氯化物 CoCl2·6H2O(粉红色) NiCl2·6H2O (绿色) 直接加热 CoCl2(蓝色) CoCl2·6H2O(粉红色) NiCl2与CoCl2的显著差别是 它们在丙酮中溶解度的不同, 因此利用该性质可以分离二者 CoCl2很大,NiCl2很小, A. CoCl2·6H2O的结构
二 . +3氧化数的化合物 (Fe3+、Co3+) 1.电极电势的变化 Fe(H2O)63+ + e- Fe(H2O)62+ +0.771 Fe(CN)63- + e- Fe(CN)64- +0.360 Fe(OH)3 + e- Fe(OH)2 + OH- -0.560 Co(H2O)63+ + e- Co(H2O)62+ +1.820 Co(OH)2 + OH- + 0.170 Co(OH)3 + e- Co(NH3)63+ + e- Co(NH3)62+ + 0.10 Co(CN)63- + e- Co(CN)64- -0.864
① 由于形成配合物或产生沉淀, 使电极电势发生了很大的变化. 氧化型氧化能力降低, 稳定性升高. 对应的共轭还原型还原能力增强,稳定性降低 ② Co(NH3)62+、Co(CN)64-、Co(OH)2、Fe(OH)2 难以在水溶液中稳定存在, 空气中的即可将它们氧化, 尤其Co(CN)64-水即可氧化之: 2Co(CN)64- + 2H2O === 2Co(CN)63- + H2 + 2OH- Co2+、Fe3+、Co(OH)3、Fe(OH)3、Co(CN)63-、 Co(NH3)63+、Fe(CN)63-、Fe(CN)63- 在水溶液中可以稳定存在.
2. Fe3+的特征反应 ⑤ 与S2O32-的反应(紫色溶液,约5分钟后褪去,滴加Cu2+迅速褪色.) ① 与SCN-的反应.血红色——鉴定Fe3+及测定Fe. ②与CN-的反应.K3Fe(CN)6赤血盐——橙红色. K4Fe(CN)6·3H2O黄血盐 (黄色). ③ 与Fe(CN)64-的反应. (Prussian blue普鲁士兰,s) ——定性鉴别Fe3+.注意:滕士兰与普鲁士兰组成相同 ④ 与H2S、I-的反应.
⑥Fe3+、Al3+、Cr3+相似性及差别 记住.(如同难以存在CuI2一样,难以存在FeI3 3. FeCl3·6H2O 注:(FeCl3)2与(AlCl3)2结构类似, (sp3杂化)但与(AuCl3)2则不同, 它是典型的共价化合物.它的水溶液可以用来溶解铜板. 三. +6氧化数的化合物 FeO42-+NH3→Fe3++N2(g) BaFeO4(紫红色)强氧化剂. 4. Fe、Co、Ni的配合物— 会用HOT、CFT解释有关的问题.
5.除铁方法 在生产中除去产品中含有的铁杂质的常用方法 是用H2O2氧化Fe2+为Fe3+.调pH值使Fe(OH)3沉淀析出. 但方法的主要缺点: 在于Fe(OH)3具有胶体性质 , 吸附杂质, 沉降速率慢,过滤困难. 因此目前工业生产中改用加入NaClO3至Fe2+的硫酸盐溶液中, 使Fe2+全部氧化为Fe3+, 调pH=1.6~1.8 ,T=358~368K时, Fe3+的水解产物以浅黄色晶体析出, 此晶体的化学式为:Na2Fe6(SO4)4(OH)12 俗名黄铁矾. 沉淀速率快,易过滤. 其优点是黄铁矾颗粒大,
§ 10—3 Pt系元素 (Ru Rh Pd Os Ir Pt) 3-1 系元素概述 • 1. 元素符号及密度 Ru Rh Pd • 约为12 g/cm3, Os Ir Pt 约为22 g/cm3. 它们均为贵金属 Os的密度最大 (22.6g/cm3) 2. 价电子结构及氧化数 Ru4d75s1 Rh4d85s1 Pd 4d105s0 Pt5d96s1 Ru Rh Pd +4 +3 +2 +4 Os Ir Pt +6 +8 +3 + 4 +2 +4
主要强调 Pt 延性最好, 3性质 难以与 HNO3反应.可溶解于王水中. 4. Pt器皿使用应遵守的操作规则 〈1〉 熔融的NaOH及Na2O2对有Pt严重的腐蚀作用. 〈2〉 S及硫化物在加热时亦能与Pt作用.尤其Se、Te. 〈3〉P4或还原气氛中的磷化物和磷酸盐,亦容易与Pt作用. 〈4〉HNO3—HCl HCl—H2O2 HCl—HClO4 ①HF ②HNO3—HCl ③HCl—H2O2 ④NaOH—Na2O2 ⑤Na2CO3 ⑥NaHSO4 ⑦Na2CO3+S.
3—2 Pt与Pd的重要化合物 • H2PtCl6及PtCl62- H2PtCl6·6H2O(橙红色晶体) Na2PtCl6(橙红色) K2PtCl6、(NH4)2 PtCl6黄色微溶于水. d2sp3杂化的内轨型,低自旋,八面体配合物. 稳定性: PtCl62-(黄色)<PtBr62-(深红)<PtI62-(紫黑)
2. Zeise Salt K[Pt(C2H4)Cl3] 蔡斯盐 〈1〉 化学式 〈2〉结构 Pt(C2H4)Cl3- dsp2杂化成键的低自旋 平面方形配合物. 存在σ配键及反馈π键 3. 顺铂.PtCl2(NH3)2 dsp2杂化成键平面方形. —顺铂(抗癌活性) 4. PdCl2 〈1〉结构 dsp2杂化平面方形 〈2〉性质 ——鉴别CO的重要试剂 PdCl2 + CO + H2O = Pd (黑色) + CO2 +2HCl