第十五章 過度金屬元素 15-1 簡介過度金屬元素的特性 授課老師 李大偉 Coloured transition metal solutions. Licensed under Public Domain via Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/file:coloured transition metal solutions.jpg#/media/file:coloured transition metal solutions.jpg
第十五章的綱要 1. 簡介過度金屬元素的特性 2. 錯化合物的基本性質與其分子結構 3. 錯化合物的光性 電性與磁性 -- 晶場理論與配位場理論 4. 錯化合物的化性及其應用
過度金屬元素 1 H 1.0 3 Li 6.9 11 Na 23.0 19 K 39.1 37 Rb 85.5 55 Cs 132.9 Transition metals have incompletely filled d subshells or readily give rise to ions with incompletely filled d subshells. 4 Be 9.0 12 Mg 24.3 20 21 22 23 Ca Sc Ti V 40.1 45.0 47.9 50.9 38 39 40 41 Sr Y Zr Nb 87.6 88.9 91.2 92.9 56 57 72 73 Ba La Hf Ta 137.3 138.9 178.5 181.0 24 Cr 52.0 42 Mo 95.9 74 W 183.8 5 B 10.8 13 Al 27.0 25 26 27 28 29 30 31 Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga 54.9 55.8 58.9 58.7 63.5 65.4 69.7 43 44 45 46 47 48 49 Tc Ru Rh Pd Ag Cd In (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 75 76 77 78 79 80 81 Re Os Ir Pt Au Hg Tl 186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6 204.4 6 C 12.0 14 Si 28.1 32 Ge 72.6 50 Sn 118.7 82 Pb 207.2 7 N 14.0 15 P 31.0 33 As 74.9 51 Sb 121.8 83 Bi 209.0 8 O 16.0 16 S 32.1 34 Se 79.0 52 Te 127.6 84 Po (209) 9 F 19.0 17 Cl 35.5 35 Br 79.9 53 I 126.9 85 At (210) 2 He 4.0 10 Ne 20.2 18 Ar 40.0 36 Kr 83.8 54 Xe 131.3 86 Rn (222)
第一列過度金屬元素 1 H 1.0 3 Li 6.9 11 Na 23.0 19 K 39.1 37 Rb 85.5 55 Cs 132.9 4 Be 9.0 12 Mg 24.3 20 21 22 23 Ca Sc Ti V 40.1 45.0 47.9 50.9 38 39 40 41 Sr Y Zr Nb 87.6 88.9 91.2 92.9 56 57 72 73 Ba La Hf Ta 137.3 138.9 178.5 181.0 24 Cr 52.0 42 Mo 95.9 74 W 183.8 5 B 10.8 13 Al 27.0 25 26 27 28 29 30 31 Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga 54.9 55.8 58.9 58.7 63.5 65.4 69.7 43 44 45 46 47 48 49 Tc Ru Rh Pd Ag Cd In (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 75 76 77 78 79 80 81 Re Os Ir Pt Au Hg Tl 186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6 204.4 6 C 12.0 14 Si 28.1 32 Ge 72.6 50 Sn 118.7 82 Pb 207.2 7 N 14.0 15 P 31.0 33 As 74.9 51 Sb 121.8 83 Bi 209.0 8 O 16.0 16 S 32.1 34 Se 79.0 52 Te 127.6 84 Po (209) 9 F 19.0 17 Cl 35.5 35 Br 79.9 53 I 126.9 85 At (210) 2 He 4.0 10 Ne 20.2 18 Ar 40.0 36 Kr 83.8 54 Xe 131.3 86 Rn (222)
第一列過度金屬元素的電子組態及原子特性
第四週期元素的電子組態及原子特性 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 39.1 40.1 45.0 47.9 50.9 52.0 54.9 55.8 58.9 58.7 63.5 65.4 69.7 72.6 74.9 79.0 79.9 83.8 Atomic Radius (pm) 235 197 162 147 134 130 135 126 125 124 128 138 135 123 120 117 114 189 mp ( ) 63.7 838 1539 1668 1900 1875 1245 1536 1495 1453 1083 420 30 937 613 220 7 157 bp ( ) 760 1440 2730 3260 3450 2665 2150 3000 2900 2730 2595 906 2403 2830 685 59 153 Density (g/cm3) 0.86 1.54 3.0 4.51 6.1 7.19 7.43 7.86 8.9 8.9 8.96 7.14 5.91 5.32 5.78 4.79 3.12 3.00 electronegativity 0.82 1.3 1.3 1.5 1.6 1.6 1.5 1.8 1.9 1.9 1.9 1.6 1.6 2.0 2.2 2.6 3.0
3d 與 4s 軌域的P(r)
Example Explain why atomic radii decrease very gradually from scandium to copper. 162 147 130 135 ATOMIC RADIUS (PM) 134 Sc Ti V Cr Mn 126 125 124 Fe Co Ni 128 Cu
Lanthanide contraction對原子半徑的影響 由於 f-orbitals 比 d-orbitals 更鬆 散 因此 f-orbitals 比 d-orbitals 更無法遮蔽原子核正電荷對價電 子的強烈吸引 因此造成 Lanthanide contraction
Lanthanide contraction對密度的影響
第一列過渡金屬元素的化學性質 -- 1 Why do transition metals have more oxidation states than other? Why are the +3 oxidation states more stable at the beginning, whereas the +2 oxidation are more stable towards the end of the first-row transition metals? (most stable oxidation numbers are shown in red)
Ionization Energies for the 1st Row Transition Metals 12
未配對d-軌域的電子數對金屬鍵強度的影響
第一列過渡金屬元素的化學性質 -- 2 第一列過渡金屬元素中何者無法與酸中的H+離子相互作用
第一列過渡金屬元素的化學性質 -- 3 氧化還原能力與酸鹼 CrO +2 basic 鹼性 Cr2O3 +3 amphoteric 兩性 CrO3 +6 acidic 酸性 CrO3 + H2O H2CrO4
學習配位錯化合物的基本知識 1 Bronsted Acid : Proton Donor Bronsted Base : Proton Acceptor Eample: NH3 + H2O NH4+ + OH-
學習配位錯化合物的基本知識 2 Lewis Acid : electron pair acceptor Lewis Base : electron pair donor
Lewis Acid & Base 的例子 右邊錯離子中 何者為Lewis acid 何者為Lewis base
學習配位錯化合物的基本知識 3
中心原子是如何與配位基鍵結 3-1
中心原子是如何與配位基鍵結 3-2
標準還原電位解釋了人類的工具史 "Carpenter's axe" by Cosmoh Own work. Licensed under CC BY SA 3.0 via Wikimedia Commons http://commons. wikimedia.org/wi ki/file:carpenter %27s_axe.jpg#/m edia/file:carpent er%27s_axe.jpg "ALB Hortfund Groß Gaglow" by Wolfgang Sauber Own work. Licensed under CC BY SA 4.0 via Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.o rg/wiki/file:alb_ _Hortfund_Gro%C3%9F_Gagl ow.jpg#/media/file:alb_ _Hortfund_Gro%C3%9F_Gagl ow.jpg Cu2+(aq) + 2e Cu(s) Fe3+(aq) + 3e Fe(s) Ti2+(aq) + 2e Ti(s) +0.34 V -0.04 V -1.63 V
Fe (Iron) 鐵 鐵器時代 公元前3000年 鋼鐵時代 公元1990~ 最早錯化合物的應用 普魯士藍染料 Fe4[Fe(CN)6]3 Prussian blue by Picture created by publunch image was taken from En Wiki: en:image:prussian blue.jpg. Licensed under Public Domain via Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/file:prussian_blue.jpg#/media/file:prussian_blue.jpg
Fe (Iron) 鐵 單質鐵的製備一般採用冶煉法 以 赤鐵礦 hematite Fe2O3 和磁鐵 礦 magnetite Fe3O4 為原料 與焦炭和助溶劑在熔礦爐內反應 焦炭燃燒產生二氧化碳 CO2 二氧化碳與過量的焦炭接觸就生成 一氧化碳 CO 一氧化碳和礦石 內的氧化鐵作用就生成金屬鐵
Cu (copper) 銅 常見的銅礦 金黃色黃銅礦chalcopyrite CuFeS2 鮮綠色孔雀石 malachite CuCO3Cu(OH)2 輝銅礦 chalcocite Cu2S 黃銅礦CuFeS2可藉由下面任一種 方式提煉 高溫礦冶術 pyrometallurgy或 濕法冶金術 hydrometallurgy 某些海洋生物 血液中含銅 而不 含鐵 因此血色為綠色 Royal Observatory Edinburgh East Tower 2010 cropped by Royal_Observatory_Edinburgh_East_Tower_2010.jpg: Chi And Hderivative work: Spinningspark This file was derived from: Royal Observatory Edinburgh East Tower 2010.jpg. Licensed under CC BY SA 3.0 via Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/file:royal_observatory_edinburgh_east_to wer_2010_cropped.jpg#/media/file:royal_observatory_edinburgh_east_tower_2 010_cropped.jpg
Example By considering electron configurations, explain why gold and silver are less reactive than copper. Cu +0.52 Ag +0.8 Au +1.83
15-1 學習重點 熟悉 d分子軌域對第一列過度金屬元素物理性質趨勢的影響 熟悉d分子軌域對第一列過度金屬元素化學性質趨勢的影響