過(guò)渡元素的原子的最外層s電子和次外層d電子都可以參加成鍵,從而增加了鍵的強(qiáng)度。此外,過(guò)渡元素原子的半徑較小,并有較大的密度。所以大多數(shù)過(guò)渡元素都有較高的硬度和較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)(參看表21-2和21-6),如鎢的熔點(diǎn)為3683K,是所有金屬中最難熔的。這些性質(zhì)都和它們具有較小的原子半徑,次外層d電子參加成鍵,金屬鍵強(qiáng)度較大密切相關(guān)。
表21-6 第一過(guò)渡系元素的某些性質(zhì)*
元素 | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu |
原子序數(shù) | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 |
金屬半徑/pm | 160.6 | 144.8 | 132.1 | 124.9 | 124 | 124.1 | 125.3 | 124.6 | 127.8 |
M2+離子的半徑/pm | 94 | 88 | 89 | 80 | 74 | 72 | 69 | 72 | |
密度/(g·cm-3) | 2.989 | 4.54 | 6.11 | 7.20 | 7.44 | 7.874 | 8.9 | 8.902 | 8.96 |
* 為了便于比較,將Cu的有關(guān)數(shù)據(jù)也列于后面。
另外,許多過(guò)渡金屬及共化合物有順磁性,這也是因?yàn)樗鼈兙哂形闯蓪?duì)d電子所引起的。過(guò)渡元素的純金屬有較好的延展性和機(jī)械加工性,并且能彼此間以及與非過(guò)渡金屬組成具有多種特性的合金。它們都是電和熱的較良好導(dǎo)體。過(guò)渡金屬在工程材料方面有著廣泛的應(yīng)用。
鈧、釔和鑭是過(guò)渡元素中最活潑的金屬,它們?cè)诳諝庵心苎杆俦谎趸?,與水反應(yīng)則放出氫,也能溶于酸,這是因?yàn)樗鼈兊拇瓮鈱觗軌道中僅一個(gè)電子,這個(gè)電子對(duì)它們性質(zhì)的影響不顯著,所以它們的性質(zhì)較活潑并接近于堿土金屬。其它過(guò)渡金屬在通常情況下不與水作用。從它們的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)(表21-8)看,過(guò)渡元素一般都可以從稀酸(鹽酸和硫酸)中置換氫。
表21-8 第一過(guò)渡系元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)/V
金屬 電勢(shì) 電對(duì) |
Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni |
M2+/M M3+/M |
-2.0 |
-1.63
|
-1.2
|
-0.557 -0.74 |
-1.029
|
-0.402
|
-0.28
|
-0.23
|
表21-8數(shù)據(jù)表明,過(guò)渡金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)基本上從左向右數(shù)值逐漸增大,這和它們的金屬性逐漸減弱是一致的。其中錳的數(shù)值比鉻還低,顯得有些例外,但這和錳失去兩個(gè)4s電子后形成更穩(wěn)定的3d5構(gòu)型有關(guān)。
與第一過(guò)渡系元素相比(ⅢB族除外),第二、三過(guò)渡系元素的活潑性都較弱。即同一族中自上而下,活潑性依次減弱,這與ⅠA族、ⅡA族不同。這可從它們的核電荷和原子半徑來(lái)考慮,而核電荷因素在這里起著主導(dǎo)作用。因?yàn)橥蛔逯凶陨隙略影霃皆黾硬淮?,而核電荷卻增加較多,對(duì)外層電子的吸引力增強(qiáng),特別是第三過(guò)渡系元素,它們與相應(yīng)的第二過(guò)渡系元素相比原子半徑增加很少(鑭系收縮的影響),所以其化學(xué)性質(zhì)顯得更不活潑。