在鉻分族的價電子層結(jié)構(gòu)中,鉻和鉬為(n-1)d5ns1,鎢為5d46s2,二者雖然略有不同,但三元素中六個價電子都可以參加成鍵則是一致的。因此它們的最高氧化態(tài)為+Ⅵ,并都具有d區(qū)元素多種氧化態(tài)的特征。它們的最高氧化態(tài)按Cr,Mo,W的順序穩(wěn)定性增強(qiáng),而低氧化態(tài)則相反。即Cr易出現(xiàn)低氧化態(tài)(如Cr(Ⅲ)的化合物),而Mo和W以高氧化態(tài)(Mo(Ⅵ)和W(Ⅵ)的化合物)最穩(wěn)定。
鉻分族的一些性質(zhì)列于表21-15中。
表21-15 鉻分族的基本性質(zhì)
性質(zhì) | 鉻 | 鉬 | 鎢 |
元素符號 | Cr | Mo | W |
原子序數(shù) | 24 | 42 | 74 |
原子量 | 51.996 | 95.94 | 183.85 |
價電子層結(jié)構(gòu) | 3d54s1 | 4d55s1 | 5d46s2 |
主要氧化態(tài) |
+Ⅱ、+Ⅲ、+Ⅳ | +Ⅱ、+Ⅲ、+Ⅳ、+Ⅴ、+Ⅵ | +Ⅱ、+Ⅲ、+Ⅳ、+Ⅴ、+Ⅵ |
原子半徑/pm(金屬半徑) | 124.9 | 136.2 | 137 |
離子半徑/pm M3+ M4+ M6+ |
63
52 |
70 62 |
70 62 |
電離勢/(kJ·mol-1) | 657 | 689 | 775 |
電負(fù)性 | 1.66 | 2.16 | 2.36 |
E°/V M3++3e- ?M |
-0.74 |
-0.20 |
-0.11 |
密度/(g·cm-3) | 7.18-7.20 | 10.22 | 19.3 |
鉻是銀白色有光澤的金屬,含有雜質(zhì)的鉻硬而且脆,純鉻有延展性。粉末狀的鉬和鎢是深灰色的,而致密的塊狀鉬和鎢才是銀白色的,且有金屬光澤。由于鉻分族元素在形成金屬鍵時可能提供6個電子,形成較強(qiáng)的金屬鍵,因此,它們的熔點和沸點都非常高。鎢的熔點和沸點是一切金屬中最高的。
鉻能慢慢地溶于稀鹽酸、稀硫酸,而生成藍(lán)色溶液。與空氣接觸則很快變成綠色,這是因為先生成藍(lán)色的Cr2+,被空氣中的氧進(jìn)一步氧化成綠色的Cr3+的緣故。
Cr+2HCl=CrCl2+H2↑
4CrCl2+4HCl+O2=4CrCl3+2H2O
鉻與濃硫酸反應(yīng),則生成二氧化硫和硫酸鉻(Ⅲ)。
2Cr+6H2SO4=Cr2(SO4)3+3SO2+6H2O
但鉻不溶于濃硝酸,因為表面生成緊密的氧化物薄膜而呈鈍態(tài)。在高溫下,鉻能與鹵素、硫、氮、碳等直接化合。
鉬和鎢的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。與鉻相似,它們的表面上也易形成氧化膜而呈鈍態(tài)。鉬與稀酸不反應(yīng),與濃鹽酸也無反應(yīng),只有濃硝酸與王水可以與鉬發(fā)生反應(yīng)。鎢不溶于鹽酸、硫酸和硝酸,只有王水或HF和HNO3的混合酸才能與鎢發(fā)生反應(yīng)。由此可見,鉻分族元素的金屬活潑性是從鉻到鎢的順序逐漸降低的,這也可以從它們與鹵素反應(yīng)的情況中看出來。氟可與這些金屬劇烈反應(yīng),鉻在加熱時能與氯、溴和碘反應(yīng)。鉬在同樣條件下只與氯和溴化合,鎢則不能與溴和碘化合。
鉻具有良好的光澤,抗腐蝕性又高,故常用于鍍在其它金屬的表面上,如自行車、汽車、精密儀器零件中的鍍鉻制件。大量的鉻用于制造合金,如鉻鋼含Cr0.5~1%,Si0.75%,Mn0.5~1.25%,很硬但有韌性,是機(jī)器制造業(yè)的重要原料。含鉻12%的鋼稱為“不銹鋼”,有極強(qiáng)的耐蝕性能。
鉬和鎢也大量被用于制造合金鋼,可提高鋼的酎高溫強(qiáng)度,耐磨性,耐腐蝕性等。在機(jī)械工業(yè)中,鉬鋼和鎢鋼可做刀具,鉆頭等各種機(jī)器零件;鉬和鎢的合金在武器制造,以及導(dǎo)彈火箭等尖端領(lǐng)域里也占有重要的地位。此外,鎢絲制作燈泡的燈絲,高溫電爐的發(fā)熱元件等應(yīng)用也很廣泛。