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第VIII族元素性质研究
【关键词】 VIII族 物理性质 化学性质 用途
【出   处】 2018年 1期
【收   录】 中国学术期刊网
【作   者】 王应升
【项   目】 暂不属于基金项目
【单   位】
【摘   要】   摘要:第VIII族元素在周期表中是特殊的一族,它包括8、9、10三个纵行4、5、6三个周期的九种元素,它们是铁、钴、镍、钌、铑、钯、锇、铱和铂。本文分别从结构,物理性质,化学性
正文

  摘要:第VIII族元素在周期表中是特殊的一族,它包括8、9、10三个纵行4、5、6三个周期的九种元素,它们是铁、钴、镍、钌、铑、钯、锇、铱和铂。本文分别从结构,物理性质,化学性质及用途等几个方面介绍了第VIII族元素。 关键词:VIII族 物理性质 化学性质 用途 第VIII族元素在周期表中位置的特殊性与它们之间性质的类似和递变关系相联系的。在九种元素中,虽然也存在着一般的垂直相似性,如铁、钌、锇,但水平相似性则更为突出。如铁、钴、镍。因此,为了便于研究,通常把这九种元素分成两组,把位于第4周期的铁、钴、镍三种元素称为铁系元素,其余六种元素则称为铂系元素。由于镧系收缩的缘故,位于第5周期的钌、铑、钯与位于第6周期的锇、铱、铂非常相似而与第4周期的铁、钴、镍差别较大。铂系元素被列为稀有元素,和金、银一起称为贵金属。 一.铁系元素 铁、钴、镍三种元素的最外层都有两个4s电子,只是次外层的3d电子数不同,分别为6、7、8,它们的原子半径十分相似,所以它们的性质很相似。 由于第一过渡系列元素原子的电子填充过渡到第Ⅷ族时,3d电子已经超过5个,所以它们的价电子全部参加成键的可能性减少,因而铁系元素已经不再呈现出与族序数相当的最高正化合价。一般条件下,铁的常见化合价是+2和+3,与强氧化剂作用,铁可以生成不稳定的+6高铁酸盐。钴和镍的常见化合价都是+2,与强氧化剂作用,钴可以生成不稳定的+3化合物,而镍的+3化合价则少见。 下面从物理性质、化学性质、用途三个方面来介绍铁系元素。 (一)物理性质 铁系元素的原子半径、离子半径、电离势等性质基本上随原子序数的增加而有规律地变化。铁、钴、镍的EΘ(M2+ / M)均为负值,活泼性按铁——钴——镍顺序递减,都溶于稀酸[1]。镍的相对原子质量比钴小,这是因为镍的同位素中质量数小的一种占的比例大。铁系元素单质都是具有金属光泽的白色金属。钴略带灰色。它们的密度都比较大,熔点也比较高,它们的熔点随原子序数的增加而降低,这是因为3d轨道中成单电子数按Fe、Co、Ni的顺序依次减少(4、3、2),金属键依次减弱的缘故。钴比较硬而脆,铁和镍却有很好的延展性。它们都表现有铁磁性,它们的合金是很好的磁性材料。 (二)化学性质 由铁系元素的标准电极电势看,它们都是中等活泼的金属。它们的化学性质表现在以下几个方面: 1、在碱性介质中,铁的最稳定化合价是+3、而钴和镍的最稳定化合价仍是+2;在碱性介质中把低化合价的铁、钴、镍氧化为高化合价比在酸性介质中容易。低化合价氢氧化物的还原性Fe(OH)2 Co(OH)2、Ni(OH)2的顺序依次降低。例如:向Fe(Ⅱ)的溶液中加入碱,能生成白色的Fe(OH) 2的沉淀,但空气中的氧立即把白色的Fe(OH)2氧化成红褐色的Fe(OH)3沉淀;在同样条件下生成的粉红色的Co(OH) 2则比较稳定,但在空气中放置,也能缓慢地被空气中的氧氧化成棕褐色的Co(OH) 3;而在同样条件下生成的绿色的Ni(OH) 2最稳定,根本不能被空气中的氧所氧化。由此可见,Fe(OH)2的还原性最强,也最不稳定,Ni(OH)2的还原性最差,也最稳定。这是由它们在碱性介质中的标准电极电势的大小决定的。 2、铁系元素易溶于稀酸中,只有钴在稀酸中溶解得很慢。它们遇到浓硝酸都呈“钝态”。铁能被热的浓碱液侵蚀,而钴和镍在碱溶液中的稳定性比铁高。 3、在没有水存在时,一般温度下,铁系元素与氧、硫、氯、磷等非金属几乎不起作用,但在高温下却可发生反应。 (三)用途 铁、钴、镍主要用于制造合金。铁是重要的基本结构材料,铁合金用途广泛。钴的合金具有很高的硬度,镍是不锈钢的主要成分之一,由于镍不与强碱作用,实验室中常用镍坩埚熔融碱性物质。镍粉还可做氢化反应的催化剂。 二.铂系元素 铂系元素包括第VIII族元素钉(Ru),铑(Rh),钯(Pd),锇(Os),铱(Ir),铂(Pt)。都是稀有金属,几乎完全以单质状态存在,高度分散在各种矿石中,并共生在一起。从铂系元素原子的价电子结构来看,除锇和铱有2个s电子外,其余都只有1个s电子或没有s电子。

  形成高化合价的倾向从左向右(由钌到钯,由锇到铂)逐渐降低。这一点和铁系元素是一样的。和其它各副族的情况一样,铂系元素的第6周期各元素形成高化合价的倾向比第5周期相应各元素大。其中只有钌和锇表现出了与族序数相一致的+8化合价。

  我们从物理性质、化学性质、用途三个方面来介绍铂系元素。

  (一)物理性质

  铂系元素除锇呈蓝灰色外,其余都是银白色的。从金属单质的密度看,铂系元素又可分为两组:第5周期的钌、铑、钯的密度约为12g·cm-3,称为轻铂金属;第6周期的锇、铱、铂的密度约为22g·cm-3,称为重铂金属。

  铂系元素都是难熔金属,轻铂金属和重铂金属的熔、沸点都是从左到右逐渐降低。这六种元素中,最难熔的是锇,最易熔的是钯。熔沸点的这种变化趋势与铁系金属相似,这也是因为nd轨道中成单电子数从左到右逐渐减少(钌、铑、钯分别为3、2、0;锇、铱、铂分别为4、3、1),金属键逐渐减弱的缘故[2]。

  在硬度方面,钌和锇的特点是硬度高并且脆,因此不能承受机械处理。铑和铱虽可以承受机械处理,但也很困难。钯和铂,尤其是铂,极易承受机械处理,纯净的铂具有高度的可塑性。将铂冷轧,可以制得厚度为0.0025mm的箔。

  (二)化学性质

  铂系金属的化学性质表现在以下几个方面:

  1、铂系金属对酸的化学稳定性比所有其它各族金属都高。钌和锇,铑和铱对酸的化学稳定性最高,不仅不溶于普通强酸,也不溶于王水中。钯和铂都能溶于王水,钯还能溶于硝酸(稀硝酸中溶解慢,浓硝酸中溶解快)和热硫酸中。

  2、在有氧化剂存在时,铂系金属与碱一起熔融,都可以转变成可溶性的化合物。

  3、铂系金属不和氮作用。室温下对空气、氧等非金属都是稳定的,不作用。高温下才能与氧、硫、磷、氟、氯等非金属作用,生成相应的化合物。室温下只有粉状的锇在空气中会慢慢地被氧化,生成挥发性的四氧化锇OsO4,OsO4的蒸气没有颜色,对呼吸道有剧毒,尤其有害于眼睛,会造成暂时失明。

  4、铂系金属都有一个特性,即很高的催化活性,金属细粉的催化活性尤其大。大多数铂系金属能吸收气体,特别是氢气。锇吸收氢气的能力最差,钯吸收氢气的能力最强。常温下,钯溶解氢的体积比为1:700,在真空中把金属加热到373K,溶解的氢就完全放出。氢在铂中的溶解度很小,但铂溶解氧的本领比钯强,钯吸收氧的体积比为1:0.07,而铂溶解氧的体积比为1:70。铂系金属吸收气体的性能是与它们的高度催化性能有密切关系的。

  5、铂系金属和铁系金属一样,都容易形成配位化合物。铂系金属易形成配位化合物,如K4[Ru(CN)6]·3H2O、K3[OsCl6]、[Ru(NH3)6]X3。化学惰性、难熔和催化活性是铂系元素的特性。都是稀有金属,在自然界主要以元素状态存在,分散于各种矿石中。也有极少量的以硫化物等形式存在于铜矿中,所以电解冶炼铜的阳极泥可用来提取铂族元素。

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