# 过渡金属及其化学性质 > Edexcel 国际 A-Level 化学 · IAL > 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u5-transition-metals-and-their-chemistry/ 本指南覆盖Edexcel IAL 化学第5单元过渡金属部分的全部考点，包含电子排布、配离子性质、氧化还原反应、特征实验现象和催化相关内容，助力你备考WCH15科目考试。 **先修:** [氧化还原反应与标准电极电势（Edexcel IAL U2）](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u2-redox-electrode-potentials/); [化学键与物质结构（Edexcel IAL U1）](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u1-bonding-structure/) ## 学习目标 - 定义过渡金属，写出第4周期d区原子和对应离子的电子排布式 - 解释配离子形成、d轨道分裂以及过渡金属配合物显色的成因 - 识记并预测过渡金属离子与NaOH、NH₃及配体交换试剂反应的实验现象 - 利用标准电极电势解读钒和铬化合物的氧化还原互变规律 - 区分多相催化、均相催化和自催化，列举指定工业和实验室实例 - 写出过渡金属去质子化、配体交换和氧化还原反应的配平离子方程式 ## 1. 过渡金属入门 **过渡金属** — 一类d区元素，至少能形成一种d亚层未充满电子的稳定离子。 对于第4周期d区元素（Sc到Zn），电子填充时4s亚层优先于3d亚层填充，但形成正离子时4s电子永远最先失去。注意两个电子排布特例：Cr的电子构型为$[Ar]4s^13d^5$，Cu的电子构型为$[Ar]4s^13d^{10}$，半满和全满的d亚层具有额外稳定性。Sc和Zn属于d区元素但不属于过渡金属，相关解释可参考常见问题部分。 **例题:** 写出Fe³⁺离子的完整电子排布式。 1. 1. 先写出中性Fe原子的电子构型：$[Ar]4s^23d^6$ 2. 2. 形成离子时优先失去4s电子：先从4s亚层失去2个电子，再从3d亚层失去1个电子，得到+3价离子 3. 3. 最终电子构型：$[Ar]3d^5$ > **tip** > > 书写过渡金属离子电子排布时，务必先失去4s电子再失去3d电子。这是过渡金属考题中最容易失分的考点之一。 **概念自测** 1. 下列物种中属于过渡金属的是？ - A) Zn - B) Sc - C) Cu - D) Ca *解析:* Cu可以形成Cu²⁺离子，其3d亚层为未充满的$3d^9$构型，符合过渡金属定义。Zn仅形成Zn²⁺（$3d^{10}$，全满），Sc仅形成Sc³⁺（$3d^0$，全空），Ca属于s区元素。 ## 2. 配离子与显色原理 **配离子** — 中心金属离子被多个配体通过配位共价键环绕形成的带电物种。配离子总电荷等于中心金属的氧化态加上所有配体的电荷总和。 配体按照配位数（单个配体提供的孤对电子数量）分类：单齿配体例如$H_2O$、$OH^-$、$NH_3$、$Cl^-$，双齿配体例如乙二胺（en），六齿配体例如$EDTA^{4-}$。配位数决定配合物的空间构型：配位数为6的配合物为八面体构型（对应$H_2O$这类小体积配体），配位数为4且配体体积较大（如$Cl^-$）时为四面体构型，平面正方形构型的典型实例包括抗癌药物顺铂。 过渡金属配合物显色的本质是配体将3d轨道分裂为两个不同的能级。可见光的能量被吸收，使电子从低能级d轨道跃迁到高能级d轨道。未被吸收的对应波长的光被透射出来，就是我们观察到的配合物颜色。d亚层为$d^0$或$d^{10}$构型的离子是无色的，因为不存在可跃迁的电子或者没有空轨道接受电子跃迁。 **例题:** 解释为什么$[Cu(H_2O)_6]^{2+}$呈蓝色，而$[Zn(H_2O)_6]^{2+}$是无色的。 1. 1. $Cu^{2+}$的电子构型为$[Ar]3d^9$，d亚层未充满电子。 2. 2. 水分子配体将Cu的3d轨道分裂为两个不同能级。电子跃迁会吸收红橙波段的可见光，蓝光被透射出来，因此溶液呈现蓝色。 3. 3. $Zn^{2+}$的电子构型为$[Ar]3d^{10}$，d亚层全充满电子，没有空的d轨道可供电子跃迁，因此不会吸收可见光，溶液为无色。 > **warning** > > 配合物的特征颜色不会在考试数据手册中给出，你必须熟记考纲要求的所有配合物的准确颜色。 ## 3. 过渡金属离子的反应 你需要熟记$Cr^{3+}$、$Mn^{2+}$、$Fe^{2+}$、$Fe^{3+}$、$Co^{2+}$、$Ni^{2+}$、$Cu^{2+}$、$Zn^{2+}$与$NaOH(aq)$和$NH_3(aq)$反应的实验现象（颜色、沉淀生成、过量试剂中的溶解性）。反应分为两类：去质子化（氢氧根从水配体上夺走$H^+$，生成难溶的氢氧化物沉淀）和配体交换（过量氨分子替换水配体，生成可溶性配合物）。 **例题:** 写出$[Cu(H_2O)_6]^{2+}$与(a)少量$NaOH(aq)$、(b)过量$NH_3(aq)$反应的配平离子方程式，并描述对应实验现象。 1. (a) 少量$NaOH$：去质子化反应 2. $$[Cu(H_2O)_6]^{2+}(aq) + 2OH^-(aq) \rightarrow Cu(H_2O)_4(OH)_2(s) + 2H_2O(l)$$ 3. 实验现象：生成浅蓝色沉淀 4. (b) 过量$NH_3$：先发生去质子化，随后发生配体交换 5. $$Cu(H_2O)_4(OH)_2(s) + 4NH_3(aq) \rightarrow [Cu(NH_3)_4(H_2O)_2]^{2+}(aq) + 2H_2O(l) + 2OH^-(aq)$$ 6. 实验现象：浅蓝色沉淀完全溶解，生成深蓝色溶液 > **mnemonic** > > 常见铜配合物颜色助记：*蓝*色六水合铜、*黄*色四氯合铜、*深*蓝色四氨合铜 → 蓝黄深，对应铜的三类特征配合物。 铬酸根和重铬酸根存在pH依赖的平衡：$Cr_2O_7^{2-}$（橙色，酸性条件）⇌ $2CrO_4^{2-}$（黄色，碱性条件）。完整平衡方程式为：$Cr_2O_7^{2-}(aq) + H_2O(l) \rightleftharpoons 2CrO_4^{2-}(aq) + 2H^+(aq)$。 ## 4. 过渡金属的氧化还原反应 过渡金属存在多种可变氧化态，因此可以参与大量不同的氧化还原反应。考试数据手册中提供的标准电极电势（$E^o$）可用于判断氧化还原反应的自发性：$E^o_{cell}$为正值代表反应在标准条件下可以自发进行。 钒有四种常见氧化态：+5价（$VO_2^+$，黄色）、+4价（$VO^{2+}$，蓝色）、+3价（$V^{3+}$，绿色）、+2价（$V^{2+}$，紫色）。酸性条件下的锌可以将钒从+5价逐步还原到+2价。对于铬元素：橙色的$Cr_2O_7^{2-}$可以被还原为绿色的$Cr^{3+}$，进一步还原得到淡蓝色的$Cr^{2+}$。在碱性条件下使用$H_2O_2$可以将$Cr^{3+}$氧化为黄色的$CrO_4^{2-}$。 **例题:** 利用$E^o$数值判断$Fe^{3+}$能否将$V^{2+}$氧化为$V^{3+}$。已知：$E^o(V^{3+}/V^{2+}) = -0.26 V$，$E^o(Fe^{3+}/Fe^{2+}) = +0.77 V$。 1. 1. 计算总$E^o_{cell}$：$E^o_{cell} = E^o(氧化半反应) + E^o(还原半反应) = +0.26 V + 0.77 V = +1.03 V$ 2. 2. $E^o_{cell}$为正值，说明该反应在标准条件下可以自发进行。 3. 3. $Fe^{3+}$被还原为$Fe^{2+}$，同时$V^{2+}$被氧化为$V^{3+}$。 > **考试提示** > > 书写$E^o_{cell}$数值时必须带上正负号，负号代表反应在标准条件下无法自发进行。 ## 5. 过渡金属的催化作用 **催化作用** — 催化剂参与反应提供活化能更低的新反应路径，加快反应速率且自身反应前后不被消耗的过程。 - **多相催化**：催化剂与反应物处于不同物相，例如接触法制备硫酸中使用的固体$V_2O_5$，汽车尾气催化转换器中的铂/铑固体催化剂。 - **均相催化**：催化剂与反应物处于同一物相，例如水溶液中的$Fe^{2+}$催化$I^-$和$S_2O_8^{2-}$之间的反应。 - **自催化**：反应自身的产物作为催化剂，例如$Mn^{2+}$催化酸性条件下$MnO_4^-$和$C_2O_4^{2-}$之间的反应。 **例题:** 解释为什么在酸性高锰酸钾和乙二酸的反应中$Mn^{2+}$可以作为自催化剂。 1. 1. 总反应方程式为：$2MnO_4^-(aq) + 16H^+(aq) + 5C_2O_4^{2-}(aq) \rightarrow 2Mn^{2+}(aq) + 10CO_2(g) + 8H_2O(l)$ 2. 2. 反应初始速率很慢，因为两个带负电的反应物离子相互排斥，反应活化能很高。 3. 3. 随着产物$Mn^{2+}$生成，它作为均相催化剂提供活化能更低的新反应路径，因此随着$Mn^{2+}$浓度升高，反应速率逐渐加快。 4. 4. 该过程属于自催化，因为催化剂本身就是反应的产物。 ## 常见错误 - **错误做法:** 将$Fe^{2+}$的电子排布错误写为$[Ar]4s^23d^4$ - 原因: 过渡金属形成离子时必须优先失去4s轨道的电子，再失去3d轨道的电子。 - 正确做法: $Fe^{2+}$的正确电子构型为$[Ar]3d^6$，2个电子全部从4s亚层失去。 - **错误做法:** 将Sc和Zn归类为过渡金属 - 原因: Sc仅能形成$Sc^{3+}$（$3d^0$，d轨道全空），Zn仅能形成$Zn^{2+}$（$3d^{10}$，d轨道全满），二者都不符合过渡金属的定义。 - 正确做法: 明确说明Sc和Zn属于d区元素，但不属于过渡金属。 - **错误做法:** 计算配离子总电荷时出现错误 - 原因: 配离子总电荷 = 中心金属氧化态 + 所有配体的电荷总和。 - 正确做法: 配体交换反应后务必重新计算总电荷，例如$[CuCl_4]^{2-}$的总电荷 = $+2 + 4(-1) = -2$。 - **错误做法:** 将配合物显色的成因错误解释为电子从高能级轨道回落时发射出光 - 原因: 过渡金属配合物的颜色来自d电子跃迁时未被吸收的透射光，而非电子回落时发射的光。 - 正确做法: 明确说明吸收的光能量与分裂后d轨道的能级差匹配，未被吸收的透射光就是观察到的配合物颜色。 - **错误做法:** 混淆多相催化和均相催化的定义 - 原因: 多相催化剂与反应物处于不同物理状态，均相催化剂与反应物处于相同物理状态。 - 正确做法: 接触法中固体$V_2O_5$和气态反应物属于多相催化；$Fe^{2+}$催化水溶液中的反应物属于均相催化。 - **错误做法:** 错误认为顺铂的空间构型为四面体 - 原因: 顺铂为平面正方形结构，该结构可以结合DNA分子，阻止癌细胞的复制过程。 - 正确做法: 明确指出顺铂是配位数为4的平面正方形配合物，用作抗癌药物。 ## 速查表 | 关键配合物/离子 | 金属氧化态 | 颜色 | 备注 | | --- | --- | --- | --- | | $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ | +2 | 浅蓝色 | 六水合铜(II) | | $[Cu(NH_3)_4(H_2O)_2]^{2+}$ | +2 | 深蓝色 | 过量$NH_3$反应产物 | | $[CuCl_4]^{2-}$ | +2 | 黄色 | 浓盐酸配体交换产物 | | $VO_2^+$ | +5 | 黄色 | 钒(V) | | $VO^{2+}$ | +4 | 蓝色 | 钒(IV) | | $V^{3+}$ | +3 | 绿色 | 钒(III) | | $V^{2+}$ | +2 | 紫色 | 钒(II) | | $Cr_2O_7^{2-}$ | +6 | 橙色 | 酸性条件下的铬(VI) | | $CrO_4^{2-}$ | +6 | 黄色 | 碱性条件下的铬(VI) | | $[Fe(H_2O)_6]^{3+}$ | +3 | 黄色/淡紫色 | 六水合铁(III) | ## 下一步 掌握Edexcel IAL 化学第5单元的过渡金属化学内容后，你可以继续学习第5单元的第二部分：有机含氮化学，涵盖胺、酰胺、氨基酸和聚合物相关知识，这部分占WCH15考试剩余50%的分值。你还需要完成过渡金属相关的历年真题练习，巩固配合物颜色、反应现象和配平方程式的记忆，这些都是高频高分考点。确保你熟练掌握标准电极电势的计算，这类知识点经常和过渡金属氧化还原结合出题。最后复习CP14过渡金属配合物制备实验，实验类题目约占第5单元试卷总分的15%。 --- 来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u5-transition-metals-and-their-chemistry/