# d区元素和过渡金属

> IB 化学 HL · IB 化学 HL 2025+
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u3-d-block-elements-and-transition/

本模块阐明了d区元素和过渡金属之间的关键区别，涵盖了IB HL化学考查的核心特征性质，并解释了该基础无机考点中常见的考试问题。

**先修:** [电子构型和亚壳层结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chem-hl-u2-electron-configuration/); [周期表结构和周期性趋势](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chem-hl-u3-periodic-trends/)

## 学习目标

- 区分d区元素和过渡金属
- 陈述并解释过渡金属的特征性质
- 解释过渡金属离子显色的原因
- 判断化合物中过渡金属的氧化态

## 定义：d区元素 vs 过渡金属

**d区元素** — 位于元素周期表第3族到第12族之间，最高能量电子占据d轨道的元素。价电子同时占据最外层s轨道和内层d轨道。

*例:* 第四周期中钪（Z=21）到锌（Z=30）都是d区元素

**过渡金属** — 至少能形成一种具有部分填充d亚壳层稳定离子的d区元素，排除所有稳定离子d亚壳层全满或全空的d区元素。

*例:* 铁是过渡金属；钪和锌不是

**例题:** 判断Sc（Z=21）、Fe（Z=26）、Zn（Z=30）中哪些是过渡金属，解释你的答案。

1. 写出中性原子的电子构型（4s先于3d填充）：
2. $$Sc: [Ar] 3d^1 4s^2 \\ Fe: [Ar] 3d^6 4s^2 \\ Zn: [Ar] 3d^{10} 4s^2$$
3. 写出最稳定离子的构型：4s电子先失去：
4. $$Sc^{3+}: [Ar] 3d^0 \\ Fe^{2+}: [Ar] 3d^6, Fe^{3+}: [Ar] 3d^5 \\ Zn^{2+}: [Ar] 3d^{10}$$
5. 检查是否存在具有部分填充d亚壳层的稳定离子：Sc只形成$Sc^{3+}$（d全空），Zn只形成$Zn^{2+}$（d全满）。Fe的多种稳定离子都具有部分填充的d亚壳层。
6. 结论：只有Fe是过渡金属。

> **考试提示:** 分类过渡金属时，一定要检查稳定离子的d轨道构型，而非中性原子的。

## 特征性质：可变氧化态

过渡金属具有多种区别于主族金属的独特性质，这些性质都来源于部分填充的低能量d亚壳层，其中最基础的就是可变氧化态。

**可变氧化态** — 能够形成不同氧化数稳定化合物的能力，由最外层s轨道和内层d轨道能量相近导致，因此可以失去或共用不同数量的电子。

*例:* 锰具有从+2到+7的稳定氧化态

**例题:** 计算$[Fe(CN)_6]^{3-}$中Fe和$KMnO_4$中Mn的氧化态。

1. 对于$[Fe(CN)_6]^{3-}$：每个$CN^-$配体带-1电荷，设x = Fe的氧化态：
2. $$x + (6 \times -1) = -3 \implies x = +3$$
3. 对于$KMnO_4$：K = +1，每个O = -2，整体化合物电中性：
4. $$+1 + x + (4 \times -2) = 0 \implies x = +7$$
5. 答案：Fe = +3，Mn = +7

- 形成有色离子
- 形成络离子
- 催化活性
- 未成对d电子产生顺磁性

## 过渡金属离子显色的原因

当过渡金属离子被配体（带孤对电子的负离子或中性分子）包围时，5个简并（能量相等）的d轨道会分裂为两组能量不同的轨道，这称为d轨道分裂。

> **info**
>
> 当可见光穿过该离子溶液时，特定波长的光子被吸收，使电子从低能量d轨道激发到高能量d轨道（即d-d跃迁）。我们观察到的颜色是被透射的、吸收光的互补色。

**例题:** 解释为什么硫酸铜水溶液是蓝色，而硫酸锌水溶液是无色的。

1. 写出每个金属离子的电子构型：
2. $$Cu^{2+}: [Ar] 3d^9 \\ Zn^{2+}: [Ar] 3d^{10}$$
3. 水配体使$Cu^{2+}$的3d轨道分裂。$Cu^{2+}$具有部分填充的d亚壳层，因此可以发生d-d跃迁。可见光中的红光被吸收，互补的蓝光被透射，使溶液呈现蓝色。
4. $Zn^{2+}$的d亚壳层全充满，没有空的更高能量d轨道可供电子跃迁，因此无法发生d-d跃迁，没有可见光被吸收，所以溶液无色。

> **考试提示:** 解释题要拿满分，你必须提到配体诱导分裂和互补透射光。

## 过渡金属的催化活性

过渡金属及其化合物是极其常见的工业和生物催化剂，原因有两个关键：

- 它们可以利用部分填充的d轨道在金属表面与反应物分子形成临时键（多相催化）
- 可变氧化态让它们可以参与反应步骤，提供另一条更低活化能的路径（均相催化）

- 哈伯法：铁催化剂
- 接触法：$V_2O_5$催化剂
- 分解$H_2O_2$：$MnO_2$催化剂

**概念自测**

检验你的理解

1. 下列哪个说法是正确的？

   - 所有d区元素都是过渡金属
   - 钪是过渡金属，因为中性钪有部分填充的d轨道
   - 过渡金属具有可变氧化态，因为4s和3d轨道能量相近
   - 所有过渡金属离子都是有色的

   *答案:* 过渡金属具有可变氧化态，因为4s和3d轨道能量相近

   *解析:* 正确！4s和3d轨道能量相近，允许失去不同数量的电子，因此产生可变氧化态。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为钪是过渡金属，因为中性钪有部分填充的d轨道
  - 原因: 过渡金属的定义基于稳定离子的电子构型，而非中性原子的构型
  - 正确做法: 钪只形成$Sc^{3+}$，其3d亚壳层全空，因此它不是过渡金属
- **错误做法:** 声称观察到的颜色来自激发电子发射的光
  - 原因: IB考官要求你将颜色归因于吸收后透射的互补光，而非发射
  - 正确做法: 特定波长的可见光被d-d跃迁吸收，观察到的颜色是透射的互补光
- **错误做法:** 书写过渡金属离子构型时，先失去3d电子再失去4s电子
  - 原因: 3d轨道开始填充后，4s的能量变得更高，因此电子先从4s失去
  - 正确做法: 书写过渡金属离子电子构型时，总是先失去4s电子
- **错误做法:** 声称所有d区元素都能形成有色离子
  - 原因: 只有过渡金属（具有部分填充d轨道离子）才能发生吸收可见光的d-d跃迁
  - 正确做法: 钪、锌这类非过渡d区元素只能形成无色离子

## 速查表

| 类别 | d区元素 | 过渡金属 |
| --- | --- | --- |
| 定义 | 最高能量电子在d轨道；第3-12族 | 至少有一个稳定离子具有部分填充d亚壳层的d区元素 |
| 第四周期数量 | 共10种（钪到锌） | 10种中的8种 |
| 例外 | 不适用 | 钪（只有$Sc^{3+}: 3d^0$），锌（只有$Zn^{2+}: 3d^{10}$） |
| 可变氧化态 | 不适用（仅过渡金属才有） | 有，源于4s/3d能量相近 |
| 有色离子 | 仅过渡金属才有 | 有（具有部分填充d亚壳层的离子） |
| 催化活性 | 不适用 | 有，源于可变氧化态和d电子 |

## 下一步

理解d区元素和过渡金属是无机化学的基础，它支撑着IB HL化学中所有更高级的过渡金属内容。该主题直接关联配位化学，你将在配位化学中探索配体成键、晶体场分裂和络离子反应，这是仅HL要求的重要考点，经常在Paper 2和3中考查。它也与氧化还原化学密切相关，因为可变氧化态使过渡金属成为氧化还原滴定和电化学电池问题的核心，这些内容在Paper 1和2中都很常见。掌握这里的核心定义可以确保你在IB考试中众多基于定义的简答题上拿到满分。

- [酸碱分类：布朗斯特-劳里和路易斯](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u3-acid-base-classification-bronsted-lowry/)
- [盐与缓冲溶液](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u3-salts-and-buffer-solutions/)
- [AHL: 扩展周期性规律](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u3-ahl-extended-periodic-trends/)

---

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/ib-chemistry-hl-u3-d-block-elements-and-transition/