資源簡介

第VIII族元素性質研究
盈江縣第一中學 王應升
摘要：第VIII族元素在周期表中是特殊的一族，它包括8、9、10三個縱行4、5、6三個周期的九種元素，它們是鐵、鈷、鎳、釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑。本文分別從結構，物理性質，化學性質及用途等幾個方面介紹了第VIII族元素。
關鍵詞：VIII族 物理性質 化學性質 用途
第VIII族元素在周期表中位置的特殊性與它們之間性質的類似和遞變關系相聯系的。在九種元素中，雖然也存在著一般的垂直相似性，如鐵、釕、鋨，但水平相似性則更為突出。如鐵、鈷、鎳。因此，為了便于研究，通常把這九種元素分成兩組，把位于第4周期的鐵、鈷、鎳三種元素稱為鐵系元素，其余六種元素則稱為鉑系元素。由于鑭系收縮的緣故，位于第5周期的釕、銠、鈀與位于第6周期的鋨、銥、鉑非常相似而與第4周期的鐵、鈷、鎳差別較大。鉑系元素被列為稀有元素，和金、銀一起稱為貴金屬。
1.鐵系元素
鐵、鈷、鎳三種元素的最外層都有兩個4s電子，只是次外層的3d電子數不同，分別為6、7、8，它們的原子半徑十分相似，所以它們的性質很相似。
由于第一過渡系列元素原子的電子填充過渡到第Ⅷ族時，3d電子已經超過5個，所以它們的價電子全部參加成鍵的可能性減少，因而鐵系元素已經不再呈現出與族序數相當的最高正化合價。一般條件下，鐵的常見化合價是+2和+3，與強氧化劑作用，鐵可以生成不穩定的+6高鐵酸鹽。鈷和鎳的常見化合價都是+2，與強氧化劑作用，鈷可以生成不穩定的+3化合物，而鎳的+3化合價則少見。
下面從物理性質、化學性質、用途三個方面來介紹鐵系元素。
1.1物理性質
鐵系元素的原子半徑、離子半徑、電離勢等性質基本上隨原子序數的增加而有規律地變化。鐵、鈷、鎳的EΘ（M2+ / M）均為負值，活潑性按鐵——鈷——鎳順序遞減，都溶于稀酸[1]。鎳的相對原子質量比鈷小，這是因為鎳的同位素中質量數小的一種占的比例大。鐵系元素單質都是具有金屬光澤的白色金屬。鈷略帶灰色。它們的密度都比較大，熔點也比較高，它們的熔點隨原子序數的增加而降低，這是因為3d軌道中成單電子數按Fe、Co、Ni的順序依次減少(4、3、2)，金屬鍵依次減弱的緣故。鈷比較硬而脆，鐵和鎳卻有很好的延展性。它們都表現有鐵磁性，它們的合金是很好的磁性材料。
1.2化學性質
由鐵系元素的標準電極電勢看，它們都是中等活潑的金屬。它們的化學性質表現在以下幾個方面：
1.2.1在堿性介質中，鐵的最穩定化合價是+3、而鈷和鎳的最穩定化合價仍是+2；在堿性介質中把低化合價的鐵、鈷、鎳氧化為高化合價比在酸性介質中容易。低化合價氫氧化物的還原性Fe(OH)2 Co(OH)2、Ni(OH)2的順序依次降低。例如：向Fe（Ⅱ）的溶液中加入堿，能生成白色的Fe(OH) 2的沉淀，但空氣中的氧立即把白色的Fe(OH)2氧化成紅褐色的Fe(OH)3沉淀；在同樣條件下生成的粉紅色的Co(OH) 2則比較穩定，但在空氣中放置，也能緩慢地被空氣中的氧氧化成棕褐色的Co(OH) 3；而在同樣條件下生成的綠色的Ni(OH) 2最穩定，根本不能被空氣中的氧所氧化。由此可見，Fe(OH)2的還原性最強，也最不穩定，Ni(OH)2的還原性最差，也最穩定。這是由它們在堿性介質中的標準電極電勢的大小決定的。
1.2.2鐵系元素易溶于稀酸中，只有鈷在稀酸中溶解得很慢。它們遇到濃硝酸都呈“鈍態”。鐵能被熱的濃堿液侵蝕，而鈷和鎳在堿溶液中的穩定性比鐵高。
1.2.3在沒有水存在時，一般溫度下，鐵系元素與氧、硫、氯、磷等非金屬幾乎不起作用，但在高溫下卻可發生反應。
1.3用途
鐵、鈷、鎳主要用于制造合金。鐵是重要的基本結構材料，鐵合金用途廣泛。鈷的合金具有很高的硬度，鎳是不銹鋼的主要成分之一，由于鎳不與強堿作用，實驗室中常用鎳坩堝熔融堿性物質。鎳粉還可做氫化反應的催化劑。
2．鉑系元素
鉑系元素包括第VIII族元素釘(Ru)，銠(Rh)，鈀(Pd)，鋨(Os)，銥(Ir)，鉑(Pt)。都是稀有金屬，幾乎完全以單質狀態存在，高度分散在各種礦石中，并共生在一起。從鉑系元素原子的價電子結構來看，除鋨和銥有2個s電子外，其余都只有1個s電子或沒有s電子。
　　形成高化合價的傾向從左向右(由釕到鈀，由鋨到鉑)逐漸降低。這一點和鐵系元素是一樣的。和其它各副族的情況一樣，鉑系元素的第6周期各元素形成高化合價的傾向比第5周期相應各元素大。其中只有釕和鋨表現出了與族序數相一致的+8化合價。
　　我們從物理性質、化學性質、用途三個方面來介紹鉑系元素。
2.1物理性質
　　鉑系元素除鋨呈藍灰色外，其余都是銀白色的。從金屬單質的密度看，鉑系元素又可分為兩組：第5周期的釕、銠、鈀的密度約為12g·cm-3，稱為輕鉑金屬；第6周期的鋨、銥、鉑的密度約為22g·cm-3，稱為重鉑金屬。
　　鉑系元素都是難熔金屬，輕鉑金屬和重鉑金屬的熔、沸點都是從左到右逐漸降低。這六種元素中，最難熔的是鋨，最易熔的是鈀。熔沸點的這種變化趨勢與鐵系金屬相似，這也是因為nd軌道中成單電子數從左到右逐漸減少(釕、銠、鈀分別為3、2、0；鋨、銥、鉑分別為4、3、1)，金屬鍵逐漸減弱的緣故[2]。
　　在硬度方面，釕和鋨的特點是硬度高并且脆，因此不能承受機械處理。銠和銥雖可以承受機械處理，但也很困難。鈀和鉑，尤其是鉑，極易承受機械處理，純凈的鉑具有高度的可塑性。將鉑冷軋，可以制得厚度為0.0025mm的箔。
2.2化學性質
鉑系金屬的化學性質表現在以下幾個方面：
2.2.1鉑系金屬對酸的化學穩定性比所有其它各族金屬都高。釕和鋨，銠和銥對酸的化學穩定性最高，不僅不溶于普通強酸，也不溶于王水中。鈀和鉑都能溶于王水，鈀還能溶于硝酸(稀硝酸中溶解慢，濃硝酸中溶解快)和熱硫酸中。
2.2.2在有氧化劑存在時，鉑系金屬與堿一起熔融，都可以轉變成可溶性的化合物。
2.2.3鉑系金屬不和氮作用。室溫下對空氣、氧等非金屬都是穩定的，不作用。高溫下才能與氧、硫、磷、氟、氯等非金屬作用，生成相應的化合物。室溫下只有粉狀的鋨在空氣中會慢慢地被氧化，生成揮發性的四氧化鋨OsO4，OsO4的蒸氣沒有顏色，對呼吸道有劇毒，尤其有害于眼睛，會造成暫時失明。
2.2.4鉑系金屬都有一個特性，即很高的催化活性，金屬細粉的催化活性尤其大。大多數鉑系金屬能吸收氣體，特別是氫氣。鋨吸收氫氣的能力最差，鈀吸收氫氣的能力最強。常溫下，鈀溶解氫的體積比為1：700，在真空中把金屬加熱到373K，溶解的氫就完全放出。氫在鉑中的溶解度很小，但鉑溶解氧的本領比鈀強，鈀吸收氧的體積比為1：0.07，而鉑溶解氧的體積比為1：70。鉑系金屬吸收氣體的性能是與它們的高度催化性能有密切關系的。
2.2.5鉑系金屬和鐵系金屬一樣，都容易形成配位化合物。鉑系金屬易形成配位化合物，如K4[Ru(CN)6]·3H2O、K3[OsCl6]、[Ru(NH3)6]X3。化學惰性、難熔和催化活性是鉑系元素的特性。都是稀有金屬，在自然界主要以元素狀態存在，分散于各種礦石中。也有極少量的以硫化物等形式存在于銅礦中，所以電解冶煉銅的陽極泥可用來提取鉑族元素。
2..3用途
鉑系金屬的主要用途是做催化劑。也有別的用途，如鉑電極、鉑蒸發皿的制造。鉑和鉑銠合金用作熱電偶。粉末狀的鈀是有機化學加氫反應中的催化劑。cis-PtCl2(NH3)2和[RuCl(NH3)5]Cl2有抗癌性能等。
參考文獻：
[1] 傅獻彩主編.《大學化學（下冊）》 第一版 高等教育出版社 1999
[2]北京師范大學等校編. 《無機化學（上冊）》 第三版，北京；高等教育出版社，1993
[3]周公度，段連運編著，《結構化學基礎》 第二版，北京；高等教育出版社，1995

展開更多......

收起↑