化学中第八族为什么这么特别?

Question

化学中第八族为什么这么特别?

Answer 1

第VIII族的三个纵行的元素性质相似,所以列为一族.
第VIII族元素在周期系中是特殊的一族,它包括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.
第VIII族元素在周期系中位置的特殊性是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,但水平相似性如铁、
钴、镍则更为突出.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.
1.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数相当的最高
氧化态.
一般条件下,铁的常见氧化态是+2和+3,与强氧化剂作用,铁可以生成不稳定的+6氧化
态的高铁酸盐.
一般条件下,钴和镍的常见氧化态都是+2,与强氧化剂作用,钴可以生成不稳定的+3氧
化态,而镍的+3氧化态则少见.
我们从物理性质、化学性质、用途三个方面来介绍铁系元素的通性.
⑴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.但镍的原子量比钴小,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,这可能是因为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.
2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在酸性溶液中,Fe、Co和Ni分别是铁、钴、镍离子的最稳定状态.空气中的氧能把酸
性溶液中的Fe氧化成Fe,但是不能氧化Co和Ni成为Co和Ni.
由值看出,高氧化态的铁（Ⅵ）、钴（Ⅲ）、镍（Ⅳ）在酸性溶液中都是很强的氧化剂
.
②在碱性介质中,铁的最稳定氧化态是+3、而钴和镍的最稳定氧化态仍是+2； 在碱性介
质中把低氧化态的铁、钴、镍氧化为高氧化态比在酸性介质中容易.低氧化态氢氧化物
的还原性按Fe(OH)2、Co(OH)2、Ni(OH)2的顺序依次降低.
例如：向Fe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氧化成红棕色的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.
③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.
④在没有水汽存在时,一般温度下,铁系元素与氧、硫、氯、磷等非金属几乎不起作用
,但在高温下却发生猛烈反应.
⑶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.