过渡金属（元素周期表中d区的一系列金属元素）

过渡金属

元素周期表中d区的一系列金属元素

过渡元素是指元素周期表中d区的一系列金属元素，又称过渡金属。一般来说，这一区域包括3到12一共十个族的元素，但不包括f区的内过渡元素。

定义

过渡元素是指元素周期表中d区的一系列金属元素，又称过渡金属。

一般来说，这一区域包括3到12一共十个族的元素，但不包括f区的内过渡元素。“过渡元素”这一名词首先由门捷列夫提出，用于指代8、9、10三族元素。他认为从碱金属到锰族是一个“周期”，铜族到卤素又是一个，那么夹在两个周期之间的元素就一定有过渡的性质。这个词虽然还在使用，但已失去了原意。过渡金属元素的一个周期称为一个过渡系，第4、5、6周期的元素分别属于第一、二、三过渡系。

性质

过渡金属由于具有未充满的价层d轨道，基於十八電子規則，性质与其他元素有明显差别。

由于这一区很多元素的电子构型中都有不少单电子（锰这一族尤为突出，d5构型），较容易失去，所以这些金属都有可变价态，有的（如铁）还有多种稳定存在的金属离子。过渡金属最高可以显+7（锰）、+8（锇）氧化态，前者由于单电子的存在，后者由于能级太高，价电子结合的较为松散。高氧化态存在于金属的酸根或酰基中（如：VO43−钒酸根，VO22+钒酰基）。

对于第一过渡系，高氧化态经常是强氧化剂，并且它们都能形成有还原性的二价金属离子。对于二、三过渡系，由于原子半径大、价电子能量高的原因，低氧化态很难形成，其高氧化态也没有氧化性。同一族的二、三过渡系元素具有相仿的原子半径和相同的性质，这是由于镧系收缩造成的。

由于空的d轨道的存在，过渡金属很容易形成配合物。金属元素采用杂化轨道接受电子以达到16或18电子的稳定状态。当配合物需要价层d轨道参与杂化时，d轨道上的电子就会发生重排，有些元素重排后可以使电子完全成对，这类物质称为反磁性物质。相反，当价层d轨道不需要重排，或重排后还有单电子时，生成的配合物就是顺磁性的。反磁性的物质没有颜色，而顺磁性的物质有颜色，其颜色因物质而异，甚至两种异构体的颜色都是不同的。一些金属离子的颜色也是有单电子的缘故。

大多数过渡金属都是以氧化物或硫化物的形式存在于地壳中，只有金、银等几种单质可以稳定存在。

最典型的过渡金属是4-10族。铜一族能形成配合物，但由于d10构型太稳定，最高价只能达到+3。靠近主族的稀土金属只有很少可变价态。12族元素只有汞有可变价态，锌基本上就是主族金属。由于性质上的差异，有时铜、锌两族元素并不看作是过渡金属，这时铜锌两族合称ds区元素。

成色原因

一般来说，未成对的电子相对于成对电子更容易吸收能量发生跃迁，因此我们遇到的大多数有色物质都是含有未成对电子的，如Fe3+，Cu2+等。另一方面，由于有相当一部分物质的电子跃迁所产生的电磁波在可见光范围之外，因此往往表现为无色透明或是白色。而我们注意到过渡金属离子具有丰富的颜色，因为它们正好同时符合上述两个条件：

含有未成对的电子d电子轨道能级分裂后的轨道间能量差正好落在可见光能量范围之内常见的过渡金属离子往往以配合物的形式存在，水合物、氨合物、氰合物等等。它们在形成配合物的过程中常常伴随着d轨道能级分裂，这与配合物的构型、配体本身的性质有关。

d电子本来有五个能量相等的轨道：dxy dyz dzx dx2-y2 dz2。其中前三个与坐标轴成45度夹角，dx2-y2在x-y平面上并与坐标轴方向一致，dz2成带环哑铃状，延z轴延伸。这五种轨道在形成配合物的过程中会不同程度的受到配体的影响与限制。例如：考虑配位数为6的八面体配位构型水合物，由于配体正好位于中心离子的三个坐标轴方向上，即与x2-y2 dz2的延展方向相冲突，那么中心离子的这两个d轨道受到配体负电荷的斥力，能量升高明显；

而另外3个d轨道方向与配体相错开，能量变化相对dx2-y2dz2要小得多；于是中心离子的d轨道就能级分裂为两组：相对高能的dx2-y2 dz2，和相对低能的dxy dyz dzx，而他们的能量差（约在1.99·10-19J和5.96·10-19J之间）能够部分落在可见光范围（5.5·10-19和3.0·10-19之间）内。d电子很容易在这两组轨道间跃迁，而产生人眼能感觉到的色光。

常见的过渡金属离子颜色产生差异的原因有以下几种：

1、金属原子种类不同

2、金属原子种类相同而价态不同

3、金属离子的配体不同

4、金属离子的配位方式不同

5、形成金属－金属键

意义

过渡金属催化剂或是生命起源的关键

要解释生命如何在地球上出现这个悬而未决的大问题，就像是回答先有鸡还是先有蛋的悖论：诸如氨基酸和核苷酸这样的基本生化物质，是如何在生物催化剂（蛋白质或核酶）出现之前而完成其构造的？在最新一期《生物学通报》上，科学家发表论文指出，或是第三种类型的催化剂启动了深海热泉中的新陈代谢以及生命。

根据美国乔治梅森大学的哈罗德·莫洛维兹和维加亚萨拉斯·斯里尼瓦桑及圣达菲研究所的埃里克·史密斯提出的模型，包含过渡金属元素（铁、铜、镍等）和配体（小有机分子）的分子结构，可以催化基本生化物质（单体）的合成。单体是更加复杂的分子的基本构造模块，最终导致了生命的起源。

莫洛维兹表示，在过去的50年里，生命起源理论研究中一直存在着一个大问题，那就是“你需要大蛋白分子作为催化剂来形成单体，但你又需要单体来制作催化剂”。对此问题，莫洛维兹提出的解释是，可从这些小的金属配体催化剂入手，从而制造出用以形成大蛋白催化剂的单体。

过渡金属原子作为金属配体复合物的核心，必定被其他配体包围着。莫洛维兹和他的同事提出，深海热泉中简单的过渡金属配体复合物可催化产生更复杂分子的反应。之后，这些日益复杂的分子在效率越来越高的过渡金属配体复合物催化剂中扮演着配体的角色。渐渐地就累积起了新陈代谢的基本分子成分，并自我组织起奠定生命基础的化学反应网络。

莫洛维兹说：“我们曾经认为，如果我们了解了碳、氢、氮、氧、磷、硫在做什么，我们就理解了生物学。但是，我们现在发现，还有一些其他罕见的元素——过渡金属在生物学中也是必需的，因此，我们必须要问，它们在生命起源中又发挥了怎样的作用？”莫洛维兹目前正在列出构成了地球上大部分生物质的元素清单。

研究人员指出，生命形式的出现是过渡金属和配体场论独特性的自然结果，该理论描述了配体复合物的特性。莫洛维兹说：“这种思想发端于对元素周期表的研究。我们强烈地感到，除非你能看到生命是如何以某种化学方式出现的，否则你永远无法真正地解决这个问题。”

莫洛维兹和他的同事们正准备用实验方法来测试以不同配体制成的过渡金属配体复合物的催化性能。配体已知会和过渡金属紧密结合，包括在三羧酸循环过程（许多微生物所必需的一系列生化反应）中产生的分子。莫偌维兹表示，他们认为生命始于三羧酸循环，同时有证据显示，在深海热泉的环境中有循环的中间物质形成。科学家计划用这些中间物质分子与不同的过渡金属混合，将它们加热到不同温度并维持相应的一段时间，然后检查会有何种催化剂产生。

这类实验有望帮助了解在奠定生命基础时，究竟发生了何种催化反应。该假说还提出了生命的出现也许不止一次。研究人员表示，生命也许有多次起源，如果能在宇宙其他地方发现生命，这些生命和人类生命也许非常相似，因为它们与人类都是基于相同的过渡金属和配体。目前，这还只是个猜想，不过这或许会成为生命起源研究的核心观点。

参考资料

1.什么是过渡金属，为什么过渡金属能作催化剂？·苏州亚科科技股份有限公司