过渡元素的颜色

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引言

过渡金属会形成配合物或有色离子。颜色取决于元素及其是否处于水溶液/除H₂O以外的溶剂中。在定性研究中，颜色非常有用，因为它揭示了样品的组成。过渡元素是一种可以产生具有部分填充d轨道的稳定离子的元素。根据这一概念，并非所有d区元素都是过渡元素。因为这些元素没有部分填充的d轨道，典型的过渡金属具有多种氧化态。

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过渡元素

我们通常将过渡元素定义为周期表中间具有占据d轨道的元素，但是，这些元素应该被称为d区元素而不是过渡元素。过渡元素通常定义为产生一个或多个具有部分填充d轨道的稳定离子的物质。无论你使用什么标准，电子构型为[Ar]3d¹⁰4s²的Zn都不符合过渡元素的定义。它具有填充的3d轨道构型。当它生成离子时，4s电子被移除，产生一个填充的3d能级。

为什么我们会在过渡元素中看到不同的颜色？

含过渡元素的配合物通常是有色的，而含非过渡元素的配合物则不是。这表明未填充的d轨道以某种方式参与了颜色形成。重要的是要记住，过渡金属的特点是部分填充的d轨道。

由于过渡元素具有空d轨道，它们会产生有色的配合物和溶液。由于d轨道简并，离子本身并不显色。换句话说，它们具有相似的光谱信号并具有相似的能量。过渡金属离子在与其他分子形成配合物和化合物时会显色。当过渡金属与一个或多个带负电荷或中性电荷的配体结合时，就会形成配合物。配体会改变d轨道的形状。一些d轨道获得比以前更多的能量，而另一些则损失能量。这导致能量差距。能量差距的大小决定了吸收光子的λ（波长）。

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未被吸收的光波长会穿过配合物。分子也可以反射一些光。配合物的表观颜色是反射、吸收和透射混合的结果。例如，电子可以吸收红光并被激发到更高的能态。由于未被吸收的光是反射的颜色，我们会看到蓝色/绿色。

为什么并非所有过渡元素都是有色的？

然而，并非所有氧化态都会产生颜色。具有零个或十个d电子的过渡金属离子会形成无色溶液。

并非该组中的所有元素都显示颜色的另一个原因是它们并非都是过渡元素。如果过渡元素必须具有部分填充的d轨道，那么并非所有d区元素都是过渡元素。因此，根据精确的定义，Zn和Sc不是过渡元素，因为Zn²⁺具有全填充的d轨道构型，而Sc³⁺则具有完全空置的d轨道。

影响过渡元素配合物颜色的因素

在每种情况下，配合物的中心将是不同的金属离子，其他参数也将发生变化。在过渡系列的跨度内，颜色会从不同的金属杂乱无章地变化。

• 配体的性质

  各种配体分别影响中心离子的d轨道的能量。一些配体中的强电场会产生较大的能隙。当d轨道分裂成两组时，会产生较大的能量差。其他配体具有较弱的电场，这会导致较小的能隙。

• 过渡金属的氧化态

  随着元素氧化态的升高，d轨道的分裂程度也会升高。由于氧化态的差异，接收到的光颜色以及因此你看到的颜色会发生波动。

• 离子的配位数

  由于八面体离子比四面体离子更容易分裂，因此随着元素配位数的变化，颜色也会发生变化。

过渡配合物的不同颜色

过渡金属配合物在不同的溶剂中具有各种各样的颜色。配体决定了配合物的颜色。在水溶液中，Fe²⁺呈浅绿色，但在浓NaOH/碳酸盐/NH₃中，它会产生绿色沉淀。在水溶液中，Co²⁺形成粉红色溶液，但在NaOH/NH₃碳酸盐溶液中，它会形成蓝绿色沉淀、浅黄色沉淀和粉红色沉淀。

镧系元素也会形成有色配合物。镧系元素有时被称为内过渡金属或仅仅是过渡金属的一个子类。然而，有色配合物是由4f电子跃迁引起的。与过渡金属配合物相比，镧系配合物的颜色受配体类型的影响较小。

结论

可以得出结论，当原子和分子以正确的频率吸收光时，原子和分子中的电子会被激发到相对高能量的轨道。配位化合物中d轨道之间的能量差通常允许可见光范围内的光子被吸收。自由过渡元素离子的d轨道是简并的（所有都具有相同的能量）。然而，当过渡元素形成配位化合物时，它们的d轨道会以这样的方式与配体的电子云相互作用，使得d轨道变得非简并（并非所有都具有相同的能量）。

常见问题

Q1. 在配合物中，什么是d-d跃迁？

A1. 当白光照射这些化合物时，某些波长会被吸收，使电子能够从一组较低能量的轨道移动到同一d亚层内能量稍高的另一组轨道。这被称为d-d跃迁。

Q2. 电荷转移如何影响配合物的颜色？

A2. 电荷转移是指电子从配合物的一个区域转移到另一个区域，从而产生颜色。这种类型的反应也称为内部氧化还原反应。这种类型的跃迁中颜色强度非常高，因为不需要选择规则。

Q3. 为什么[Ti(H₂O)₆]Cl₃的紫色会随着加热而消失（变为无色）？

A3. 这是一个八面体化合物，在紫色区域发射颜色，使其呈现紫色外观。由于加热时会去除水分子（配体），因此在没有配体的情况下不会发生d轨道的分裂，它会变成无色。

Q4. 哪个配合物的颜色不是d-d跃迁的结果？

A4. 大多数过渡金属由于dd跃迁而显示颜色。CrO₄²⁻是一种盐，其颜色不是d-d跃迁的结果。

Q5. 过渡金属如何具有多种颜色？

A5. 这是由于配体的化学组成。基于它与金属离子的相同电荷相互作用的配体，可能会产生不同的颜色。