D 区和 F 区元素催化剂

---

引言

d 区元素位于元素周期表的第 3 至 12 族，而 f 区元素最终填充了它们的 4f 和 5f 轨道。由于这些元素中存在未占据的 d 轨道，导致 d-d 跃迁，因此它们通常被称为过渡元素，并具有多种氧化态。尽管这些元素具有巨大的反应吸收表面积，但它们具有不同的氧化态，并且是有效的催化剂。这些元素大多是表现出镧系收缩的镧系元素。因为区分电子进入倒数第二个 f 亚层。因此，这些元素也称为内过渡元素。

什么是 d 区和 f 区元素？

d 区元素是指在现代元素周期表中第 3 至 12 族中发现的元素。这些元素的价电子位于 d 轨道中。它们在其最后能量级的 d 轨道中具有 (1-10) 个电子，以及最外层轨道中 (1-2) 个电子。具有填充 f 轨道的电子的元素被认为是 f 区元素。这些元素在 f 轨道中具有 (1–14) 个电子，在最后能量级的 d 轨道中具有电子，以及在最外层轨道中 (0–1) 个电子。

什么是催化剂？

催化剂包括固体、液体和气体等物质，它们可以加速化学反应，并且在化学工业中必不可少。它们可以实现高效的化学生产，并且已广泛应用于各种商业应用中，例如精细化学品、炼油操作、食用油、药物和聚合物。欧洲确实是一个催化剂和领先的创新者。

过渡元素：它们是什么？

过渡元素，有时也称为过渡金属，具有部分填充的 d 轨道。除镧系元素和锕系元素外，过渡元素从 $\mathrm{Sc^{21}}$ 到 $\mathrm{Cn^{112}}$。镧系元素和锕系元素是内过渡元素的例子。术语过渡元素与它们在元素周期表中从金属到非金属的过渡的概念有关。在现代元素周期表中，这些元素位于 s 区和 p 区之间。

过渡元素特性 d 区和 f 区元素

• 过渡金属具有多种氧化态和价态。例如，Ti 具有 +3 和 +4 的价态，而 Cr 具有 +2、+3、+4 和 +6 的价态。

• 当这些元素与其他物质混合时，会形成配位化合物。

• 一些金属结合形成有色化合物。

• 一些金属具有非常高的熔点和沸点。

• 这些元素的浓度非常高。

• 这组元素具有催化性能。

• 这些元素结合形成稳定的络合物。

• 这些元素具有非常高的电荷半径比。

d 区和 f 区元素催化剂

f 区和 d 区的所有金属都是过渡金属。它们利用其反应物产生不稳定的中间产物。由于它们具有可变价，因此形成络合物。因此，这导致该反应的活化能降低。即使活化能降低，反应速率也会增加。然后，不稳定的中间体分解以产生产物，并且在反应后催化剂得到再生。催化剂具有大的表面积，反应可以在其上发生。

催化行为的解释

过渡金属具有催化行为有几个因素：

• 存在空 d 轨道。

• 它们可以显示出广泛的价态。

• 它们容易形成络合物。

由于过渡金属具有变化的价态并倾向于形成络合物。由于反应过程中产生的不稳定中间体，反应可以选择一条具有较低活化能的替代途径。当活化能降低时，反应速率会增加。这些不稳定的中间体最终会分解形成最终产物，并且催化剂得到再生。由于大的表面积，反应物分子被吸附到表面上，导致自由价态。

d 区和 f 区元素催化剂的应用

催化剂用于几乎所有化学反应中。因此，几乎每个行业都开发了一种方法来将其各自行业应用中的过渡金属商业化。镍可用作氢化反应中的催化剂。它主要用于油的氢化以生产植物黄油——细分的铁作为催化剂，利用哈伯法生产氨。此外，$\mathrm{v_{2}O_{5}}$ 用作接触法生产 $\mathrm{H_{2}SO_{4}}$ 的催化剂。$\mathrm{TiCl_{4}}$ 用于生产高密度聚乙烯的催化剂。

d 区元素的性质

• 它坚硬且密度高。

• 它具有非常高的熔点和沸点。

• 它们表现出不同的氧化态。

• 它结合形成有色离子以及化合物。

• 原子半径随着原子序数的增加而减小。

f 区元素的性质

• 它通常具有顺磁性。

• 放射性元素的比例高于其他区。

• 它们具有不同的氧化态。

• 它们具有屏蔽效应。当电子随着它远离原子核而移动时，它会变得对原子核的吸引力较小，就会发生屏蔽。

d 区元素的电子构型

过渡金属将最后一个差异电子容纳到最后的 d 轨道中，这意味着 d 轨道逐渐被填充。过渡元素的电子构型如下：$\mathrm{(n\:-\:1)^{1-10}\:ns^{0.1\:or\:2}}$。十个元素的四整行（称为系列）中的每一个都与 3d、4d、5d 和 6d 轨道的填充相关。

f 区元素的电子构型

f 区元素的基本价电子层电子构型为 $\mathrm{(n\:-\:2)f^{0}\:,\:2\:to\:14\:(n\:-\:1)d^{0}\:to\:2ns^{2}}$（镧系和锕系）。

结论

元素周期表的 d 区和 f 区用作催化剂。催化剂增加了反应的表面积，使反应物分子可以被更自由的价态占据。具有更高化学活性的金属通常更难去除。它们表现出类似于金属的化学性质。它们在空气中氧化，例如与碱性卤素结合形成卤化物。在活性系列中，氢以下的所有元素都与酸反应形成盐和氢气。在低氧化态下，过渡金属的氧化物、氢氧化物和碳酸盐始终是碱性的。

常见问题

1. d 区元素的颜色有什么意义？

其解释是部分填充的 d 轨道在某种程度上参与了颜色的产生。大多数过渡元素都是有色的。这是因为可见光范围内的辐射被吸收，从而激发电子从 d 轨道中的一个位置到另一个位置。

2. 哪些过渡金属被用作催化剂？

Fe、Mo、Co、Cu 和 Cr 纳米粒子可能是最常用的催化剂。在 700-1100 °C 的温度下，碳源可以在这些金属 Nps 的界面上分解成单个碳原子和原子对，形成碳纳米管。

3. 谁发现了催化剂？

瓦勒里乌斯·科尔杜斯 (1514-1554) 于 1552 年使用硫酸催化酒精转化为醚，使其成为最早记录的无机催化剂的使用。

4. 什么使 d 区元素具有磁性？

许多过渡金属离子以及化合物由于在 (n-1)d 轨道中存在离域电子，因此似乎是顺磁性的，这意味着粒子会被磁场吸引。

5. 使用金作为催化剂的目的是什么？

金通常用作将 $\mathrm{CO}$ 转化为 $\mathrm{CO_{2}}$ 的过程中的催化剂。这可能用于自然灾害或甚至在需要从空气中去除一氧化碳的家庭中。