d區過渡金屬

氧化態在區內橫向與縱向的穩定性

過渡金屬也許能取好幾種氧化態,但在任何真實情形下,通常只有一種是穩定的——就是你真正能在瓶子裡或溶液裡見到的那種形式。鐵鍾愛 +2 和 +3;錳在水中最自在的是 +2;鉻偏愛 +3;高錳酸根裡 +7 的錳是個兇猛的氧化劑,急著往下掉。哪種態穩定、以及它隨著橫越一行或縱貫一族如何變化,正是化學家用來預測某化合物會長存還是會瓦解的依據。

兩個簡單的想法把大部分內容組織起來。第一,是什麼穩定高氧化態、又是什麼穩定低氧化態。很高的氧化態(金屬已讓出許多電子、變得強烈缺電子)靠又小、又硬、富電子、能把電子密度回饋過來的夥伴來穩定——首先就是氧離子(O2-)和氟離子(F-)。這就是為什麼錳只能以氧化物 MnO4- 的形式達到 +7,而最高價的氟化物也出現在最高價氧化物存在的地方。低氧化態、甚至異常的低態(金屬持有多餘電子)則由像一氧化碳那樣的軟 π-受體配體來穩定,它們通過反饋鍵把金屬上多餘的電子密度抽走——我們就是這樣製得金屬處於零氧化態的化合物,如 Ni(CO)4。第二,橫跨一行的趨勢:靠前的金屬相當容易達到並保持高態(鈦樂於做 +4,釩樂於做 +5),但到中段,最高態就成了強氧化劑(鉻酸根、重鉻酸根、高錳酸根),而到靠後的金屬(鈷、鎳、銅),+2 態佔主導,因為更高的態太難達到。

縱貫一族,情節翻轉向更高的態:較重的 4d 與 5d 同族元素,比它們上方的第一行金屬更安然地保持高氧化態。鉻(VI) 是強氧化劑,但 WO3 中的鎢(VI) 平和而普通;錳(VII) 遇到不對的東西會爆炸,而錸(VII) 的氧化物卻穩定而不起眼。拉蒂默圖、弗羅斯特圖和布拜圖把所有這些傾向變成定量圖景,讓你讀出在給定 pH 和電位下哪種態能存活——它們還揭示某種態何時會歧化,同時分裂成一個更高態和一個更低態。

比較鉻和鎢,兩者都是第 6 族金屬。鉻(VI) 以重鉻酸根(Cr2O7 2-)形式存在,是強氧化劑,很容易掉到綠色的鉻(III)。鎢(VI) 以 WO3 形式存在,是穩定、暗黃色的固體,沒有被還原的衝動。高氧化態隨著往下走變得更平和——這與較重金屬偏好高氧化態是同一趨勢。

高氧化態由氧和氟穩定,並隨族向下變得更平和:兇猛的 Cr(VI) 對比平和的 W(VI)。

穩定不等於惰性:一個熱力學上穩定的氧化態仍可能反應很快,而一個高態在遇到可氧化對象之前完全可以穩定存在。這些圖表預測的是平衡時哪種態應當勝出,而不是它多快達到那裡。

又稱
oxidation state stability trends氧化态稳定性趋势氧化態穩定性趨勢