過渡元素的顏色

---

引言

過渡金屬會形成配合物或有色離子。顏色取決於元素及其是否處於水溶液/除H₂O以外的溶劑中。在定性研究中，顏色非常有用，因為它揭示了樣品的組成。過渡元素是一種可以產生具有部分填充d軌道的穩定離子的元素。根據這一概念，並非所有d區元素都是過渡元素。因為這些元素沒有部分填充的d軌道，典型的過渡金屬具有多種氧化態。

圖片即將推出

過渡元素

我們通常將過渡元素定義為週期表中間具有佔據d軌道的元素，但是，這些元素應該被稱為d區元素而不是過渡元素。過渡元素通常定義為產生一個或多個具有部分填充d軌道的穩定離子的物質。無論你使用什麼標準，電子構型為[Ar]3d¹⁰4s²的Zn都不符合過渡元素的定義。它具有填充的3d軌道構型。當它生成離子時，4s電子被移除，產生一個填充的3d能級。

為什麼我們會在過渡元素中看到不同的顏色？

含過渡元素的配合物通常是有色的，而含非過渡元素的配合物則不是。這表明未填充的d軌道以某種方式參與了顏色形成。重要的是要記住，過渡金屬的特點是部分填充的d軌道。

由於過渡元素具有空d軌道，它們會產生有色的配合物和溶液。由於d軌道簡併，離子本身並不顯色。換句話說，它們具有相似的光譜訊號並具有相似的能量。過渡金屬離子在與其他分子形成配合物和化合物時會顯色。當過渡金屬與一個或多個帶負電荷或中性電荷的配體結合時，就會形成配合物。配體會改變d軌道的形狀。一些d軌道獲得比以前更多的能量，而另一些則損失能量。這導致能量差距。能量差距的大小決定了吸收光子的λ（波長）。

圖片即將推出

未被吸收的光波長會穿過配合物。分子也可以反射一些光。配合物的表觀顏色是反射、吸收和透射混合的結果。例如，電子可以吸收紅光並被激發到更高的能態。由於未被吸收的光是反射的顏色，我們會看到藍色/綠色。

為什麼並非所有過渡元素都是有色的？

然而，並非所有氧化態都會產生顏色。具有零個或十個d電子的過渡金屬離子會形成無色溶液。

並非該組中的所有元素都顯示顏色的另一個原因是它們並非都是過渡元素。如果過渡元素必須具有部分填充的d軌道，那麼並非所有d區元素都是過渡元素。因此，根據精確的定義，Zn和Sc不是過渡元素，因為Zn²⁺具有全填充的d軌道構型，而Sc³⁺則具有完全空置的d軌道。

影響過渡元素配合物顏色的因素

在每種情況下，配合物的中心將是不同的金屬離子，其他引數也將發生變化。在過渡系列的跨度內，顏色會從不同的金屬雜亂無章地變化。

• 配體的性質

  各種配體分別影響中心離子的d軌道的能量。一些配體中的強電場會產生較大的能隙。當d軌道分裂成兩組時，會產生較大的能量差。其他配體具有較弱的電場，這會導致較小的能隙。

• 過渡金屬的氧化態

  隨著元素氧化態的升高，d軌道的分裂程度也會升高。由於氧化態的差異，接收到的光顏色以及因此你看到的顏色會發生波動。

• 離子的配位數

  由於八面體離子比四面體離子更容易分裂，因此隨著元素配位數的變化，顏色也會發生變化。

過渡配合物的不同顏色

過渡金屬配合物在不同的溶劑中具有各種各樣的顏色。配體決定了配合物的顏色。在水溶液中，Fe²⁺呈淺綠色，但在濃NaOH/碳酸鹽/NH₃中，它會產生綠色沉澱。在水溶液中，Co²⁺形成粉紅色溶液，但在NaOH/NH₃碳酸鹽溶液中，它會形成藍綠色沉澱、淺黃色沉澱和粉紅色沉澱。

鑭系元素也會形成有色配合物。鑭系元素有時被稱為內過渡金屬或僅僅是過渡金屬的一個子類。然而，有色配合物是由4f電子躍遷引起的。與過渡金屬配合物相比，鑭系配合物的顏色受配體型別的影響較小。

結論

可以得出結論，當原子和分子以正確的頻率吸收光時，原子和分子中的電子會被激發到相對高能量的軌道。配位化合物中d軌道之間的能量差通常允許可見光範圍內的光子被吸收。自由過渡元素離子的d軌道是簡併的（所有都具有相同的能量）。然而，當過渡元素形成配位化合物時，它們的d軌道會以這樣的方式與配體的電子雲相互作用，使得d軌道變得非簡併（並非所有都具有相同的能量）。

常見問題

Q1. 在配合物中，什麼是d-d躍遷？

A1. 當白光照射這些化合物時，某些波長會被吸收，使電子能夠從一組較低能量的軌道移動到同一d亞層內能量稍高的另一組軌道。這被稱為d-d躍遷。

Q2. 電荷轉移如何影響配合物的顏色？

A2. 電荷轉移是指電子從配合物的一個區域轉移到另一個區域，從而產生顏色。這種型別的反應也稱為內部氧化還原反應。這種型別的躍遷中顏色強度非常高，因為不需要選擇規則。

Q3. 為什麼[Ti(H₂O)₆]Cl₃的紫色會隨著加熱而消失（變為無色）？

A3. 這是一個八面體化合物，在紫色區域發射顏色，使其呈現紫色外觀。由於加熱時會去除水分子（配體），因此在沒有配體的情況下不會發生d軌道的分裂，它會變成無色。

Q4. 哪個配合物的顏色不是d-d躍遷的結果？

A4. 大多數過渡金屬由於dd躍遷而顯示顏色。CrO₄²⁻是一種鹽，其顏色不是d-d躍遷的結果。

Q5. 過渡金屬如何具有多種顏色？

A5. 這是由於配體的化學組成。基於它與金屬離子的相同電荷相互作用的配體，可能會產生不同的顏色。