D 區和 F 區元素催化劑

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引言

d 區元素位於元素週期表的第 3 至 12 族，而 f 區元素最終填充了它們的 4f 和 5f 軌道。由於這些元素中存在未佔據的 d 軌道，導致 d-d 躍遷，因此它們通常被稱為過渡元素，並具有多種氧化態。儘管這些元素具有巨大的反應吸收表面積，但它們具有不同的氧化態，並且是有效的催化劑。這些元素大多是表現出鑭系收縮的鑭系元素。因為區分電子進入倒數第二個 f 亞層。因此，這些元素也稱為內過渡元素。

什麼是 d 區和 f 區元素？

d 區元素是指在現代元素週期表中第 3 至 12 族中發現的元素。這些元素的價電子位於 d 軌道中。它們在其最後能量級的 d 軌道中具有 (1-10) 個電子，以及最外層軌道中 (1-2) 個電子。具有填充 f 軌道的電子的元素被認為是 f 區元素。這些元素在 f 軌道中具有 (1–14) 個電子，在最後能量級的 d 軌道中具有電子，以及在最外層軌道中 (0–1) 個電子。

什麼是催化劑？

催化劑包括固體、液體和氣體等物質，它們可以加速化學反應，並且在化學工業中必不可少。它們可以實現高效的化學生產，並且已廣泛應用於各種商業應用中，例如精細化學品、煉油操作、食用油、藥物和聚合物。歐洲確實是一個催化劑和領先的創新者。

過渡元素：它們是什麼？

過渡元素，有時也稱為過渡金屬，具有部分填充的 d 軌道。除鑭系元素和錒系元素外，過渡元素從 $\mathrm{Sc^{21}}$ 到 $\mathrm{Cn^{112}}$。鑭系元素和錒系元素是內過渡元素的例子。術語過渡元素與它們在元素週期表中從金屬到非金屬的過渡的概念有關。在現代元素週期表中，這些元素位於 s 區和 p 區之間。

過渡元素特性 d 區和 f 區元素

• 過渡金屬具有多種氧化態和價態。例如，Ti 具有 +3 和 +4 的價態，而 Cr 具有 +2、+3、+4 和 +6 的價態。

• 當這些元素與其他物質混合時，會形成配位化合物。

• 一些金屬結合形成有色化合物。

• 一些金屬具有非常高的熔點和沸點。

• 這些元素的濃度非常高。

• 這組元素具有催化效能。

• 這些元素結合形成穩定的絡合物。

• 這些元素具有非常高的電荷半徑比。

d 區和 f 區元素催化劑

f 區和 d 區的所有金屬都是過渡金屬。它們利用其反應物產生不穩定的中間產物。由於它們具有可變價，因此形成絡合物。因此，這導致該反應的活化能降低。即使活化能降低，反應速率也會增加。然後，不穩定的中間體分解以產生產物，並且在反應後催化劑得到再生。催化劑具有大的表面積，反應可以在其上發生。

催化行為的解釋

過渡金屬具有催化行為有幾個因素：

• 存在空 d 軌道。

• 它們可以顯示出廣泛的價態。

• 它們容易形成絡合物。

由於過渡金屬具有變化的價態並傾向於形成絡合物。由於反應過程中產生的不穩定中間體，反應可以選擇一條具有較低活化能的替代途徑。當活化能降低時，反應速率會增加。這些不穩定的中間體最終會分解形成最終產物，並且催化劑得到再生。由於大的表面積，反應物分子被吸附到表面上，導致自由價態。

d 區和 f 區元素催化劑的應用

催化劑用於幾乎所有化學反應中。因此，幾乎每個行業都開發了一種方法來將其各自行業應用中的過渡金屬商業化。鎳可用作氫化反應中的催化劑。它主要用於油的氫化以生產植物黃油——細分的鐵作為催化劑，利用哈伯法生產氨。此外，$\mathrm{v_{2}O_{5}}$ 用作接觸法生產 $\mathrm{H_{2}SO_{4}}$ 的催化劑。$\mathrm{TiCl_{4}}$ 用於生產高密度聚乙烯的催化劑。

d 區元素的性質

• 它堅硬且密度高。

• 它具有非常高的熔點和沸點。

• 它們表現出不同的氧化態。

• 它結合形成有色離子以及化合物。

• 原子半徑隨著原子序數的增加而減小。

f 區元素的性質

• 它通常具有順磁性。

• 放射性元素的比例高於其他區。

• 它們具有不同的氧化態。

• 它們具有遮蔽效應。當電子隨著它遠離原子核而移動時，它會變得對原子核的吸引力較小，就會發生遮蔽。

d 區元素的電子構型

過渡金屬將最後一個差異電子容納到最後的 d 軌道中，這意味著 d 軌道逐漸被填充。過渡元素的電子構型如下：$\mathrm{(n\:-\:1)^{1-10}\:ns^{0.1\:or\:2}}$。十個元素的四整行（稱為系列）中的每一個都與 3d、4d、5d 和 6d 軌道的填充相關。

f 區元素的電子構型

f 區元素的基本價電子層電子構型為 $\mathrm{(n\:-\:2)f^{0}\:,\:2\:to\:14\:(n\:-\:1)d^{0}\:to\:2ns^{2}}$（鑭系和錒系）。

結論

元素週期表的 d 區和 f 區用作催化劑。催化劑增加了反應的表面積，使反應物分子可以被更自由的價態佔據。具有更高化學活性的金屬通常更難去除。它們表現出類似於金屬的化學性質。它們在空氣中氧化，例如與鹼性鹵素結合形成鹵化物。在活性系列中，氫以下的所有元素都與酸反應形成鹽和氫氣。在低氧化態下，過渡金屬的氧化物、氫氧化物和碳酸鹽始終是鹼性的。

常見問題

1. d 區元素的顏色有什麼意義？

其解釋是部分填充的 d 軌道在某種程度上參與了顏色的產生。大多數過渡元素都是有色的。這是因為可見光範圍內的輻射被吸收，從而激發電子從 d 軌道中的一個位置到另一個位置。

2. 哪些過渡金屬被用作催化劑？

Fe、Mo、Co、Cu 和 Cr 奈米粒子可能是最常用的催化劑。在 700-1100 °C 的溫度下，碳源可以在這些金屬 Nps 的介面上分解成單個碳原子和原子對，形成碳奈米管。

3. 誰發現了催化劑？

瓦勒裡烏斯·科爾杜斯 (1514-1554) 於 1552 年使用硫酸催化酒精轉化為醚，使其成為最早記錄的無機催化劑的使用。

4. 什麼使 d 區元素具有磁性？

許多過渡金屬離子以及化合物由於在 (n-1)d 軌道中存在離域電子，因此似乎是順磁性的，這意味著粒子會被磁場吸引。

5. 使用金作為催化劑的目的是什麼？

金通常用作將 $\mathrm{CO}$ 轉化為 $\mathrm{CO_{2}}$ 的過程中的催化劑。這可能用於自然災害或甚至在需要從空氣中去除一氧化碳的家庭中。