遷移元素の特徴
周期表の3〜11族(または12族まで含む)を遷移元素といい、d軌道に電子を持つ金属群です。典型元素と異なる多くの特徴を持ちます。
基本知識
遷移元素の特徴: ①すべて金属、②密度が大(高融点・高密度)、③複数の酸化数を取り得る、④有色のイオンが多い、⑤錯イオンを作りやすい、⑥触媒作用を示すものが多い、⑦強磁性(Fe, Co, Ni)を示すものがある。
主な遷移元素と酸化数: Cr(+3, +6)、Mn(+2, +4, +6, +7)、Fe(+2, +3)、Cu(+1, +2)、Ag(+1)、Zn(+2、ただし12族でd10のため典型元素的)。
有色の例: Cu2+(青)、Fe2+(淡緑)、Fe3+(黄褐)、Cr3+(緑)、Cr2O72-(橙)、CrO42-(黄)、MnO4-(赤紫)。色の原因はd-d遷移または電荷移動遷移です。
遷移元素（d軌道に電子を持つ金属、3〜11族）
d-d遷移（d軌道間電子遷移、可視光吸収で発色）
複数の酸化数（Fe:+2/+3、Cu:+1/+2、Mn:+2〜+7）
不対電子（磁性の原因、Fe3O4は強磁性体）
触媒作用（Fe・Pt・V2O5・Ni・Pdなど多数）
合金（複数金属の固溶体、鋼・ステンレス・ハンダ等）
深掘り (原理・応用)
遷移金属の触媒作用は現代化学産業の根幹です。Fe(ハーバー・ボッシュ法)、Pt-Rh(オストワルト法)、V2O5(接触法)、Ni(水素化)、Pd(クロスカップリング、ノーベル賞)など、d軌道電子の柔軟性が反応中間体を安定化し、活性化エネルギーを下げます。
合金も応用上重要: ステンレス鋼(Fe-Cr-Ni)、ジュラルミン(Al-Cu-Mg-Mn)、青銅(Cu-Sn)、黄銅(Cu-Zn)、ハンダ(Sn-Pb→現在は鉛フリー)、形状記憶合金(Ni-Ti)、永久磁石ネオジム(Nd-Fe-B)。
磁性面ではFe, Co, Niが強磁性、Mn, Crが反強磁性。レアアース(希土類)は実は遷移元素ではなくランタノイドだが、磁石・蛍光体・触媒で同様に重要です。
- 遷移元素はすべて金属
- 複数の酸化数=d電子の出し入れが可能だから
- 有色=d-d遷移または電荷移動遷移
- 触媒作用と磁性が特徴
- 強磁性Fe, Co, Ni
- 合金で機械的性質を改善
- Zn(12族)は典型元素的に扱われることが多い
注意点 (混同しやすい・頻出ミス)
① 遷移元素の範囲は教科書により3〜11族と3〜12族で異なる(Znを含むか)。② Fe2+(淡緑)とFe3+(黄褐)の色の違いは入試頻出。③ クロム酸/二クロム酸は溶液のpHで 2CrO42- + 2H+ ⇄ Cr2O72- + H2O と平衡(黄↔橙)。
練習
- 遷移元素が複数の酸化数を取り得る理由を電子配置から説明せよ。
- Fe2+とFe3+の水溶液の色を答えよ。
- クロム酸イオンと二クロム酸イオンの平衡反応式を書き、pHでどう動くか説明せよ。