過渡元素的通性全攻略：電子組態、多變氧化數與繽紛色彩解析 | 莫斯利自然科學

為什麼從璀璨奪目的黃金、充滿工業力量的鐵器，到生物體內攜帶氧氣的血紅蛋白，都離不開週期表中央那群神祕的元素？這群展現出萬紫千紅色彩、擁有豐富氧化數變化的金屬家族，究竟藏著什麼樣的化學魔術？

選修化學IV 過渡元素的通性

一、 過渡元素的電子組態與金屬通性

1. 電子組態特徵：

   
   

   • 位於週期表中間的過渡元素，其特徵為最高能階的價電子填入 d 軌域。   

     
     

   • 第一列過渡元素的價電子填入 3d 軌域。特別注意：鉻 (Cr) 與銅 (Cu) 的電子組態具有半填滿與全填滿的特殊穩定例外（Cr 為 4s¹ 3d⁵，Cu 為 4s¹ 3d¹⁰）。   

     
     

2. 均為金屬：

   
   

   • 過渡元素全數為金屬，具有典型的金屬光澤，且是電與熱的良導體。   

     
     

二、 過渡元素的氧化數與化合物酸鹼性

1. 多變的氧化數：

   
   

   • 大多數過渡元素具有多種不同氧化數的化合物，且其氧化數間常相差 1。   

     
     

   • 第一列過渡元素的氧化數，隨著原子序增加而先增後減（例如錳可從 +2 到最高 +7）。   

     
     

   • 只有少數過渡元素在化合物中通常呈現單一氧化數（例如 Sc 通常為 +3，Zn 通常為 +2）。   

     
     

2. 氧化物酸鹼性趨勢：

   
   

   • 同一種元素之不同氧化物中，氧化數愈高 ➔ 共價結合成份愈大 ➔ 氧化物酸性愈大。   

     
     

   • 鉻的氧化物酸鹼性比較：

     
     

     • 鹼性：CrO (氧化數 +2)

       
       

     • 兩性：Cr₂O₃ (氧化數 +3)

       
       

     • 酸性：CrO₃ (氧化數 +6)

       
       

   • 錳的氧化物酸鹼性比較：

     
     

     • 鹼性：MnO (氧化數 +2)

       
       

     • 兩性：MnO₂ (氧化數 +4)

       
       

     • 酸性：Mn₂O₇ (氧化數 +7)

       
       

3. 離子與化合物的顏色：

   
   

   • 過渡元素具有未填滿的 d 軌域與未成對電子，因此其化合物及其水溶液大多具有美麗的顏色。   

     
     

   • 若 d 軌域為 無電子 (d⁰，如 Sc³⁺、MnO₄⁻) 或 填滿電子 (d¹⁰，如 Zn²⁺、Cu⁺) 時，其水溶液則沒有顏色。   

     
     

三、 講義精選例題解析

【題型一：過渡元素性質綜合判斷】

【題目】 下列有關過渡元素性質的敘述，何者正確？

(A) 過渡元素大部分是金屬元素

(B) 過渡元素皆以元素態存在於自然界

(C) 過渡元素的化合物全部具有顏色

(D) 過渡元素位於週期表第 2 族與第 13 族之間

(E) Zn 的氧化數只有一種

(F) 第一列過渡元素的各種化合物中，以 Cr 的氧化數最高

(G) 第一列過渡元素其價電子填入 4d 軌域

(H) 基態原子中，半填滿軌域數最多者為 Mn

(I) Cr 和 Cu 原子的基態電子組態在 4s 皆只填入 1 個電子

(J) 第一列過渡元素其比重都比水小

(K) 過渡元素常有多種氧化態

(L) 導熱、導電最好的三元素為 Ag、Cu、Au，皆為過渡元素

(M) 過渡元素化合物，大部分有顏色

(N) 第一列過渡元素皆為金屬，為電及熱之良導體

(O) 大部分第一列過渡元素以元素態存在於自然界

(P) 氧化物為鹼性

(Q) 均可與鹽酸產生氫氣   

【解析】

• (A) 正確：過渡元素全部都是金屬元素。   

• (B)、(O) 錯誤：除了少數活性小的貴金屬（如 Au、Pt）可呈元素態外，大部分過渡元素在自然界均以化合物（礦石）存在。   

• (C) 錯誤：部分過渡元素化合物（如 d⁰ 的 Sc³⁺ 或 d¹⁰ 的 Zn²⁺ 鹽類）是無色的。   

• (D) 錯誤：過渡元素位於週期表第 2 族（鹼土金屬）與第 13 族（硼族）之間。   

• (E) 正確：鋅 (Zn) 的氧化數在化合物中只有 +2 一種。   

• (F) 錯誤：第一列過渡元素中，錳 (Mn) 的氧化數最高可達 +7（如 MnO₄⁻ 或 Mn₂O₇）。   

• (G) 錯誤：第一列過渡元素的價電子填入 3d 軌域。   

• (H) 正確：錳 (Mn) 的原子序為 25，其 3d 軌域有 5 個未成對電子（半填滿軌域最多）。   

• (I) 正確：Cr (原子序 24) 為 [Ar] 4s¹ 3d⁵，Cu (原子序 29) 為 [Ar] 4s¹ 3d¹⁰，兩者在 4s 皆只有 1 個電子。   

• (J) 錯誤：第一列過渡元素的密度多數大於水（例如鐵的比重約 7.8），多數比水重。   

• (K)、(M)、(N) 正確：過渡元素具多變氧化態、大部分化合物有顏色，且全為金屬導體。   

• (L) 正確：銀、銅、金是導電與導熱性最好的三種金屬，均屬於過渡元素。   

• (P) 錯誤：過渡元素的氧化數較低時氧化物呈鹼性，但氧化數高時（如 CrO₃、Mn₂O₇）呈強酸性。   

• (Q) 錯誤：活性小於氫的過渡元素（如 Cu、Ag、Au）無法與鹽酸反應產生氫氣。   

• 正確選項彙整：(A)、(E)、(H)、(I)、(K)、(L)、(M)、(N)   

  
  

四、 莫斯利重點整理

1. 位置與組態： 位於週期表中央（第 3 族至第 12 族），價電子填入 d 軌域。   

   
   

2. 例外規則： 鉻 (Cr) 與銅 (Cu) 的 4s 軌域只有 1 個電子，為 d 軌域半填滿或全填滿的特殊穩定組態。   

   
   

3. 氧化數與酸鹼性： 氧化數越多變；氧化數愈高，其氧化物的酸性愈強（例如 MnO 鹼性、MnO₂ 兩性、Mn₂O₇ 酸性）。   

   
   

4. 顏色奧祕： 必須具備「未填滿的 d 軌域與未成對電子」才有顏色；d⁰（無電子）或 d¹⁰（填滿）的離子均為無色。