化學世界中的規律 / 子課題
過渡性金屬
Transition Metals
過渡金屬的三大特性：有色離子、可變氧化態及催化活性
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 過渡金屬的三大特性
考評提示：有色離子顏色表、可變氧化態及催化劑例子
- 過渡金屬特性：① 有顏色的離子（Fe³⁺ 黃棕色，Fe²⁺ 淺綠色，Cr³⁺ 綠色，Cu²⁺ 藍色，MnO₄⁻ 紫色）；② 可變氧化態（Fe: +2/+3; Mn: +2/+4/+7; Cr: +3/+6）；③ 具催化活性。
- 過渡金屬作催化劑：工業上，鐵 (Fe) 用於合成氨哈伯法；Pt/Pd 用於汽車催化轉化器。
常見題型 · scoring points
說明過渡性金屬存在多於一種氧化態的典型例子
- 鐵：Fe²⁺（淺綠色 aq，FeSO₄）、Fe³⁺（黃/棕色 aq，FeCl₃）；Fe²⁺ 易被 O₂ 氧化為 Fe³⁺。
- 錳：Mn²⁺（淡粉紅色 aq）、Mn(+4)（MnO₂，黑色固體）、Mn(+7)（MnO₄⁻，深紫色 aq，強氧化劑）。
- 銅：Cu⁺（Cu₂O，紅磚色；在水溶液不穩定易歧化）、Cu²⁺（藍色 aq，CuSO₄·5H₂O）。
- 鉻：Cr³⁺（綠色 aq）、Cr(+6)（Cr₂O₇²⁻ 橙色、CrO₄²⁻ 黃色）。
描述常見過渡性金屬水合離子的顏色
- Fe²⁺(aq)：淺綠色（如 FeSO₄(aq)）；Fe³⁺(aq)：黃色至棕色（如 FeCl₃(aq)）。
- Cu²⁺(aq)：藍色（如 CuSO₄(aq)）；Cr³⁺(aq)：綠色（如 CrCl₃(aq)）。
- Mn²⁺(aq)：淡粉紅色（色淺）；MnO₄⁻(aq)：深紫色。
- Ni²⁺(aq)：綠色；Co²⁺(aq)：粉紅色；Zn²⁺(aq)：無色（注意：Zn 嚴格上不屬過渡金屬，因 3d 全滿）。
解釋過渡性金屬及其化合物作為催化劑的重要例子
- 哈伯法：Fe 作催化劑；N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)；用於合成氨及化肥工業。
- 接觸法：V₂O₅ 作催化劑；2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)；用於製硫酸。
- 催化轉化器（汽車）：Pt/Pd/Rh 催化劑；將 CO、NOx、未燃燒碳氫化合物轉為 CO₂、N₂、H₂O。
- H₂O₂ 分解：MnO₂ 催化；2H₂O₂ → 2H₂O + O₂；實驗室製 O₂。（體內則用過氧化氫酶作生物催化劑。）
利用 KMnO₄ 標準溶液滴定測 Fe²⁺ 的含量
- 氧化還原反應：MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O；於稀 H₂SO₄ 中進行（不用 HCl 避免 Cl⁻ 被氧化）。
- 指示劑：KMnO₄ 本身即指示劑（自指示）；滴定終點為剛剛出現淡粉紅色（過量 1 滴）。
- 觀察：每加一滴 KMnO₄，紫色立即褪色（因被 Fe²⁺ 還原為無色 Mn²⁺）；終點時不再褪色。
- 計算：n(Fe²⁺) = 5 × n(MnO₄⁻) 消耗；由此計算未知 Fe²⁺ 樣本的濃度或質量百分比。
描述 Fe²⁺ 與 Fe³⁺ 的檢定試驗
- Fe²⁺ 檢驗：加 NaOH(aq) → 生成深綠色 Fe(OH)₂ 沉澱（放置於空氣中漸漸被氧化成棕色）。
- Fe³⁺ 檢驗：加 NaOH(aq) → 生成紅棕色 Fe(OH)₃ 沉澱。
- Fe³⁺ 特徵試驗：加 KSCN(aq) → 生成深紅色 Fe(SCN)²⁺(aq) 錯合物（非常靈敏）。
- Fe²⁺ 特徵試驗：加 K₃[Fe(CN)₆]（赤血鹽）→ 生成深藍色沉澱（滕博藍 Turnbull's blue）；而 Fe³⁺ 加 K₄[Fe(CN)₆]（黃血鹽）亦生成深藍色（普魯士藍）。
描述 Cu²⁺ 離子的檢定試驗及特徵顏色變化
- 水溶液：Cu²⁺(aq) 為藍色；其無水鹽 CuSO₄ 為白色（加水回復藍色，用於檢驗水的存在）。
- 加入少量 NaOH(aq)：生成淺藍色 Cu(OH)₂ 沉澱；加熱後分解為黑色 CuO。
- 加入過量 NH₃(aq)：先生成淺藍色 Cu(OH)₂ 沉澱，繼續加入則沉澱溶解生成深藍色 [Cu(NH₃)₄]²⁺(aq) 錯合離子。
- 焰色試驗：Cu²⁺ 顯藍綠色焰色；加入鐵釘：Cu²⁺ + Fe → Cu(s) + Fe²⁺（紅色銅析出，藍色褪）。
解釋過渡性金屬在週期表中的位置及一般物理性質
- 位置：週期表中間 d 區（第 3 至第 12 族），第 4 至第 7 週期；DSE 主要討論第 4 週期 Sc 至 Zn（Sc 及 Zn 嚴格不算）。
- 物理性質：密度高、熔點及沸點高（Fe 熔點 1538°C）、具金屬光澤、良好導電及導熱。
- 硬度：比 Group I/II 金屬硬得多（如 Fe、Cr 硬度高），強度大。
- 與主族金屬區別：具有變化的氧化態、有色離子、催化性質、形成錯合離子的能力。
描述過渡性金屬在生物體及工業中的重要應用
- 生物體：Fe 為血紅蛋白輔基中心，結合 O₂ 輸送（人體缺鐵會引致貧血）；Co 為維生素 B₁₂ 成分；Zn 為多種酶（如碳酸酐酶）的輔因子。
- 工業：Fe 用於製鋼（建築、機械）；Cu 用於電線（導電性佳）、硬幣；Ti 用於飛機、醫用植入（抗腐蝕兼輕）。
- 催化劑：Fe（哈伯法合成氨）、V₂O₅（接觸法製 H₂SO₄）、Ni（氫化植物油）、Pt/Pd（汽車催化轉化器）。
- 顏料與電池：TiO₂ 白色顏料；Cr、Mn 氧化物作色素（如玻璃著色）；Ni-Cd、Li-ion 電池含過渡金屬。
化學世界中的規律 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
