第VIII族铁系元素

铁、钴、镍三种元素同属于第VIII族，它们的最外层都有两个4s电子，而次外层的3d电子数分别为6、7、8。这种结构使得它们的原子半径相似，因此它们的性质也具有高度的相似性。

然而，当这些元素过渡到第一过渡系列时，3d电子数量超过5个，这导致它们在成键时的价电子数量减少，最高氧化态不再与族数相匹配。铁的常见氧化态为+2和+3，而钴和镍的常见氧化态主要是+2，它们在强氧化剂的作用下，钴可以生成不稳定的+3氧化态，镍则较少出现+3氧化态。

铁系元素在物理性质、化学性质和用途方面展现出了共同的特征。它们的原子半径、离子半径和电离势等性质随着原子序数的增加而有序变化。尽管镍的原子量比钴小，但其同位素中质量数较小的一种占比较高。

铁系元素的单质具有金属光泽，通常是白色金属，钴略带灰色。它们的密度较大，熔点也较高，熔点随原子序数的增加而下降，这可能与3d轨道中成单电子数的减少有关。铁较脆，而钴和镍则有良好的延展性。它们都表现出铁磁性，且合金是优秀的磁性材料。

化学性质方面，铁系元素在酸性溶液中，Fe2+、Co2+和Ni2+分别是铁、钴、镍离子的稳定状态。在酸性介质中，Fe2+易被氧化成Fe3+，但Co2+和Ni2+不易被氧化为Co3+和Ni3+。在碱性介质中，铁的最稳定氧化态为+3，而钴和镍的最稳定氧化态仍为+2。低氧化态氢氧化物的还原性按Fe(OH)2、Co(OH)2、Ni(OH)2的顺序递减。铁系元素易溶于稀酸，钴在稀酸中溶解较慢。它们遇到浓硝酸都呈钝态。铁在热的浓碱液中被侵蚀，而钴和镍在碱溶液中的稳定性高于铁。铁系元素在高温下与非金属如氧、硫、氯、磷等反应剧烈，但在没有水汽存在的一般温度下，它们与非金属几乎不起作用。

铁、钴、镍广泛应用于制造合金。铁是重要的基本结构材料，铁合金在多个领域有广泛的应用。钴的合金具有极高的硬度，镍是不锈钢的主要成分，实验室中常用镍坩埚熔融碱性物质。镍粉还可作为氢化反应的催化剂。

第VIII族元素在周期系中位置的特殊性是与它们之间性质的类似和递变关系相联系的。在九种元素中，虽然也存在着一般的垂直相似性，如铁、钌、锇，但水平相似性如铁、钴、镍则更为突出。因此，为了便于研究，通常把这九种元素分成两组，把位于第4周期的铁、钴、镍三种元素称为铁系元素，其余六种元素则称为铂系元素。由于镧系收缩的缘故，位于第5周期的钌、铑、钯与位于第6周期的锇、铱、铂非常相似而与第4周期的铁、钴、镍差别较大。铂系元素被列为稀有元素，和金、银一起称为贵金属。

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