过渡元素的原子电子层结构具有特殊的特点，它们的最外层电子层都是未充满的d轨道，而最外层也只有1～2个电子。过渡元素位于周期表的d区。
过渡金属元素位于四、五、六周期的中部。第四周期的过渡元素被称为第一系列，本文将重点讨论第一系列过渡元素的性质和用途。涉及的理论包括晶体场理论、氧化还原和一般化学运算。至于锆、铪、铌和钽的性质将作为一般要求。
（1）原子电子层结构的特点：过渡元素的原子电子层结构的共同特点是价电子填充在次外层的d轨道上，其价电子层的构型通式为（n－1）d（1~9）ns（1~2），因此它们也被称为d区元素。
（2）氧化态的表现：过渡元素由于最外层s轨道和次外层d轨道均未充满且能量相近，除最外层s电子外，次外层d电子也可部分或全部参与成键。因此，过渡元素通常具有多种氧化态，从+2逐渐增加到与族数相应的最高氧化态（ⅧB族除外）。
（3）原子半径的变化：随着原子序数的增大，各周期自左向右原子半径逐渐减小，但变化较缓慢。这是因为随着原子序数的增加，填充在d轨道上的电子未达到饱和，屏蔽效应较小，而核电荷逐渐增加，对外层电子云的吸引力增大，因此原子半径逐渐减小。直到铜族前后，d轨道填满，屏蔽效应增强，原子半径再次增大。同族元素自上而下，由于镧系收缩的影响，第五、六周期上下两元素的半径相近。
（4）主要的物理性质：过渡元素大多数为金属，具有较高的硬度、熔点和沸点。这些性质与它们较小的原子半径、次外层d电子参与成键以及金属键强度较大有关。过渡金属还具有良好的延展性和机械加工性，是电和热的良好导体。此外，许多过渡金属及其化合物具有顺磁性，这与它们具有未成对的d电子有关。
晶体场理论主要研究过渡金属配合物中心离子的d轨道在配位场的影响下发生的变化，以及这种变化与配合物性质之间的关系。其要点如下：
在形成配合物时，中心离子原有能量相同的五个简并d轨道在配位场的影响下发生分裂，有的能量升高，有的能量降低。这种分裂与配位体的空间构型有关。例如，在八面体中，原有的轨道分裂成能量较高的dr（或eg）轨道和能量较低的d（或t2g）轨道。而在正四面体中，发生与八面体场相反的分裂。
d轨道分裂后的能量差可以用分裂能△表示。八面体场中，通常规定分裂成dv和dε轨道的能量差为△＝10Dq，而在四面体场中，d轨道能量分裂仅为八面体场的4/9。分裂能△的大小与配位体的种类、中心离子的电荷数以及中心离子所属的过渡系等因素有关。
根据d轨道分裂后的相对能量，可以计算过渡金属离子d轨道的总能量。一般来说，分裂后轨道的总能量往往低于分裂前轨道的总能量，这种总能量的降低称为晶体场稳定化能。晶体场稳定化能越大，配合物越稳定。
晶体场理论考虑了配位体对中心离子的影响，解释了配合物性质时遇到的困难。它指出配位体对中心离子d轨道的影响，不仅影响电子云的分布，也影响d轨道能量的变化。这种变化与配合物的性质（如稳定性、颜色、磁性等）密切相关，较好地解释了一些价键理论无法解释的问题。
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