20.1: Eigenschaften von Übergangsmetallen

Übergangsmetalle sind definiert als solche Elemente, die teilweise gefüllte d-Orbitale haben. Wie in Abbildung 1 dargestellt, handelt es sich bei den d-Block-Elementen in den Gruppen 3–12 um Übergangselemente. Die f-Block-Elemente, auch innere Übergangsmetalle genannt (die Lanthanide und Actinide), erfüllen dieses Kriterium ebenfalls, da das d-Orbital teilweise vor den f-Orbitalen besetzt ist.

Abbildung 1: Periodensystem. Die Übergangsmetalle befinden sich in den Gruppen 3–11 des Periodensystems. Die inneren Übergangsmetalle befinden sich in den beiden Zeilen unterhalb des Tabellenkörpers.

Die d-Block-Elemente werden in die erste Übergangsreihe (die Elemente Sc bis Cu), die zweite Übergangsreihe (die Elemente Y bis Ag) und die dritte Übergangsreihe (das Element La und die Elemente Hf bis Au) unterteilt. Actinium, Ac, ist das erste Mitglied der vierten Übergangsreihe, die auch Rf bis Rg umfasst.

Die f-Block-Elemente sind die Elemente Ce bis Lu, die die Lanthanidenreihe (oder Lanthanoidreihe) bilden, und die Elemente Th bis Lr, die die Actinidenreihe (oder Actinoidreihe) bilden. Da sich Lanthan sehr ähnlich wie die Lanthanoid-Elemente verhält, wird es als Lanthanid-Element betrachtet, auch wenn es aufgrund seiner Elektronenkonfiguration das erste Mitglied der dritten Übergangsreihe ist. In ähnlicher Weise bedeutet das Verhalten von Actinium, dass es Teil der Actinidenreihe ist, obwohl es aufgrund seiner Elektronenkonfiguration das erste Mitglied der vierten Übergangsreihe ist.

Die Übergangselemente haben viele Eigenschaften mit anderen Metallen gemeinsam. Sie sind fast alle harte, hochschmelzende Feststoffe, die Wärme und Strom gut leiten. Sie bilden leicht Legierungen und verlieren Elektronen, um stabile Kationen zu bilden. Darüber hinaus bilden Übergangsmetalle eine Vielzahl stabiler Koordinationsverbindungen, in denen das zentrale Metallatom oder -ion als Lewis-Säure fungiert und ein oder mehrere Elektronenpaare aufnimmt. Viele verschiedene Moleküle und Ionen können einsame Paare an das Metallzentrum abgeben, die als Lewis-Basen dienen.

Eigenschaften der Übergangselemente

Übergangsmetalle weisen ein breites Spektrum an chemischen Verhaltensweisen auf. Einige Übergangsmetalle sind starke Reduktionsmittel, während andere eine sehr geringe Reaktivität aufweisen. Zum Beispiel bilden die Lanthanide alle stabile 3+ wässrige Kationen. Die treibende Kraft für solche Oxidationen ist ähnlich wie bei Erdalkalimetallen wie Be oder Mg, wobei Be²⁺ und Mg²⁺ gebildet werden. Auf der anderen Seite haben Materialien wie Platin und Gold ein viel höheres Reduktionspotenzial. Ihre Fähigkeit, der Oxidation zu widerstehen, macht sie zu nützlichen Materialien für den Bau von Schaltkreisen und Schmuck.

Ionen der leichteren d-Block-Elemente, wie Cr³⁺, Fe³⁺ und Co²⁺, bilden bunte hydratisierte Ionen, die in Wasser stabil sind. Ionen in der Periode knapp darunter (Mo³⁺, Ru³⁺ und Ir²⁺) sind jedoch instabil und reagieren leicht mit Sauerstoff aus der Luft. Die Mehrzahl der einfachen, wasserstabilen Ionen, die aus den schwereren d-Block-Elementen gebildet werden, sind Oxyanionen wie MoO₄²⁻ und ReO₄⁻.

Ruthenium, Osmium, Rhodium, Iridium, Palladium und Platin sind die Platinmetalle. Mit Schwierigkeiten bilden sie einfache Kationen, die in Wasser stabil sind, und im Gegensatz zu den früheren Elementen der zweiten und dritten Übergangsreihe bilden sie keine stabilen Oxyanionen.

Sowohl die d– als auch die f-Block-Elemente reagieren mit Nichtmetallen zu binären Verbindungen; oft ist eine Erwärmung erforderlich. Diese Elemente reagieren mit Halogenen und bilden eine Vielzahl von Halogeniden im Oxidationszustand von +1 bis +6. Beim Erhitzen reagiert Sauerstoff mit allen Übergangselementen außer Palladium, Platin, Silber und Gold. Die Oxide dieser letztgenannten Metalle können mit anderen Reaktanten gebildet werden, aber sie zersetzen sich beim Erhitzen. Die f-Block-Elemente, die Elemente der Gruppe 3 und die Elemente der ersten Übergangsreihe mit Ausnahme von Kupfer reagieren mit wässrigen Lösungen von Säuren, wobei Wasserstoffgas und Lösungen der entsprechenden Salze gebildet werden.

Übergangsmetalle können Verbindungen mit einem breiten Spektrum an Oxidationsstufen bilden. Einige der beobachteten Oxidationsstufen der Elemente der ersten Übergangsreihe sind in Tabelle 1 dargestellt. Bewegt man sich in der ersten Übergangsreihe von links nach rechts, nimmt die Anzahl der gemeinsamen Oxidationsstufen zunächst zur Mitte der Tabelle hin zu einem Maximum zu, dann nimmt sie ab. Bei den Werten in der Tabelle handelt es sich um typische Werte. Es gibt weitere bekannte Werte, und es ist möglich, neue Additionen zu synthetisieren. So gelang es Forschern im Jahr 2014 beispielsweise, eine neue Oxidationsstufe von Iridium (+9) zu synthetisieren.

Tabelle 1. Übergangsmetalle der ersten Übergangsreihe können Verbindungen mit unterschiedlichen Oxidationsstufen bilden.

Für die Elemente Scandium bis Mangan (die erste Hälfte der ersten Übergangsreihe) entspricht die höchste Oxidationsstufe dem Verlust aller Elektronen sowohl im s– als auch im d-Orbital ihrer Valenzschalen. Das Titan(IV)-Ion zum Beispiel entsteht, wenn das Titanatom seine zwei 3d– und zwei 4s-Elektronen verliert. Diese höchsten Oxidationsstufen sind die stabilsten Formen von Scandium, Titan und Vanadium. Es ist jedoch nicht möglich, im Laufe der Reihe weiterhin alle Valenzelektronen aus Metallen zu entfernen. Es ist bekannt, dass Eisen Oxidationsstufen von +2 bis +6 bildet, wobei Eisen(II) und Eisen(III) am häufigsten vorkommen. Die meisten Elemente der ersten Übergangsreihe bilden Ionen mit einer Ladung von 2+ oder 3+, die in Wasser stabil sind, obwohl die Elemente der frühen Mitglieder der Reihe leicht durch Luft oxidiert werden können.

Die Elemente der zweiten und dritten Übergangsreihe sind in der Regel in höheren Oxidationsstufen stabiler als die Elemente der ersten Reihe. Im Allgemeinen nimmt der atomare Radius eine Gruppe nach unten zu, was dazu führt, dass die Ionen der zweiten und dritten Serie größer sind als die der ersten Reihe. Das Entfernen von Elektronen aus Orbitalen, die weiter vom Kern entfernt sind, ist einfacher als das Entfernen von Elektronen in der Nähe des Kerns. Zum Beispiel sind Molybdän und Wolfram, Mitglieder der Gruppe 6, meist auf eine Oxidationsstufe von +6 in wässriger Lösung beschränkt. Chrom, das leichteste Mitglied der Gruppe, bildet in Wasser stabile Cr³⁺-Ionen und in Abwesenheit von Luft weniger stabile Cr²⁺-Ionen. Das Sulfid mit der höchsten Oxidationsstufe für Chrom ist Cr₂S₃, das das Cr³⁺ Ion enthält. Molybdän und Wolfram bilden Sulfide, in denen die Metalle Oxidationsstufen von +4 und +6 aufweisen.

Die Vielfalt der Eigenschaften von Übergangsmetallen ist auf ihre komplexen Valenzschalen zurückzuführen. Im Gegensatz zu den meisten Metallen der Hauptgruppe, bei denen normalerweise eine Oxidationsstufe beobachtet wird, bedeutet die Valenzschalenstruktur von Übergangsmetallen, dass sie in der Regel in mehreren verschiedenen stabilen Oxidationsstufen auftreten. Darüber hinaus können Elektronenübergänge in diesen Elementen mit der Absorption von Photonen im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum korrespondieren, was zu farbigen Verbindungen führt. Aufgrund dieser Verhaltensweisen weisen Übergangsmetalle eine reichhaltige und faszinierende Chemie auf.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Kapitel 19.1 Vorkommen, Herstellung und Eigenschaften von Übergangsmetallen und ihren Verbindungen.