20.1: Proprietà dei metalli di transizione

I metalli di transizione sono definiti come quegli elementi che hanno orbitali d parzialmente riempiti. Come mostrato nella Figura 1, gli elementi del blocco D nei gruppi 3–12 sono elementi di transizione. Anche gli elementi del blocco f, chiamati anche metalli di transizione interna (i lantanidi e gli attinidi), soddisfano questo criterio perché l'orbitale d è parzialmente occupato prima degli orbitali f.

Figura 1: tavola periodica. I metalli di transizione si trovano nei gruppi 3-11 della tavola periodica. I metalli di transizione interni si trovano nelle due file sotto il corpo della tavola.

Gli elementi del blocco d sono divisi nella prima serie di transizione (gli elementi da Sc a Cu), la seconda serie di transizione (gli elementi da Y ad Ag) e la terza serie di transizione (l'elemento La e gli elementi da Hf a Au). L'attinio, Ac, è il primo membro della quarta serie di transizione, che comprende anche da Rf a Rg.

Gli elementi del blocco f sono gli elementi da Ce a Lu, che costituiscono la serie dei lantanidi (o serie dei lantanoidi), e gli elementi da Th a Lr, che costituiscono la serie degli attinidi (o serie degli attinoidi). Poiché il lantanio si comporta in modo molto simile agli elementi lantanidi, è considerato un elemento lantanide, anche se la sua configurazione elettronica lo rende il primo membro della terza serie di transizione. Allo stesso modo, il comportamento dell'attinio significa che fa parte della serie degli attinidi, sebbene la sua configurazione elettronica lo renda il primo membro della quarta serie di transizione.

Gli elementi di transizione hanno molte proprietà in comune con altri metalli. Sono quasi tutti solidi duri e ad alto punto di fusione che conducono bene il calore e l'elettricità. Formano facilmente leghe e perdono elettroni per formare cationi stabili. Inoltre, i metalli di transizione formano un'ampia varietà di composti di coordinazione stabili, in cui l'atomo o lo ione metallico centrale agisce come un acido di Lewis e accetta una o più coppie di elettroni. Molte molecole e ioni diversi possono donare coppie solitarie al centro metallico, fungendo da basi di Lewis.

Proprietà degli Elementi di Transizione

I metalli di transizione mostrano un’ampia gamma di comportamenti chimici. Alcuni metalli di transizione sono forti agenti riducenti, mentre altri hanno una reattività molto bassa. Ad esempio, i lantanidi formano tutti cationi acquosi stabili 3+. La forza trainante di tali ossidazioni è simile a quella dei metalli alcalino terrosi come Be o Mg, che formano Be^2+ e Mg^2+. Materiali come il platino e l’oro hanno invece un potenziale di riduzione molto più elevato. La loro capacità di resistere all'ossidazione li rende materiali utili per costruire circuiti e gioielli.

Gli ioni degli elementi più leggeri del blocco D, come Cr^3+, Fe^3+ e Co^2+, formano ioni idratati colorati che sono stabili in acqua. Tuttavia, gli ioni nel periodo immediatamente inferiore a questi (Mo^3+, Ru^3+ e Ir^2+) sono instabili e reagiscono prontamente con l'ossigeno dell'aria. La maggior parte degli ioni semplici e stabili in acqua formati dagli elementi più pesanti del blocco D sono ossianioni come MoO_4^2− e ReO_4^−.

Rutenio, osmio, rodio, iridio, palladio e platino sono i metalli del platino. Con difficoltà formano cationi semplici stabili in acqua e, a differenza dei precedenti elementi della seconda e terza serie di transizione, non formano ossianioni stabili.

Entrambi gli elementi del blocco d e f reagiscono con i non metalli per formare composti binari; spesso è necessario il riscaldamento. Questi elementi reagiscono con gli alogeni per formare una varietà di alogenuri che variano nello stato di ossidazione da +1 a +6. Durante il riscaldamento, l'ossigeno reagisce con tutti gli elementi di transizione tranne che con il palladio, il platino, l’argento e l’oro. Gli ossidi di questi ultimi metalli possono essere formati utilizzando altri reagenti, ma si decompongono con il riscaldamento. Gli elementi del blocco f, gli elementi del gruppo 3 e gli elementi della prima serie di transizione, eccetto il rame, reagiscono con soluzioni acquose di acidi, formando idrogeno gassoso e soluzioni dei corrispondenti sali.

I metalli di transizione possono formare composti con un'ampia gamma di stati di ossidazione. Alcuni degli stati di ossidazione osservati degli elementi della prima serie di transizione sono mostrati nella Tabella 1. Muovendosi da sinistra a destra attraverso la prima serie di transizione, il numero di stati di ossidazione comuni aumenta dapprima fino ad un massimo verso il centro della tabella, poi diminuisce. I valori nella tabella sono valori tipici; ci sono altri valori noti ed è possibile sintetizzare nuove aggiunte. Ad esempio, nel 2014, i ricercatori sono riusciti a sintetizzare un nuovo stato di ossidazione dell’iridio (+9).

Table 1. I metalli di transizione della prima serie di transizione possono formare composti con diversi stati di ossidazione.

Per gli elementi dallo scandio al manganese (la prima metà della prima serie di transizione), lo stato di ossidazione più elevato corrisponde alla perdita di tutti gli elettroni in entrambi gli orbitali s e d dei loro gusci di valenza. Lo ione titanio(IV), ad esempio, si forma quando perde l'atomo di titanio i suoi due elettroni 3d e due 4s. Questi stati di ossidazione più elevati sono le forme più stabili di scandio, titanio e vanadio. Tuttavia, non è possibile continuare a rimuovere tutti gli elettroni di valenza dai metalli proseguendo nella serie. È noto che il ferro forma stati di ossidazione da +2 a +6, di cui il ferro (II) e il ferro (III) sono i più comuni. La maggior parte degli elementi della prima serie di transizione formano ioni con carica 2+ o 3+ che sono stabili in acqua, sebbene quelli dei primi membri della serie possano essere facilmente ossidati dall'aria.

Gli elementi della seconda e terza serie di transizione generalmente sono più stabili negli stati di ossidazione più elevati rispetto agli elementi della prima serie. In generale, il raggio atomico aumenta lungo un gruppo, il che fa sì che gli ioni della seconda e della terza serie siano più grandi di quelli della prima serie. Rimuovere gli elettroni dagli orbitali che si trovano più lontani dal nucleo è più semplice che rimuovere gli elettroni vicini al nucleo. Ad esempio, il molibdeno e il tungsteno, membri del gruppo 6, sono limitati per lo più a uno stato di ossidazione pari a +6 in soluzione acquosa. Il cromo, il membro più leggero del gruppo, forma ioni Cr^3+ stabili nell'acqua e, in assenza di aria, ioni Cr^2+ meno stabili. Il solfuro con il più alto stato di ossidazione del cromo è Cr_2S_3, che contiene lo ione Cr^3+. Il molibdeno e il tungsteno formano solfuri in cui i metalli presentano stati di ossidazione di +4 e +6.

La varietà di proprietà esibite dai metalli di transizione è dovuta ai loro complessi gusci di valenza. A differenza della maggior parte dei metalli del gruppo principale in cui normalmente si osserva uno stato di ossidazione, la struttura del guscio di valenza dei metalli di transizione significa che di solito si presentano in diversi stati di ossidazione stabili. Inoltre, le transizioni elettroniche in questi elementi possono corrispondere all'assorbimento di fotoni nello spettro elettromagnetico visibile, portando a composti colorati. A causa di questi comportamenti, i metalli di transizione presentano una chimica ricca e affascinante.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Chapter 19.1 Occurrence, Preparation, and Properties of Transition Metals and Their Compounds.

I metalli di transizione sono un gruppo di elementi situati nel blocco D.Sono posizionati fra gli elementi del gruppo principale e presentano caratteristiche uniche, come conduttività elettrica, colori, durezza, punti di fusione elevati e magnetismo. Molte di queste caratteristiche sono attribuite al riempimento degli orbitali d. Durante il periodo, gli elettroni sono aggiunti seguendo il principio di Aufbau.

Tuttavia, l'orbitale più esterno viene riempito per primo, prima che l'elettrone entri nella subshell d, con alcune eccezioni. Il cromo e il rame hanno un orbitale s riempito a metà perché energeticamente è più favorito ad avere un subshell pieno a metà o d. La dimensione atomica dei metalli di transizione diminuisce leggermente in un periodo.

Quando gli elettroni entrano nel subshell d, il numero di elettroni di valenza nell'orbitale s più esterno rimane costante, portando a una carica nucleare complessiva costante. In fondo alla colonna, la tendenza aumenta dal quarto al quinto periodo, ma non al di sotto. Il 6°periodo contiene 14 elementi aggiuntivi della serie dei lantanidi, dove gli elettroni entrano nella subshell f prima di entrare nella subshell d.

Gli elettroni situati negli orbitali f non schermano sufficientemente gli elettroni di valenza, nell'orbitale più esterno s, da cui ne risulta un aumento della carica nucleare effettiva. Pertanto, gli elettroni di valenza sono attratti più fortemente, portando a raggi atomici più piccoli del previsto. Questa è noto come contrazione dei lantanidi.

Allo stesso modo, l'elettronegatività degli elementi di transizione è influenzata dalla sua dimensione atomica e dalla carica nucleare. Spostandosi in un periodo, aumenta solo leggermente. In fondo alla colonna, l'elettronegatività aumenta dal quarto al quinto periodo, ma rimane costante nel sesto.

Ciò è attribuito a una diminuzione delle dimensioni atomiche e a un aumento della carica nucleare. L'energia di ionizzazione dei metalli di transizione aumenta leggermente in un periodo. Si noti che, in fondo alla colonna, è più alto per il 6°periodo rispetto al 4°e al 5°Qui, gli elettroni di valenza sono tenuti più saldamente mentre la carica nucleare aumenta con un aumento trascurabile della dimensione atomica.

Infine, i metalli di transizione possono avere una gamma di stati di ossidazione stabili, perdendo gli elettroni orbitali s più esterni prima degli elettroni orbitali d spaiati. Gli orbitali d parzialmente riempiti consentono stati di ossidazione compresi fra 7 e 1, colori caratteristici e proprietà magnetiche.