Właściwości metali przejściowych

Metale przejściowe definiuje się jako te pierwiastki, które mają częściowo wypełnione orbitale d. Jak pokazano na rysunku 1, elementy bloku d w grupach 3–12 są elementami przejściowymi. Pierwiastki bloku f, zwane również wewnętrznymi metalami przejściowymi (lantanowce i aktynowce), również spełniają to kryterium, ponieważ orbital d jest częściowo zajęty przed orbitalami f.

Rysunek 1: Układ okresowy pierwiastków. Metale przejściowe znajdują się w grupach 3–11 układu okresowego pierwiastków. Wewnętrzne metale przejściowe znajdują się w dwóch rzędach poniżej korpusu stołu.

Elementy bloku d są podzielone na pierwszą serię przejściową (pierwiastki od Sc do Cu), drugą serię przejściową (pierwiastki od Y do Ag) i trzecią serię przejściową (element La i pierwiastki od Hf do Au). Actinium, Ac, jest pierwszym członkiem czwartej serii przejściowej, która obejmuje również Rf do Rg.

Pierwiastki bloku f to pierwiastki od Ce do Lu, które tworzą szereg lantanowców (lub szereg lantanoidów) oraz pierwiastki od Th do Lr, które tworzą szereg aktynowców (lub szereg aktynowy). Ponieważ lantan zachowuje się bardzo podobnie do pierwiastków lantanowców, jest uważany za pierwiastek lantanowców, mimo że jego konfiguracja elektronowa sprawia, że jest pierwszym członkiem trzeciej serii przejściowej. Podobnie zachowanie aktynu oznacza, że jest on częścią szeregu aktynowców, chociaż jego konfiguracja elektronowa sprawia, że jest pierwszym członkiem czwartej serii przejściowej.

Pierwiastki przejściowe mają wiele właściwości wspólnych z innymi metalami. Prawie wszystkie są twardymi, wysokotopliwymi ciałami stałymi, które dobrze przewodzą ciepło i elektryczność. Łatwo tworzą stopy i tracą elektrony, tworząc stabilne kationy. Ponadto metale przejściowe tworzą szeroką gamę stabilnych związków koordynacyjnych, w których centralny atom lub jon metalu działa jak kwas Lewisa i przyjmuje jedną lub więcej par elektronów. Wiele różnych cząsteczek i jonów może przekazywać samotne pary do centrum metalu, służąc jako zasady Lewisa.

Właściwości elementów przejściowych

Metale przejściowe wykazują szeroki zakres zachowań chemicznych. Niektóre metale przejściowe są silnymi środkami redukującymi, podczas gdy inne mają bardzo niską reaktywność. Na przykład wszystkie lantanowce tworzą stabilne kationy wodne 3+. Siła napędowa takich utleniań jest podobna do siły napędowej metali ziem alkalicznych, takich jak Be lub Mg, tworzących Be²⁺ i Mg²⁺. Z drugiej strony materiały takie jak platyna i złoto mają znacznie wyższy potencjał redukcyjny. Ich odporność na utlenianie sprawia, że są użytecznymi materiałami do budowy obwodów i biżuterii.

Jony lżejszych pierwiastków bloku d, takich jak Cr³⁺, Fe³⁺ i Co²⁺, tworzą kolorowe uwodnione jony, które są stabilne w wodzie. Jednak jony w okresie tuż poniżej nich (Mo³⁺, Ru³⁺ i Ir²⁺) są niestabilne i łatwo reagują z tlenem z powietrza. Większość prostych, stabilnych w wodzie jonów tworzonych przez cięższe pierwiastki bloku d to oksyaniony, takie jak MoO^{4 2−} i ReO₄ ⁻.

Ruten, osm, rod, iryd, pallad i platyna to metale platynowe. Z trudem tworzą proste kationy, które są stabilne w wodzie i, w przeciwieństwie do wcześniejszych pierwiastków z drugiej i trzeciej serii przejściowej, nie tworzą stabilnych oksyanionów.

Zarówno pierwiastki bloku d, jak i f reagują z niemetalami, tworząc związki binarne; często wymagane jest ogrzewanie. Pierwiastki te reagują z halogenami, tworząc różne halogenki o stopniu utlenienia od +1 do +6. Po podgrzaniu tlen reaguje ze wszystkimi pierwiastkami przejściowymi z wyjątkiem palladu, platyny, srebra i złota. Tlenki tych ostatnich metali mogą być tworzone przy użyciu innych reagentów, ale rozkładają się po podgrzaniu. Pierwiastki bloku f, pierwiastki grupy 3 i pierwiastki pierwszego szeregu przejściowego, z wyjątkiem miedzi, reagują z wodnymi roztworami kwasów, tworząc gazowy wodór i roztwory odpowiednich soli.

Metale przejściowe mogą tworzyć związki o szerokim zakresie stopni utlenienia. Niektóre z obserwowanych stopni utlenienia pierwiastków pierwszej serii przejściowej przedstawiono w tabeli 1. Przechodząc od lewej do prawej w pierwszej serii przejściowej, liczba wspólnych stopni utlenienia wzrasta początkowo do maksimum w kierunku środka tabeli, a następnie maleje. Wartości w tabeli są wartościami typowymi; Istnieją inne znane wartości i możliwe jest syntezowanie nowych dodatków. Na przykład w 2014 roku naukowcom udało się zsyntetyzować nowy stopień utlenienia irydu (+9).

Tabela 1. Metale przejściowe z pierwszej serii przejściowej mogą tworzyć związki o różnych stopniach utlenienia.

W przypadku pierwiastków od skandu do manganu (pierwsza połowa pierwszej serii przejściowej) najwyższy stopień utlenienia odpowiada utracie wszystkich elektronów zarówno na orbicie s, jak i d ich powłok walencyjnych. Na przykład jon tytanu(IV) powstaje, gdy atom tytanu traci swoje dwa elektrony 3d i dwa 4s. Te najwyższe stopnie utlenienia są najbardziej stabilnymi formami skandu, tytanu i wanadu. Jednak nie jest możliwe dalsze usuwanie wszystkich elektronów walencyjnych z metali w miarę przechodzenia przez serię. Wiadomo, że żelazo tworzy stopnie utlenienia od +2 do +6, przy czym najczęstsze są żelazo(II) i żelazo(III). Większość pierwiastków pierwszej serii przejściowej tworzy jony o ładunku 2+ lub 3+, które są stabilne w wodzie, chociaż te z wczesnych członków serii mogą być łatwo utleniane przez powietrze.

Pierwiastki drugiej i trzeciej serii przejściowej są na ogół bardziej stabilne na wyższych stopniach utlenienia niż pierwiastki pierwszej serii. Ogólnie rzecz biorąc, promień atomowy zwiększa się w dół grupy, co prowadzi do tego, że jony drugiej i trzeciej serii są większe niż jony w pierwszej serii. Usuwanie elektronów z orbitali, które znajdują się dalej od jądra, jest łatwiejsze niż usuwanie elektronów znajdujących się blisko jądra. Na przykład molibden i wolfram, należące do grupy 6, są ograniczone głównie do stopnia utlenienia +6 w roztworze wodnym. Chrom, najlżejszy przedstawiciel grupy, tworzy w wodzie stabilne jony Cr³⁺, a przy braku powietrza mniej stabilne jony Cr²⁺. Siarczek o najwyższym stopniu utlenienia chromu to Cr₂S₃, który zawiera jon Cr³⁺. Molibden i wolfram tworzą siarczki, w których metale wykazują stopnie utlenienia +4 i +6.

Różnorodność właściwości wykazywanych przez metale przejściowe wynika z ich złożonych powłok walencyjnych. W przeciwieństwie do większości metali z grupy głównej, w których zwykle obserwuje się jeden stopień utlenienia, struktura powłoki walencyjnej metali przejściowych oznacza, że zwykle występują one na kilku różnych stabilnych stopniach utlenienia. Ponadto przejścia elektronowe w tych pierwiastkach mogą odpowiadać absorpcji fotonów w widzialnym widmie elektromagnetycznym, prowadząc do powstania kolorowych związków. Ze względu na te zachowania metale przejściowe wykazują bogatą i fascynującą chemię.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Rozdział 19.1 Występowanie, otrzymywanie i właściwości metali przejściowych i ich związków.