Propiedades de los Metales de Transición

Los metales de transición se definen como aquellos elementos que tienen orbitales d parcialmente llenos. Como se muestra en la Figura 1, los elementos del bloque d en los grupos 3–12 son elementos de transición. Los elementos del bloque f, también llamados metales de transición interna (lantánidos y actínidos), también cumplen este criterio porque el orbital d es parcialmente llenado antes de los orbitales f.

Figura 1: Tabla periódica.Los metales de transición se encuentran en los grupos 3–11 de la tabla periódica. Los metales de transición interna están en las dos filas debajo del cuerpo de la tabla.

Los elementos del bloque d se dividen en la primera serie de transición (los elementos desde Sc hasta Cu), la segunda serie de transición (los elementos desde Y hasta Ag) y la tercera serie de transición (el elemento La y los elementos desde Hf hasta Au). El actinio, Ac, es el primer miembro de la cuarta serie de transición, que también incluye desde Rf hasta Rg.

Los elementos del bloque f son los elementos desde Ce hasta Lu, que constituyen la serie lantánida (o serie lantanoide), y los elementos desde Th hasta Lr, constituyen la serie actínida (o serie actinoide). Debido a que el lantano se comporta muy parecido a los elementos lantánidos, se considera un elemento lantánido, aunque su configuración electrónica lo convierte en el primer miembro de la tercera serie de transición. Del mismo modo, el comportamiento del actinio sugiere que forma parte de la serie actínida, aunque su configuración electrónica lo convierte en el primer miembro de la cuarta serie de transición.

Los elementos de transición tienen muchas propiedades en común con otros metales. Son casi todos sólidos duros de alta fusión que conducen bien el calor y la electricidad. Ellos fácilmente forman aleaciones y pierden electrones para formar cationes estables. Además, los metales de transición forman una amplia variedad de compuestos de coordinación estables, en los que el átomo o ion de metal central actúa como un ácido de Lewis y acepta uno o más pares de electrones. Muchas moléculas e iones diferentes pueden donar pares solitarios al centro de metal, sirviendo como bases de Lewis.

Propiedades de los elementos de transición

Los metales de transición demuestran una amplia gama de comportamientos químicos. Algunos metales de transición son agentes reductores fuertes, mientras que otros tienen una reactividad muy baja. Por ejemplo, todos los lantánidos forman cationes acuosos estables de 3+. La fuerza impulsora de tales oxidaciones es similar a la de los metales alcalinotérreos como Be o Mg, formando Be²⁺ y Mg²⁺. Por otro lado, materiales como el platino y el oro tienen un potencial de reducción mucho mayor. Su capacidad de resistir la oxidación los hace materiales útiles para construir circuitos y joyas.

Los iones de los elementos del bloque d más ligeros, como Cr³⁺, Fe³⁺ y CO²⁺, forman iones hidratados coloridos que son estables en el agua. Sin embargo, los iones en el período justo debajo de éstos (Mo³⁺, Ru³⁺ y Ir²⁺) son inestables y reaccionan fácilmente con el oxígeno del aire. La mayoría de los iones simples y estables al agua formados por los elementos más pesados del bloque d son oxianiones como MoO₄²⁻ y ReO₄⁻.

Rutenio, osmio, rodio, iridio, paladio, y el platino son los metales del grupo del platino. Con dificultad, forman cationes simples que son estables en el agua, y, a diferencia de los elementos anteriores en la segunda y tercera serie de transición, no forman oxianiones estables.

Tanto los elementos del bloque d como f reaccionan con los no metales para formar compuestos binarios; a menudo requiriendo calentamiento. Estos elementos reaccionan con halógenos para formar una variedad de haluros que varían en estado de oxidación de +1 a +6. Al calentarse, el oxígeno reacciona con todos los elementos de transición excepto paladio, platino, plata y oro. Los óxidos de estos últimos metales pueden formarse utilizando otros reactivos, pero se descomponen al calentarse. Los elementos del bloque f, los elementos del grupo 3 y los elementos de la primera serie de transición, excepto el cobre, reaccionan con soluciones acuosas de ácidos, formando gas hidrógeno y soluciones de las sales correspondientes.

Los metales de transición pueden formar compuestos con una amplia gama de estados de oxidación. Algunos de los estados de oxidación observados de los elementos de la primera serie de transición se muestran en la Tabla 1. Al moverse de izquierda a derecha a través de la primera serie de transición, el número de estados de oxidación comunes aumenta al principio hasta un máximo hacia el centro de la tabla y, a continuación, disminuye. Los valores de la tabla son valores típicos; hay otros valores conocidos y es posible sintetizar nuevas adiciones. Por ejemplo, en 2014, los investigadores tuvieron éxito en sintetizar un nuevo estado de oxidación del iridio (+9).

Tabla 1. Los metales de transición de la primera serie de transición pueden formar compuestos con diferentes estados de oxidación.

Para los elementos desde el escandio hasta el manganeso (la primera mitad de la primera serie de transición), el estado de oxidación más alto corresponde a la pérdida de todos los electrones en los orbitales s y d de sus capas de valencia. El ion de titanio (IV), por ejemplo, se forma cuando el átomo de titanio pierde sus dos pierde sus electrones 3d y 4s. Estos estados de oxidación más altos son las formas más estables de escandio, titanio y vanadio. Sin embargo, no es posible continuar con la eliminación de todos los electrones de valencia de los metales a medida que continuamos a través de la serie. Se sabe que el hierro forma estados de oxidación de +2 a +6, siendo el hierro (II) y el hierro (III) los más comunes. La mayoría de los elementos de la primera serie de transición forman iones con una carga de 2+ o 3+ que son estables en agua, aunque los de los primeros miembros de la serie pueden ser fácilmente oxidados por el aire.

Los elementos de la segunda y tercera serie de transición son generalmente más estables en estados de oxidación más altos que los elementos de la primera serie. En general, el radio atómico se incrementa hacia abajo en un grupo, lo que lleva a que los iones de la segunda y tercera serie sean más grandes que los de la primera serie. La eliminación de electrones de los orbitales ubicados más lejos del núcleo es más fácil que la eliminación de electrones cerca del núcleo. Por ejemplo, el molibdeno y el volframio, miembros del grupo 6, están limitados principalmente a un estado de oxidación de +6 en solución acuosa. El cromo, el miembro más ligero del grupo, forma iones estables Cr³⁺ en el agua y, en ausencia de aire, iones menos estables Cr²⁺. El sulfuro con el estado de oxidación más alto para el cromo es Cr₂S₃, que contiene el ion Cr³⁺. El molibdeno y el tungsteno forman sulfuros en los que los metales presentan estados de oxidación de +4 y +6.

La variedad de propiedades exhibidas por los metales de transición se debe a sus complejas capas de valencia. A diferencia de la mayoría de los metales del grupo principal, donde normalmente se observa un estado de oxidación, la estructura de la capa de valencia de los metales de transición implica que normalmente ocurren en varios estados de oxidación estable diferentes. Además, las transiciones de electrones en estos elementos pueden corresponder con la absorción de fotones en el espectro electromagnético visible, lo que conduce a compuestos coloreados. Debido a estos comportamientos, los metales de transición exhiben una química rica y fascinante.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Capítulo 19.1 Ocurrencia, Preparación y Propiedades de los Metales de Transición y sus Compuestos.