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10.1:

Propriedades dos Metais de Transição

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Chemistry
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Properties of Transition Metals

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Os metais de transição são um grupo de elementos localizados no bloco d. São colocados entre os principais elementos do grupo e têm características únicas, tais como como condutividade elétrica, cores, dureza, pontos de fusão alta e magnetismo. Muitas destas características são atribuídas ao preenchimento das orbitais d.Movendo-se através do período, os elétrons são adicionados seguindo o princípio de Aufbau. No entanto, o orbital s mais exterior é preenchido primeiro, antes do elétron entrar na subcapa d, com algumas exceções. O crómio e o cobre têm uma orbital s meia cheia porque é energeticamente mais favorecida por ter uma subcapa d meia cheia ou cheia.O tamanho atómico dos metais de transição diminui ligeiramente ao longo de um período. Á medida que os elétrons entram na subcapa d, o número de elétrons de valência na orbital s mais exterior mantém-se estável, levando a uma carga nuclear constante. Ao fundo da coluna, a tendência aumenta a partir do quarto até ao quinto período, mas não abaixo.O 6º período contém 14 elementos adicionais da série Lantanídea, onde os elétrons entram na subcapa f antes de entrar na subcapa d. Os elétrons localizados nas orbitais f não protegem suficientemente os elétrons de valência na orbital s mais exterior, resultando num aumento da carga nuclear efetiva. Assim, os elétrons de valência são mais fortemente atraídos, levando a rádios atómicos mais pequenos do que o esperado.Isto é conhecido como a Contração de Lantanídea. Da mesma forma, a eletronegatividade dos elementos de transição é influenciada pelo seu tamanho atómico e carga nuclear. Movendo-se através de um período, ele aumenta apenas ligeiramente.Ao fundo da coluna, a eletronegatividade aumenta a partir do quarto até ao quinto período mas permanece constante no sexto período. Isto deve-se a uma diminuição do tamanho atómico e um aumento da carga nuclear. A energia de ionização de metais de transição aumenta ligeiramente ao longo de um período.Curiosamente, ao fundo da coluna, é mais elevado no 6º período do que nos 4º e 5º períodos. Aqui, os elétrons de valência são mantidos mais apertados à medida que a carga nuclear aumenta com um aumento insignificante do tamanho atómico. Finalmente, os metais de transição podem ter uma gama de estados estáveis de oxidação perdendo os elétrons orbitais s mais externos antes dos elétrons orbitais d não emparelhados.As orbitais d parcialmente cheias permitem estados de oxidação que variam entre 7 a 1, cores características, e propriedades magnéticas.

10.1:

Propriedades dos Metais de Transição

Os metais de transição são definidos como os elementos que têm orbitais d parcialmente preenchidas. Como mostra a Figura 1, os elementos do bloco d nos grupos 3–12 são elementos de transição. Os elementos do bloco f, também chamados metais de transição interna (os lantanídeos e actinídeos), também atendem a esse critério, pois a orbital d é parcialmente preenchida antes das orbitais f.

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Figura 1: Tabela Periódica. Os metais de transição estão localizados nos grupos 3–11 da tabela periódica. Os metais de transição interna estão nas duas linhas abaixo do corpo da tabela.

Os elementos do bloco d estão divididos na primeira série de transição (os elementos de Sc a Cu), na segunda série de transição (os elementos de Y a Ag), e na terceira série de transição (o elemento La e os elementos de Hf a Au). O actínio, Ac, é o primeiro membro da quarta série de transição, que também inclui de Rf a Rg.

Os elementos do bloco f são os elementos de Ce a Lu, que constituem a série dos lantanídeos (ou série lantanóide), e os elementos de Th a Lr, que constituem a série dos actinídeos (ou série actinóide). Como o lantânio se comporta muito como os elementos lantanídeos, ele é considerado um elemento lantanídeo, mesmo que a sua configuração eletrónica faça dele o primeiro membro da terceira série de transição. Da mesma forma, o comportamento do actínio significa que ele faz parte da série dos actinídeos, embora a sua configuração eletrónica faça dele o primeiro membro da quarta série de transição.

Os elementos de transição têm muitas propriedades em comum com outros metais. São quase todos sólidos duros, com alto ponto de fusão, que conduzem bem o calor e a eletricidade. Eles formam imediatamente ligas e perdem eletrões para formar catiões estáveis. Além disso, os metais de transição formam uma grande variedade de compostos de coordenação estáveis, nos quais o átomo ou o ião de metal central age como um ácido de Lewis e aceita um ou mais pares de eletrões. Muitas moléculas e iões diferentes podem doar pares solitários ao centro do metal, servindo como bases de Lewis.

Propriedades dos Elementos de Transição

Os metais de transição demonstram uma vasta gama de comportamentos químicos. Alguns metais de transição são agentes de redução fortes, enquanto que outros têm reatividade muito baixa. Por exemplo, os lantanídeos formam todos catiões aquosos 3+ estáveis. A força motriz para tais oxidações é semelhante à dos metais alcalinoterrosos, como Be ou Mg, formando Be2+ e Mg2+. Por outro lado, materiais como platina e ouro têm potenciais de redução muito mais elevados. A sua capacidade de resistir à oxidação torna-os materiais úteis para construir circuitos e jóias.

Iões dos elementos mais leves do bloco d, como Cr3+, Fe3+, e Co2+, formam iões hidratados coloridos que são estáveis em água. No entanto, iões no período imediatamente abaixo destes (Mo3+, Ru3+, e Ir2+) são instáveis e reagem prontamente com o oxigénio do ar. A maioria dos iões simples e estáveis em água formados pelos elementos mais pesados do bloco d são oxianiões como MoO42− e  ReO4.

Ruténio, ósmio, ródio, irídio, paládio, e platina são os metais da platina. Com dificuldade, formam catiões simples que são estáveis em água e, ao contrário dos elementos anteriores da segunda e terceira série de transição, não formam oxianiões estáveis.

Tanto os elementos do bloco d como do bloco f reagem com não-metais para formar compostos binários; o aquecimento é frequentemente necessário. Estes elementos reagem com halogénios para formar uma variedade de haletos que variam em estado de oxidação de +1 a +6. Com aquecimento, o oxigénio reage com todos os elementos de transição, excepto paládio, platina, prata, e ouro. Os óxidos destes últimos metais podem ser formados utilizando outros reagentes, mas decompõem-se após o aquecimento. Os elementos do bloco f, os elementos do grupo 3, e os elementos da primeira série de transição, com excepção do cobre, reagem com soluções aquosas de ácidos, formando hidrogénio gasoso e soluções dos respectivos sais.

Os metais de transição podem formar compostos com uma vasta gama de estados de oxidação. Alguns dos estados de oxidação observados dos elementos da primeira série de transição são mostrados na Tabela 1. Indo da esquerda para a direita ao longo da primeira série de transição, o número de estados de oxidação comuns aumenta inicialmente para um máximo em direção ao meio da tabela e, em seguida, diminui. Os valores da tabela são valores típicos; existem outros valores conhecidos, e é possível sintetizar novas adições. Por exemplo, em 2014, os investigadores foram bem-sucedidos na síntese de um novo estado de oxidação do irídio (+9).

21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn
+1
+2 +2 +2 +2 +2 +2 +2 +2
+3 +3 +3 +3 +3 +3 +3 +3 +3
+4 +4 +4 +4
+5
+6 +6 +6
+7

Tabela 1. Os metais de transição da primeira série de transição podem formar compostos com diferentes estados de oxidação.

Para os elementos de escândio a manganês (a primeira metade da primeira série de transição), o estado de oxidação mais alto corresponde à perda de todos os eletrões, tanto nas orbitais s como d das suas camadas de valência. O ião de titânio(IV), por exemplo, é formado quando o átomo de titânio perde os seus dois eletrões 3d e dois 4s. Estes estados de oxidação mais elevados são as formas mais estáveis de escândio, titânio e vanádio. No entanto, não é possível continuar a remover todos os eletrões de valência dos metais, à medida que continuamos a percorrer a série. O ferro é conhecido por formar estados de oxidação de +2 a +6, sendo o ferro(II) e o ferro(III) os mais comuns. A maioria dos elementos da primeira série de transição formam iões com uma carga de 2+ ou 3+ que são estáveis em água, embora os dos membros anteriores da série possam ser facilmente oxidados pelo ar.

Os elementos da segunda e terceira série de transição são geralmente mais estáveis em estados de oxidação mais elevados do que os elementos da primeira série. No geral, o raio atómico aumenta ao descer um grupo, o que leva a que os iões da segunda e terceira série sejam maiores do que os da primeira série. A remoção de eletrões de orbitais que se encontram mais longe do núcleo é mais fácil do que a remoção de eletrões perto do núcleo. Por exemplo, o molibdénio e o tungsténio, membros do grupo 6, estão limitados principalmente a um estado de oxidação de +6 em solução aquosa. O crómio, o membro mais leve do grupo, forma iões Cr3+ estáveis em água e, na ausência de ar, iões Cr2+ menos estáveis. O sulfureto com o estado de oxidação mais elevado para o cromo é Cr2S3, que contém o ião Cr3+. Molibdénio e tungsténio formam sulfuretos em que os metais exibem estados de oxidação de +4 e +6.

A variedade de propriedades exibidas pelos metais de transição deve-se às suas camadas de valência complexas. Ao contrário da maioria dos metais do grupo principal onde um estado de oxidação é normalmente observado, a estrutura da camada de valência dos metais de transição significa que eles ocorrem geralmente em vários estados de oxidação estáveis diferentes. Além disso, as transições de eletrões nestes elementos podem corresponder à absorção de fotões no espectro eletromagnético visível, levando a compostos coloridos. Por causa desses comportamentos, os metais de transição exibem uma química rica e fascinante.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Chapter 19.1 Occurrence, Preparation, and Properties of Transition Metals and Their Compounds.