خصائص معادن الانتقال

يتم تعريف المعادن الانتقالية على أنها تلك العناصر التي ملأت جزئيًا مدارات d. كما هو موضح في الشكل 1، فإن عناصر الكتلةd– في المجموعات الدورية 3–12 هي عناصر انتقالية. عناصر الكتلة f، التي تسمى أيضًا معادن الانتقال الداخلية (اللانثانيدات والأكتينيدات)، تستوفي هذا المعيار أيضًا لأن المدار d مشغول جزئياً قبل مدارات f.

الشكل 1: الجدول الدوري. تقع المعادن الانتقالية في مجموعات 3–11 من الجدول الدوري. المعادن الانتقالية الداخلية في الصفين أسفل جسم الجدول.

تنقسم عناصر d-الكتلة إلى سلسلة الانتقال الأولى (العناصر Sc إلى Cu) ، وسلسلة الانتقال الثانية (العناصر من Y إلى Ag)، وسلسلة الانتقال الثالثة (العنصر La والعناصر Hf خلال Au). الأكتينيوم، Ac، هو أول عنصر في السلسلة الانتقالية الرابعة، والتي تشمل أيضاً من Rf إلى Rg.

عناصر f -الكتلة هي العناصر Ce عبر Lu، والتي تشكل سلسلة اللانثانيد (أو سلسلة اللانثانويد)، والعناصر من Th إلى Lr، التي تشكل سلسلة الأكتينيدات (أو سلسلة الأكتينويد) . نظراً لأن اللانثانوم يتصرف تماماً مثل عناصر اللانثانيد، فإنه يُعتبر عنصر لانثانيد، على الرغم من أن تكوينه الإلكتروني يجعله أول عضو في سلسلة الانتقال الثالثة. وبالمثل، فإن سلوك الأكتينيوم يعني أنه جزء من سلسلة الأكتينيد، على الرغم من أن تكوينه الإلكتروني يجعله العضو الأول في سلسلة الانتقال الرابعة.

تشترك عناصر الانتقال في العديد من الخصائص مع المعادن الأخرى. إنها جميعًا تقريبًا مواد صلبة صلبة عالية الانصهار تنقل الحرارة والكهرباء جيداً. إنها تشكل سبائك بسهولة وتفقد الإلكترونات لتكوين كاتيونات مستقرة. بالإضافة إلى ذلك، تشكل المعادن الانتقالية مجموعة متنوعة من مركبات التنسيق المستقرة، حيث تعمل ذرة المعدن المركزي أو أيون كحمض لويس وتقبل زوجاً واحداً أو أكثر من الإلكترونات. يمكن للعديد من الجزيئات والأيونات المختلفة التبرع بأزواج وحيدة لمركز المعادن، لتكون بمثابة قواعد لويس.

خصائص عناصر الانتقال

تُظهر المعادن الانتقالية مجموعة واسعة من السلوكيات الكيميائية. بعض المعادن الانتقالية هي عوامل اختزال قوية، في حين أن البعض الآخر لديه تفاعل منخفض للغاية. على سبيل المثال، تشكل جميع اللانثانيدات 3+ كاتيونات مائية ثابتة. القوة الدافعة لمثل هذه الأكسدة مماثلة لتلك الخاصة بمعادن الأرض القلوية مثل Be أو Mg، مشكّلة Be²⁺ and Mg²⁺. من ناحية أخرى، فإن المواد مثل البلاتين والذهب لديها إمكانات إختزال أعلى بكثير. إن قدرتها على مقاومة الأكسدة تجعلها مواد مفيدة لبناء الدوائر والمجوهرات.

أيونات عناصر d-كتلة الأخف، مثل Cr³⁺, Fe³⁺, و Co²⁺، تشكل أيونات رطبة ملوّنة ثابتة في الماء. ومع ذلك، فإن الأيونات الموجودة أسفل هذه (Mo³⁺, Ru³⁺, و Ir²⁺) غير مستقرة وتتفاعل بسهولة مع الأكسجين من الهواء. غالبية الأيونات البسيطة المستقرة في الماء التي تكونت من عناصرd-كتلة الأثقل هي مؤكسدة مثل MoO₄²⁻ و  ReO₄⁻.

الروثينيوم والأوزميوم والروديوم والإيريديوم والبلاديوم والبلاتين هي معادن البلاتين. بصعوبة، فإنها تشكل كاتيونات بسيطة مستقرة في الماء، وعلى عكس العناصر السابقة في سلسلة الانتقال الثانية والثالثة، فإنها لا تشكل مؤكسدات ثابتة.

يتفاعل كل من عناصر d-كتلة و f-كتلة مع اللامعادن لتشكيل مركبات ثنائية؛ غالباً ما يكون التسخين مطلوباً. تتفاعل هذه العناصر مع الهالوجينات لتكوين مجموعة متنوعة من هاليدات تتراوح في حالة الأكسدة من +1 إلى +6. عند التسخين، يتفاعل الأكسجين مع جميع العناصر الانتقالية باستثناء البلاديوم والبلاتين والفضة والذهب. يمكن تكوين أكاسيد هذه المعادن الأخيرة باستخدام مواد متفاعلة أخرى، ولكنها تتحلل عند التسخين. تتفاعل عناصر f-كتلة وعناصر المجموعة 3 وعناصر سلسلة الانتقال الأولى باستثناء النحاس مع المحاليل المائية للأحماض، مكونة غاز الهيدروجين ومحاليل الأملاح المقابلة.

يمكن أن تشكل المعادن الانتقالية مركبات ذات نطاق واسع من حالات الأكسدة. بعض حالات الأكسدة المرصودة لعناصر سلسلة الانتقال الأولى موضحة في الجدول 1. بالانتقال من اليسار إلى اليمين عبر سلسلة الانتقال الأولى، يزداد عدد حالات الأكسدة الشائعة في البداية إلى الحد الأقصى باتجاه منتصف الجدول الدوري، ثم ينخفض.القيم الواردة في الجدول هي قيم نموذجية؛ هناك قيم أخرى معروفة، ومن الممكن تجميع الإضافات الجديدة. على سبيل المثال، في عام 2014، نجح الباحثون في تصنيع حالة أكسدة جديدة للإيريديوم (+9).

الجدول 1. يمكن للمعادن الانتقالية في السلسلة الانتقالية الأولى أن تشكل مركبات ذات حالات أكسدة متفاوتة.

بالنسبة لعناصر سكانديوم عبر المنغنيز (النصف الأول من سلسلة الانتقال الأولى)، تتوافق أعلى حالة أكسدة مع فقد جميع الإلكترونات في كل من s و d مدارات أغلفة التكافؤ. يتشكل أيون التيتانيوم (IV)، على سبيل المثال، عندما تفقد ذرة التيتانيوم إلكترونين من 3d وإلكترونين من 4s. حالات الأكسدة الأعلى هذه هي أكثر أشكال سكانديوم والتيتانيوم والفاناديوم استقرارًا. ومع ذلك، لا يمكن الاستمرار في إزالة جميع إلكترونات التكافؤ من المعادن مع استمرارنا خلال السلسلة. من المعروف أن الحديد يشكل حالات أكسدة من +2 إلى +6، ويكون الحديد (II) والحديد (III) الأكثر شيوعًا. تشكل معظم عناصر سلسلة الانتقال الأولى أيونات بشحنة 2+ أو 3+ ثابتة في الماء، على الرغم من أن العناصر الموجودة في الأجزاء الأولى من السلسلة يمكن أن تتأكسد بسهولة عن طريق الهواء.

عادةً ما تكون عناصر السلسلة الانتقالية الثانية والثالثة أكثر استقرارًا في حالات الأكسدة الأعلى من عناصر السلسلة الأولى. بشكل عام، يزيد نصف القطر الذري إلى أسفل مجموعة الدورية، مما يؤدي إلى أن تكون أيونات السلسلة الثانية والثالثة أكبر من تلك الموجودة في السلسلة الأولى. إزالة الإلكترونات من المدارات التي تقع على مسافة أبعد من النواة أسهل من إزالة الإلكترونات القريبة من النواة. على سبيل المثال، الموليبدينوم والتنغستن، أعضاء المجموعة 6، يقتصران في الغالب على حالة أكسدة +6 في محلول مائي. الكروم، أخف عضو في المجموعة، يشكل أيونات Cr³⁺ مستقرة في الماء، وفي حالة عدم وجود الهواء، تكون أيونات Cr²⁺ أقل استقرارًا. الكبريتيد ذو أعلى حالة أكسدة للكروم هو Cr₂S₃، والذي يحتوي على أيون Cr³⁺. يشكل الموليبدينوم والتنغستن الكبريتيدات التي تظهر فيها المعادن حالات أكسدة تبلغ +4 و +6.

يرجع تنوع الخصائص التي تظهرها المعادن الانتقالية إلى غلاف التكافؤ المعقد. على عكس معظم معادن المجموعة الرئيسية حيث يتم ملاحظة حالة أكسدة واحدة بشكل طبيعي، فإن بنية غلاف التكافؤ للمعادن الانتقالية تعني أنها تحدث عادةً في العديد من حالات الأكسدة المستقرة المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتوافق انتقالات الإلكترون في هذه العناصر مع امتصاص الفوتونات في الطيف الكهرومغناطيسي المرئي، مما يؤدي إلى تكوين مركبات ملونة. بسبب هذه السلوكيات، تُظهر المعادن الانتقالية كيمياء غنية ورائعة.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Chapter 19.1 Occurrence, Preparation, and Properties of Transition Metals and Their Compounds.