خصائص العناصر الانتقالية

الخصائص العامة لمجموعة العناصر الانتقالية:

• أكثر أوجه التشابه اللافتة والواضحة بين العناصر الـ 24 من العناصر الانتقالية، أنها كلها عبارة عن معادن وأن معظمها عبارة عن معادن صلبة وقوية ولامعة، كما أنها تمتلك نقاط انصهار ونقاط غليان عالية، وتعتبر موصلات جيدة للحرارة والكهرباء، النطاق في هذه الخصائص كبير وواسع.

• العديد من العناصر مهمة من الناحية التكنولوجية، حيث أن معادن التيتانيوموالحديدوالنيكلوالنحاس، على سبيل المثال، تستخدم هيكليًا وفي التكنولوجيا الكهربائية أيضا، بالإضافة إلى أنه تشكل المعادن الانتقالية العديد من السبائك المفيدة، سواء مع بعضها البعض أو مع العناصر المعدنية الأخرى، كما أن معظم هذه العناصر الانتقالية تذوب في الأحماض المعدنية، وعلى الرغم من أن القليل منها، مثل عناصر البلاتين والفضة والذهب، يطلق عليها اسم [نبيل]، أي أنها لا تتأثر بالأحماض البسيطة (غير المؤكسدة).

• تقسم العناصر الانتقالية وفقًا لتركيباتها الإلكترونية للذرات إلى ثلاثة سلاسل انتقالية رئيسية، حيث تسمى سلسلة الانتقال الأولى وسلسلة الانتقال الثانية وسلسلة الانتقال الثالثة، بالإضافة إلى سلسلتين انتقاليتين داخليتين، ويتم تسميتهما باللانثانويد والأكتينويد.

• تبدأ أول سلسلة انتقالية رئيسية: إما بالسكانديوم (ذو الرمز الكيميائي Sc، العدد الذري 21) أو التيتانيوم (ذو الرمز الكيميائي Ti، العدد الذري 22) وتنتهي بالزنك (ذو الرمز الكيميائي Zn ، العدد الذري 30).

• تتضمن السلسلة الثانية عناصر الإيتريوم (ذو الرمز الكيميائي Y، العدد الذري 39) إلى الكادميوم (ذو الرمز الكيميائي Cd، العدد الذري 48).

• تمتد السلسلة الثالثة من اللانثانم (ذو الرمز الكيميائي La، العدد الذري 57) إلى الزئبق (ذو الرمز الكيميائي Hg، العدد الذري 80).

• يتم تضمين سلاسل الانتقال الرئيسية الثلاثة هذه في مجموعة تتكون من 30 عنصرًا كيميائيا، وغالبًا ما يتم تسمية المعادن الانتقالية بمعادن (d-block).

• نظرًا لأن عنصر السكانديوم، عنصر الإيتريوم، وعنصر اللانثانم لا يشكلون في الواقع مركبات مماثلة لتلك الموجودة في المعادن الانتقالية الأخرى ونظرا لأن كيميائيتها متماثلة تمامًا مع اللانثانويد، فقد تم استبعادهم من المناقشة الحالية للمعادن الانتقالية الرئيسية. وبنفس الطريقة، نظرًا لأن عناصر الزنك والكادميوم والزئبق يظهرون عددًا قليلاً من الخصائص المميزة للمعادن الانتقالية الأخرى، فإنه يتم التعامل معها بشكل منفصل.

• تتضمن أول سلسلة انتقالية داخلية العناصر من السيريوم (الرمز الكيميائي Ce، العدد الذري 58) إلى اللوتيتيوم (الرمز الرمز الكيميائي Lu، العدد الذري 71)، وتسمى هذه العناصر باللانثانيدات (أو اللانثانيدات)؛ وذلك بسبب أن كيمياء كل منها تشبه إلى حد كبير تلك الموجودة في اللانثانم. وغالبًا ما يتم النظر إلى اللانثانم نفسه على أنه من اللانثانيدات.

• كما وتتكون سلسلة الأكتينويد من 15 عنصرًا من الأكتينيوم (ذو الرمز الكيميائي Ac، العدد الذري 89) إلى اللورنسيوم (ذو الرمز الكيميائي Lr، العدد الذري 103). كما ويتم تغطية سلسلة الانتقال الداخلية هذه تحت عنصر أرضي نادر وعنصر أكتينويد.

• يمكن فهم المواقع النسبية للمعادن الانتقالية في الجدول الدوري وخصائصها الكيميائية والفيزيائية بشكل أفضل من خلال إعادة النظر في هياكلها الإلكترونية والنظر في الطريقة التي تختلف بها تلك الهياكل مع التزايد في الأعداد الذرية.

عناصر أول سلسلة انتقالية:

• العناصر المتواجدة من عنصر التيتانيوم إلى عنصر المنغنيز، تحتوي على أعلى حالة أكسدة، والتي توجد عادةً فقط في مركبات (oxo) أو الفلوريدات، أو الكلوريدات، حيث تتوافق مع العدد الإجمالي للإلكترونات في (3d و 4s) في الذرة.

• ينخفض ​​استقرار حالة الأكسدة الأعلى بداية بعنصر التيتانيوم في حالة أكسدة تساوي +4 إلى عنصر المنغنيز في حالة أكسدة تساوي +7. بعد المنغنيز، أي بالنسبة للحديد والكوبالت والنيكل، لا تحدث حالات الأكسدة المقابلة لفقدان جميع الإلكترونات في (3d و 4s)، حيث تصبح حالات الأكسدة الأعلى بشكل عام أكثر صعوبة في الحصول عليها بشكل تدريجي، وذلك لأن؛ الشحنة النووية المتزايدة تجعل الإلكترونات في الفلك 3d أكثر إحكامًا.

• تحدث حالات الأكسدة العالية جدًا فقط للكروم (عددين تأكسد +5 و+6)، والمنغنيز (ثلاث أعداد تأكسد +5 و +6 و +7)، والحديد (عددين تأكسد +5 و +6) وبصرف النظر عن الفلوريدات، مثل خماسي فلوريد الكروم CrF5 (مع الكروم في حالة تأكسد +5)، وسداسي فلوريد الكروم CrF6 (مع الكروم في حالة تأكسد +6)، وأكسوفلوريدات مثل فلوريد ثالث أكسيد المنغنيز MnO3F (مع المنغنيز في حالة تأكسد +7)، حيث أن الكيمياء الرئيسية في حالات الأكسدة هي حالة الأنيونات oxo مثل البيرمنغنيت MnO4− (المنغنيز في حالة تأكسد+7)، والكرومات CrO42− (في حالة تأكسد +6)، وملح الحامض الحديدي ferrate FeO42− (حالة تأكسد +6)، حيث أن كل هذه المركبات هي عبارة عن عوامل مؤكسدة قوية.

• تصبح أكاسيد كل عنصر أكثر حمضية مع زيادة عدد التأكسد، وتصبح الهاليدات أكثر تساهمية وأكثر عرضة للتحلل المائي.

• في الأنيونات oxo المميزة لحالات التأكسد العالية، تكون ذرة المعدن رباعية السطوح محاطة بذرات الأكسجين، بينما في الأكاسيد المتكونة في حالات الأكسدة الأقل، عادة ما تكون الذرات منسقة ومرتبة على شكل ثماني السطوح.

• حالات الأكسدة الأقل من +2 لا توجد في الكيمياء العادية للمعادن الانتقالية، باستثناء عنصر النحاس، ومع ذلك، يمكن تحقيق حالات الأكسدة المنخفضة لجميع العناصر التي تستخدم روابط (ligand) من نوع أول أكسيد الكربون.

عناصر السلسلة الانتقالية الثانية والثالثة:

في حين أن العناصر في سلسلة الانتقال الثانية وسلسلة الانتقال الثالثة لمجموعة معينة، تعد أنها تمتلك خصائص كيميائية مماثلة لتلك الخاصة بالعناصر في السلسلة الأولى، مع ذلك فإنها تظهر اختلافات محددة عن العناصر الأخف في المجموعة، توضح الأمثلة التالية هذه النقطة وما معناها:

• المثال الأول: على الرغم من أن الكوبالت (وهو عبارة عن عنصر من السلسلة الأولى) يشكل عددًا كبيرًا من مجمعات رباعية السطوح وثمانية السطوح عند حالة أكسدة مساوية +2، وهذه الحالة مميزة في الكيمياء المائية العادية، حالات التأكسد المساوية +2 من الروديوم (عنصر في السلسلة الثانية) والإيريديوم (عنصر في السلسلة الثالثة)، تعد نادرة وغير مهمة نسبيًا.

• يعتبر أيون المنغنيز +Mn2، أيون مستقر جدًا وله أهمية رئيسية في كيمياء المنغنيز، ولكن بالنسبة للتكنيشيوم والرينيوم، فإن حالة الأكسدة المساوية +2 هي أكثر بقليل من فضول المختبر.

• يشكل الكروم في حالة التأكسد +3 عددًا كبيرًا من المجمعات أو المركبات المعقدة، والتي تشكل أحد أفضل الجوانب المعروفة لكيمياء العنصر، في حين أن حالات التأكسد +3 من الموليبدينوم والتنجستن ليست حالات مستقرة بشكل خاص تحت أي ظروف ولا تشكل سوى عدد قليل من المجمعات.

• oxo أنيون لعناصر الصف الأول عند حالات التأكسد العليا، على سبيل المثال: الكرومات (مع الكروم في حالة تأكسد +6) والبيرمنغنيت (المنغنيز، في حالة تأكسد +7)، هي عبارة عن عوامل مؤكسدة قوية، حيث تكون الكيمياء الخاصة تقتصر بشكل أساسي على تلك الوظيفة في حين أن نظائرها المتكافئة، مثل الموليبدات (الموليبدينوم، حالة تأكسد +6)، التنغستات (التنجستن، حالة تأكسد +6)، البيرتيكنيت (التكنيشيوم، حالة تأكسد +7) والبيررينات (الرينيوم، حالة تأكسد +7)، مستقرة تمامًا ولديها كيمياء واسعة ومتنوعة.

• أحد أسباب التشابه الوثيق في الكيمياء بين عناصر سلسلة الانتقال الثانية والثالثة لمجموعة معينة هو ما يسمى بانكماش اللانثانويد، وسلسلة العناصر المعروفة باللانثانيدات تأتي بين سلسلتي الانتقال المنتظم الثاني والثالث وتتشكل من خلال ملء المدارات 4f. المدارات 5d و 6s وهي مدارات غلاف التكافؤ لعناصر سلسلة الانتقال الثالثة، محمية بشكل غير كامل بواسطة الإلكترونات 4f من الشحنة النووية الفعالة. ونتيجة لذلك هناك تقلص ثابت في حجم هذه المدارات من خلال سلسلة اللانثانويد والنتيجة هي أن نصف القطر الذري والأيوني للهفنيوم، الذي يتبع مباشرة سلسلة اللانثانويد، متطابق تقريبًا مع نصف قطر الزركونيوم.

• نظرًا لأن ذرات الزركونيوم والهافنيوم لها أحجام متطابقة تقريبًا وتكوينات إلكترونية مماثلة في جميع حالات الأكسدة، فإن كيميائيتها وخصائص مركباتها متشابهة للغاية، ومن الصعب جدًا فصل العنصرين بسبب التشابه الكبير في خصائص مركباتهما.

• على طول السلسلة الانتقالية الثالثة، هناك تباعد ثابت وبطيء في خصائص العنصرين الثاني والثالث في كل مجموعة، حيث توجد اختلافات كبيرة بين تلك الخاصة بالبلاديوم والبلاتين والفضة والذهب.

• كما أن النيوبيوم والتنتالوم ليسا متشابهين تمامًا مثل الزركونيوم والهافنيوم، لذا الاختلافات بينهما قليلة.

• الموليبدينوم والتنغستن والتكنيشيوم والرينيوم والروثينيوم والأوزميوم والروديوم والإيريديوم تظهر أوجه تشابه في الكيمياء الخاصة بهم.