Στοιχεία μετάβασης

Τα μεταβατικά στοιχεία (γνωστά και ως μέταλλα μετάπτωσης) είναι στοιχεία με μερικώς γεμάτα d τροχιακά, τα οποία είναι επίσης γνωστά ως μέταλλα μετάπτωσης. Η Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC) ορίζει τα μεταβατικά στοιχεία ως στοιχεία με d υποκέλυφος που είναι εν μέρει γεμάτο με ηλεκτρόνια ή στοιχεία που έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν σταθερά κατιόντα παρόλο που έχουν ένα ατελώς γεμάτο d τροχιακό.

Σε γενικές γραμμές, κάθε στοιχείο που αντιστοιχεί στο μπλοκ d του σύγχρονου περιοδικού πίνακα (που αποτελείται από τις ομάδες 3-12) θεωρείται μεταβατικό στοιχείο, ανεξάρτητα από τη χημική του σύσταση. Ακόμη και τα στοιχεία f-block, τα οποία περιλαμβάνουν τις λανθανίδες και τις ακτινίδες, μπορούν να ταξινομηθούν ως μέταλλα μετάπτωσης λόγω των μεταλλικών τους ιδιοτήτων.

Λόγω του γεγονότος ότι τα στοιχεία f-μπλοκ έχουν f-τροχιακά που είναι μόνο μερικώς γεμάτα, αναφέρονται συχνά ως εσωτερικά μεταβατικά στοιχεία ή εσωτερικά μέταλλα μετάπτωσης, αντίστοιχα.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα στοιχεία υδράργυρος, κάδμιο και ψευδάργυρος δεν θεωρούνται μεταβατικά στοιχεία λόγω των ηλεκτρονικών τους διαμορφώσεων, που αντιστοιχούν στο (n-1)d10 ns2.

Στις θεμελιώδεις καταστάσεις τους, καθώς και σε ορισμένες από τις καταστάσεις οξείδωσής τους, αυτά τα στοιχεία έχουν γεμίσει πλήρως d τροχιακά. Ενδεικτικά, λάβετε υπόψη την κατάσταση οξείδωσης +2 του υδραργύρου, η οποία αντιστοιχεί σε μια ηλεκτρονική διαμόρφωση  (n-1)d10.

Βασικά χαρακτηριστικά των στοιχείων μετάβασης:

Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι οι ηλεκτρονικές τους διαμορφώσεις είναι διαφορετικές από αυτές των άλλων μετάλλων μετάπτωσης, τα στοιχεία ψευδάργυρος, κάδμιο και υδράργυρος δεν θεωρούνται στοιχεία μετάπτωσης, όπως συζητήθηκε προηγουμένως. Τα υπόλοιπα στοιχεία d-block, από την άλλη πλευρά, έχουν ιδιότητες που είναι κάπως παρόμοιες, και αυτή η ομοιότητα μπορεί να παρατηρηθεί κατά μήκος κάθε συγκεκριμένης γραμμής του περιοδικού πίνακα. Οι ιδιότητες αυτών των στοιχείων μετάβασης παρατίθενται στις ακόλουθες παραγράφους:

• Χρωματιστές ενώσεις και ιόντα σχηματίζονται από αυτές τις ουσίες. Η μετάπτωση d-d των ηλεκτρονίων είναι υπεύθυνη για αυτό το χρώμα.
• Με αυτά τα στοιχεία, υπάρχει μόνο μια μικρή ενεργειακή διαφορά μεταξύ των πιθανών καταστάσεων οξείδωσής τους. Ως αποτέλεσμα, υπάρχουν πολλές καταστάσεις οξείδωσης στα μεταβατικά στοιχεία.
• Λόγω των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων στο d τροχιακό, αυτά τα στοιχεία είναι ικανά να σχηματίσουν μεγάλο αριθμό παραμαγνητικών ενώσεων.
• Μπορούν να συνδεθούν με αυτά τα στοιχεία με έναν τεράστιο αριθμό προσδεμάτων. Κατά συνέπεια, τα στοιχεία μετάβασης μπορούν να σχηματίσουν έναν μεγάλο αριθμό διαφορετικών σταθερών συμπλεγμάτων.
• Ο λόγος φόρτισης προς ακτίνα αυτών των στοιχείων είναι εξαιρετικά υψηλός.
• Σε γενικές γραμμές, τα μέταλλα μετάπτωσης είναι σκληρά και σε σύγκριση με άλλα στοιχεία, έχουν σχετικά υψηλές πυκνότητες.
• Αυτό συμβαίνει επειδή τα αποτοποθετημένα ηλεκτρόνια d συμμετέχουν σε μεταλλικούς δεσμούς, με αποτέλεσμα εξαιρετικά υψηλά σημεία βρασμού και τήξης για αυτά τα στοιχεία.
• Αυτός ο μεταλλικός δεσμός των μη εντοπισμένων ηλεκτρονίων d συμβάλλει επίσης στην καλή αγωγιμότητα του ηλεκτρισμού στα μεταβατικά στοιχεία.
• Οι καταλυτικές ιδιότητες πολλών μετάλλων μετάπτωσης είναι εξαιρετικά χρήσιμες στη βιομηχανική παραγωγή ορισμένων χημικών ουσιών. Κατά την παρασκευή αμμωνίας, για παράδειγμα, ο σίδηρος χρησιμοποιείται ως καταλύτης στη διαδικασία Haber. Επιπλέον, στη βιομηχανική παραγωγή θειικού οξέος, το πεντοξείδιο του βαναδίου χρησιμοποιείται ως καταλύτης για την επιτάχυνση της αντίδρασης.

Ατομικές ιοντικές ακτίνες

Στα μεταβατικά στοιχεία από την ομάδα 3 στην ομάδα 6, η ατομική και ιοντική ακτίνα των στοιχείων μετάπτωσης μειώνονται λόγω της κακής θωράκισης που παρέχεται από τον μικρό αριθμό ηλεκτρονίων d στα μεταβατικά στοιχεία. Αυτά που τοποθετούνται μεταξύ των ομάδων 7 και 10 έχουν ατομικές ακτίνες που είναι κάπως παρόμοιες, ενώ εκείνα που τοποθετούνται μεταξύ των ομάδων 11 και 12 έχουν ατομικές ακτίνες που είναι μεγαλύτερες. Αυτό συμβαίνει επειδή οι απωθήσεις ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίου ακυρώνουν το πυρηνικό φορτίο, με αποτέλεσμα ένα καθαρό ουδέτερο φορτίο.

Κατά την πορεία προς τα κάτω στην ομάδα, είναι δυνατό να παρατηρηθεί αύξηση της ατομικής και ιοντικής ακτίνας των στοιχείων. Αυτή η αύξηση της ακτίνας μπορεί να εξηγηθεί από την παρουσία μεγαλύτερου αριθμού υποκελυφών στη δομή του κελύφους.

Ενθαλπία ιονισμού

Η ποσότητα ενέργειας που πρέπει να παρέχεται σε ένα στοιχείο για να αφαιρεθεί ένα ηλεκτρόνιο σθένους αναφέρεται ως ενθαλπία ιονισμού. Με την αύξηση του ενεργού πυρηνικού φορτίου που δρα στα ηλεκτρόνια, το δυναμικό ιονισμού ενός στοιχείου αυξάνεται αναλογικά με αυτήν την αύξηση του ενεργού πυρηνικού φορτίου. Ως αποτέλεσμα, οι ενθαλπίες ιονισμού των στοιχείων μετάπτωσης είναι συνήθως υψηλότερες από αυτές των στοιχείων s-block. Τα στοιχεία μετάβασης είναι επίσης πιο αντιδραστικά από τα στοιχεία s-block.

Είναι ενδιαφέρον ότι η ενέργεια ιονισμού ενός στοιχείου είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ατομική ακτίνα του στοιχείου. Τα άτομα με μικρότερες ακτίνες έχουν υψηλότερες ενθαλπίες ιονισμού από τα άτομα με σχετικά μεγαλύτερες ακτίνες, κάτι που είναι ένας γενικός κανόνας. Καθώς κάποιος κινείται προς τα κάτω στη σειρά των μετάλλων μετάπτωσης, οι ενέργειες ιονισμού των μετάλλων μετάπτωσης αυξάνονται (λόγω της αύξησης του ατομικού αριθμού).

Συμπέρασμα:

Ένα μέταλλο μετάπτωσης είναι ένα χημικό στοιχείο με δύο ηλεκτρόνια σθένους αντί για ένα. Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι ηλεκτρόνια που μπορούν να συμμετέχουν στη δημιουργία χημικών δεσμών. Ενώ ο όρος μετάβαση δεν έχει χημική αξία, είναι ένα χρήσιμο ονοματεπώνυμο για τη διάκριση της ομοιότητας των ατομικών δομών και των επακόλουθων ιδιοτήτων των στοιχείων που ονομάζονται έτσι. Μεταξύ των ομάδων στα αριστερά και των ομάδων στα δεξιά, καταλαμβάνουν τις κεντρικές περιοχές των μεγάλων περιόδων του περιοδικού πίνακα στοιχείων. Αποτελούν τις Ομάδες 3 (IIIb) έως 12 και συγκεκριμένα (IIb).