Στοιχεία μετάβασης πρώτης σειράς

Εισαγωγή:

Υπάρχουν τέσσερα βασικά τροχιακά (s, p, d και f) σε κάθε στοιχείο, τα οποία συμπληρώνονται σύμφωνα με το επίπεδο ενέργειας και τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων σθένους του στοιχείου. Κάθε ένα από τα τέσσερα τροχιακά έχει διαφορετική ικανότητα συγκράτησης ηλεκτρονίων. Το s-τροχιακό έχει χωρητικότητα δύο ηλεκτρονίων, ενώ τα άλλα τρία τροχιακά έχουν χωρητικότητα έξι, δέκα και δεκατεσσάρων ηλεκτρονίων, αντίστοιχα. Το s-τροχιακό χρησιμοποιείται για να δηλώσει στοιχεία στις ομάδες 1 ή 2, το p-τροχιακό χρησιμοποιείται για να δηλώσει στοιχεία στις ομάδες 13, 14, 15, 16, 17 ή 18 και το τροχιακό f χρησιμοποιείται για να δηλώσει στοιχεία σε τις ομάδες Λανθανίδες και Ακτινίδες. Αλλά η κύρια εστίαση αυτής της ενότητας θα είναι στη διαμόρφωση ηλεκτρονίων των μετάλλων μετάπτωσης, τα οποία μπορούν να βρεθούν στα d-τροχιακά των ατόμων και των μορίων (d-block).

Ως αποτέλεσμα της ικανότητάς τους να βρίσκονται σε πολλές καταστάσεις οξείδωσης, οι διαμορφώσεις ηλεκτρονίων των μετάλλων μετάπτωσης είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες. Παρά το γεγονός ότι τα στοιχεία μπορούν να εμφανίσουν ένα ευρύ φάσμα καταστάσεων οξείδωσης, συνήθως παρουσιάζουν μια κοινή κατάσταση οξείδωσης ανάλογα με το τι κάνει αυτό το στοιχείο το πιο σταθερό στο περιβάλλον. Θα εργαστούμε μόνο με την πρώτη σειρά μετάλλων μετάπτωσης σε αυτήν την ενότητα. Ωστόσο, οι άλλες σειρές μετάλλων μετάπτωσης ακολουθούν γενικά τα ίδια μοτίβα με την πρώτη σειρά.

Μεταβατικά Μέταλλα

Σκάνδιο (Sc), Τιτάνιο (Ti), Βανάδιο (V), Χρώμιο (Cr), Μαγγάνιο (Mn), Σίδηρος (Fe), Κοβάλτιο (Co), Νικέλιο (Ni), Χαλκός (Cu) και Ψευδάργυρος (Zn) είναι τα δέκα στοιχεία που μπορούν να βρεθούν στην πρώτη σειρά μετάλλων μετάπτωσης.

Πλήρωση τροχιακών μετάλλων μετάβασης

Ένας πυρήνας αργού (ευγενές αέριο) χρησιμοποιείται ως διαμόρφωση ηλεκτρονίων για τα μέταλλα μετάπτωσης πρώτης σειράς, που αποτελείται από 4s και τρισδιάστατα υποκέλυφα. Επειδή αυτό ισχύει μόνο για τα μέταλλα μετάπτωσης στην πρώτη σειρά, θα απαιτηθούν τροποποιήσεις κατά την εγγραφή της διαμόρφωσης ηλεκτρονίων για τα μέταλλα μετάπτωσης στις άλλες σειρές. Το ευγενές αέριο που προηγείται της πρώτης σειράς μετάλλων μετάπτωσης θα ήταν ο πυρήνας, ο οποίος θα γραφόταν με αγκύλες γύρω από το σύμβολο του στοιχείου (για παράδειγμα, το [Ar] θα χρησιμοποιηθεί για την πρώτη σειρά μετάλλων μετάπτωσης) και η διαμόρφωση ηλεκτρονίων θα ακολουθούσε μια μορφή [Ar] nsxndx. Στην περίπτωση μετάλλων μετάπτωσης από την πρώτη σειρά, η διαμόρφωση ηλεκτρονίων θα ήταν απλώς [Ar] 4sx3dxΣτον περιοδικό πίνακα, το ενεργειακό επίπεδο «n» ενός στοιχείου μπορεί να προσδιοριστεί κοιτάζοντας απλώς τον αριθμό της σειράς στην οποία το στοιχείο βρίσκεται. Εκτός από το μπλοκ d και το μπλοκ f, υπάρχει μια εξαίρεση στην οποία το επίπεδο ενέργειας "n" για το μπλοκ d είναι "n-1" ("n" μείον 1) και για το μπλοκ f είναι "n- 2." Σε αυτήν την περίπτωση, το "x" στο nsx και ndx είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα συγκεκριμένο τροχιακό (δηλαδή τα s-τροχιακά μπορούν να χωρέσουν έως 2 ηλεκτρόνια, τα p-τροχιακά μπορούν να χωρέσουν έως 6 ηλεκτρόνια, τα d-τροχιακά μπορούν να χωρέσουν έως 10 ηλεκτρόνια και τα f-τροχιακά μπορούν να κρατήσουν έως 14 ηλεκτρόνια). Όταν προσπαθείτε να προσδιορίσετε τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων ενός στοιχείου, μετρήστε τον αριθμό των πλαισίων που συναντάτε πριν φτάσετε στο στοιχείο για το οποίο προσπαθείτε να προσδιορίσετε τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων.

Χαρακτηριστικά Μεταβατικού Μετάλλου

Ο σίδηρος, το κοβάλτιο, ο χαλκός και ο ψευδάργυρος είναι μεταξύ των μεταβατικών μετάλλων πρώτης σειράς που είναι απαραίτητα για την ανθρώπινη υγεία. Το μαγγάνιο και ο σίδηρος είναι από τα μεταβατικά μέταλλα πρώτης σειράς που είναι απαραίτητα για την ανθρώπινη υγεία. Τρία ακόμη μεταβατικά στοιχεία πρώτης σειράς, συμπεριλαμβανομένου του χρωμίου, του βαναδίου και του νικελίου, έχουν δείξει ορισμένες ευεργετικές βιολογικές επιδράσεις σε μελέτες σε ζώα. Τις περισσότερες φορές, αυτά τα μέταλλα καταναλώνονται ως μέρος μιας ποικίλης δίαιτας ή ως θρεπτικά πρόσθετα και στο ανθρώπινο σώμα εκτελούν τόσο δομικές όσο και λειτουργικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένης της διατήρησης των κυτταρικών λειτουργιών που εμπλέκονται σε ένα ευρύ φάσμα βιολογικών δραστηριοτήτων , όπως η αναπαραγωγή. Η κανονική λειτουργία, από την άλλη πλευρά, απαιτεί τα επίπεδα των μεταλλικών ιόντων να διατηρούνται εντός ενός αποδεκτού εύρους. χαμηλότερες συγκεντρώσεις μπορεί να οδηγήσουν σε διατροφική ανεπάρκεια, ενώ υψηλότερες συγκεντρώσεις μπορεί να οδηγήσουν σε τοξικότητα. Οι φυσικές ιδιότητες των στοιχείων πρώτης σειράς, ιδιαίτερα του τιτανίου και του νικελίου, είναι επίσης σημαντικές για την παρασκευή νέων υλικών και κραμάτων, γεγονός που οδηγεί σε τεχνολογικά πλεονεκτήματα που βελτιώνουν τη συνολική ποιότητα ζωής. Σύμφωνα με ορισμένους ορισμούς, εννέα από τα δέκα μέταλλα μεταπτώσεως πρώτης σειράς έχουν πυκνότητες μεγαλύτερες από 5,0 g/cm3, υποδεικνύοντας ότι θεωρούνται «βαρέα μέταλλα». Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι αυτός ο ορισμός χρησιμοποιείται συνήθως από ορισμένους, οι χημικοί δεν συμφωνούν με αυτόν. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι αυτός ο ορισμός βασίζεται στην πυκνότητα του μετάλλου και όχι στις χημικές ιδιότητες του μετάλλου. Επιπλέον, η αρνητική σημασία που σχετίζεται με τον όρο «βαρύ μέταλλο», καθώς και η τοξικότητα μετάλλων όπως το κάδμιο και ο υδράργυρος, έρχεται σε πλήρη αντίθεση με το γεγονός ότι πέντε από τα μεταβατικά στοιχεία της πρώτης σειράς απαιτούνται για την επιβίωση όλων έμβια όντα. Με βάση τις χημικές ιδιότητες, θα μπορούσε να αναπτυχθεί ένας πιο συνοπτικός ορισμός του διφορούμενου όρου «βαρύ μέταλλο» και θα συμπεριλάμβανε το μπλοκ μετάλλων στις Ομάδες 3 έως 16 που βρίσκονται σε περιόδους 4 και άνω. Αυτός ο ορισμός των «βαρέων μετάλλων» δεν περιλαμβάνει στοιχεία πρώτης σειράς, αλλά μόνο μέταλλα μετάβασης από τη δεύτερη και την τρίτη σειρά του περιοδικού πίνακα. Ακόμη και αυτός ο ορισμός, ωστόσο, είναι προς συζήτηση. Και τα πέντε πιο σημαντικά μέταλλα μεταπτώσεως πρώτης σειράς, ωστόσο, δεν είναι τοξικά «βαρέα μέταλλα», όπως έχει προταθεί στη βιβλιογραφία.

Συμπέρασμα:

Όλα τα μέταλλα μετάπτωσης πρώτης σειράς έχουν εξαιρετικά ευαίσθητη χημεία στο περιβάλλον τους. Επειδή υπάρχει νερό, κάθε μεταλλικό ιόν μετασχηματίζεται σε ίσο αριθμό ενυδατωμένων ιόντων, τα οποία υφίστανται χημεία που εξαρτάται από το pH και τη συγκέντρωση, η οποία υπαγορεύεται από την παρουσία μεταβολιτών, πρωτεϊνών και άλλων βιολογικών συστατικών. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι στα κύτταρα, τα οξειδοαναγωγικά ενεργά μεταλλικά ιόντα δεν υπάρχουν ως ελεύθερα ιόντα, όπως συνήθως υποτίθεται. Αυτό αναγκάζει αυτά τα μέταλλα να περάσουν από μια διαδικασία γνωστή ως ειδοποίηση χημεία, η οποία ελέγχεται από την κατάσταση οξείδωσης του μεταλλικού ιόντος, το pH του περιβάλλοντος περιβάλλοντος, την ιοντική ισχύ και τη σταθερότητα των μεταλλικών συμπλεγμάτων με βιολογικά μόρια. Σύμφωνα με τις ειδικές συνθήκες, πολλά μεταλλικά ιόντα σχηματίζουν πολυπυρηνικά είδη σε υδατικό διάλυμα, και ως αποτέλεσμα, πολλές δραστηριότητες και λειτουργίες δεν θα είναι γραμμικές αλλά θα είναι εξαιρετικά ευαίσθητες σε συγκεντρώσεις και αλληλεπιδράσεις με βιομόρια. Όταν γίνεται σαφές ότι η αναγνώριση των συστατικών στο σύστημα απομυθοποιεί τις ελάχιστα κατανοητές διαδικασίες στη βιολογία, η εκτίμηση για την κλασική ειδοχημεία αυξάνεται εκθετικά.