Proprietà fisiche e dimensioni atomiche
A causa delle subshell d parzialmente riempite, i metalli di transizione possiedono una serie di proprietà uniche.
Obiettivi formativi
Riconoscere il significato delle dimensioni atomiche e delle transizioni elettroniche nei metalli di transizione.
Take Away chiave
Punti chiave
- I colori dei composti metallici di transizione sono dovuti a due tipi di transizioni elettroniche.
- A causa della presenza di elettroni d spaiati, i metalli di transizione possono formare composti paramagnetici.
- I composti diamagnetici hanno d-elettroni che sono tutti accoppiati.
- I metalli di transizione sono conduttori di elettricità, possiedono alta densità e punti di fusione e ebollizione elevati.
Termini chiave
- conduttore: qualcosa che può trasmettere elettricità, calore, luce o suono.
- paramagnetico: materiali che sono attratti da un campo magnetico applicato esternamente e formano campi magnetici interni indotti nella direzione del campo magnetico applicato.
- ferromagnetismo: il fenomeno per cui alcune sostanze possono diventare magneti permanenti quando sottoposte a un campo magnetico.
- diamagnetici: Materiali che creano un campo magnetico indotto in una direzione opposta a un campo magnetico applicato esternamente e sono quindi respinti dal campo magnetico applicato.
Proprietà del metallo di transizione
Ci sono un certo numero di proprietà condivise dagli elementi di transizione che non si trovano in altri elementi, che derivano dalla subshell d parzialmente riempita. Questi includono la formazione di composti il cui colore è dovuto alle transizioni elettroniche d–d e la formazione di molti composti paramagnetici dovuti alla presenza di elettroni d spaiati. Il colore nei composti metallici della serie di transizione è generalmente dovuto a transizioni elettroniche di due tipi principali: transizioni di trasferimento di carica e transizioni d-D.
Colori di composti di metalli di transizione: Da sinistra a destra, soluzioni acquose di: Co(NO3)2 (rosso); K2Cr2O7 (orange), K2CrO4 (giallo); NiCl2 (turchese); CuSO4 (blu); KMnO4 (viola).
Transizioni di trasferimento di carica
Un elettrone può saltare da un orbitale prevalentemente ligando a un orbitale prevalentemente metallico, dando origine a una transizione LMCT (ligand-to-metal Charge-transfer). Questi possono verificarsi più facilmente quando il metallo è in uno stato di ossidazione elevata. Ad esempio, il colore degli ioni cromato, dicromato e permanganato è dovuto alle transizioni LMCT. In ogni caso i metalli (Cr e Mn) hanno stati di ossidazione di +6 o superiore.
Una transizione di trasferimento di carica da metallo a ligando (MLCT) sarà molto probabile quando il metallo è in uno stato di ossidazione bassa e il ligando è facilmente ridotto.
Transizioni d-d
In una transizione d-d, un elettrone salta da un orbitale d a un altro. Nei complessi dei metalli di transizione, gli orbitali d non hanno tutti la stessa energia. Il modello di scissione degli orbitali d può essere calcolato utilizzando la teoria del campo cristallino. L’entità della scissione dipende dal particolare metallo, dal suo stato di ossidazione e dalla natura dei ligandi.
Nei complessi centrosimmetrici, come i complessi ottaedrici, le transizioni d-d sono proibite. I complessi tetraedrici hanno un colore un po ‘ più intenso perché la miscelazione degli orbitali d e p è possibile quando non esiste un centro di simmetria, quindi le transizioni non sono transizioni d-d pure.
Alcune transizioni d-d sono spin proibito. Un esempio si verifica in complessi ottaedrici ad alto spin di manganese (II) in cui tutti e cinque gli elettroni hanno spin paralleli. Il colore di tali complessi è molto più debole rispetto ai complessi con transizioni consentite dallo spin. In effetti, molti composti di manganese (II) appaiono quasi incolori.
I composti di metalli di transizione sono paramagnetici quando hanno uno o più elettroni d spaiati. Nei complessi ottaedrici con tra quattro e sette elettroni d, sono possibili sia stati di spin alto che di spin basso. I complessi tetraedrici del metallo di transizione, quale 2 -, sono alto-spin perché la divisione del campo di cristallo è piccola. Ciò significa che l’energia da ottenere in virtù degli elettroni che si trovano in orbitali a energia inferiore è sempre inferiore all’energia necessaria per accoppiare gli spin.
Paramagnetico vs. Diamagnetico
Alcuni composti sono diamagnetici. In questi casi tutti gli elettroni sono accoppiati. Il ferromagnetismo si verifica quando i singoli atomi sono paramagnetici e i vettori di spin sono allineati paralleli tra loro in un materiale cristallino. Il ferro metallico è un esempio di materiale ferromagnetico che coinvolge un metallo di transizione. L’anti-ferromagnetismo è un altro esempio di proprietà magnetica derivante da un particolare allineamento di singoli spin allo stato solido.
Ferromagnetismo: Un magnete fatto di alnico, una lega di ferro. Il ferromagnetismo è la teoria fisica che spiega come i materiali diventano magneti.
Come implicito dal nome, tutti i metalli di transizione sono metalli e conduttori di elettricità. In generale, i metalli di transizione possiedono un’alta densità e alti punti di fusione e punti di ebollizione. Queste proprietà sono dovute al legame metallico da parte degli elettroni d delocalizzati, portando alla coesione che aumenta con il numero di elettroni condivisi. Tuttavia, i metalli del Gruppo 12 hanno punti di fusione e di ebollizione molto più bassi poiché le loro subshell d complete impediscono il legame d–D. Infatti, il mercurio ha un punto di fusione di -38,83 °C (-37,89 °F) ed è un liquido a temperatura ambiente.
Metalli di transizione e dimensione atomica
Per quanto riguarda la dimensione atomica dei metalli di transizione, c’è poca variazione. In genere, quando si sposta da sinistra a destra attraverso la tavola periodica, c’è una tendenza alla diminuzione del raggio atomico. Tuttavia, nei metalli di transizione, spostandosi da sinistra a destra, c’è una tendenza all’aumento del raggio atomico che si livella e diventa costante. Negli elementi di transizione, il numero di elettroni aumenta ma in un modo particolare. Il numero di elettroni aumenta passando attraverso un periodo, quindi, c’è più attrazione di questi elettroni verso il nucleo. Tuttavia, con i d-elettroni, c’è qualche repulsione elettrone-elettrone aggiunta. Ad esempio, in cromo, c’è una promozione di uno degli elettroni 4s a metà riempire il sottolivello 3d; le repulsioni elettrone-elettrone sono meno e la dimensione atomica è più piccola. L’opposto vale per l’ultima parte della riga.
Tavola periodica degli elementi: Questa immagine rappresenta la dimensione dei raggi atomici. Si noti la dimensione dei metalli di transizione.