Metal de transición

serie de elementos químicos

Os metais de transición son un conxunto de elementos químicos situados no bloque d da táboa periódica do sistema periódico, grupos 3-12, (aínda que, en ocasións, os elementos do grupo 12 son excluídos e, en menos ocasións, os do grupo 3), que teñen como principal característica a inclusión na súa configuración electrónica de orbital d parcialmente cheos de electróns. Os elementos lantánidos e actínidos (o bloque f) denomínanse metais de transición internos e, ás veces, tamén son considerados metais de transición.

Esta definición pode ampliarse considerando como elementos de transición aqueles que na súa química usan electróns aloxados en orbital d (como os elementos de grupo 11, que nos seus estados de oxidación posúen orbitais d semiocupados). A IUPAC define un metal de transición como "un elemento cuxo átomo ten unha subcapa d incompleta ou que pode dar lugar a catións cunha subcapa d incompleta".[Cómpre referencia]

Definición

editar

Os Principios de nomenclatura química da IUPAC de 2011 describen un «metal de transición» como calquera elemento dos grupos 3 a 12 da táboa periódica.[1] Isto corresponde exactamente cos elementos do bloque d, definición empregada por moitos científicos.[2][3] Na práctica, a serie dos lantánidos e actínidos do bloque f reciben o nome de metais de transición interna. O Libro vermello de 2005 permite excluír os 12 elementos do grupo, pero non os Principios de 2011 mencionados.[4]

O Libro dourado da IUPAC[5] define un metal de transición como un elemento cuxo átomo ten unha subcapa d parcialmente completa, ou que pode producir catións cunha subcapa d incompleta, mais esta definición sae dunha edición antiga do Libro vermello e non aparece máis na edición actual.[4]

No bloque d, os átomos dos elementos teñen entre cero e dez electróns.

Metais de transición do bloque d
Grupo 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Período 4 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn
5 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd
6 71Lu 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg
7 103Lr 104Rf 105Db 106Sg 107Bh 108Hs 109Mt 110Ds 111Rg 112Cn

Os textos e táboas periódicas publicados diverxen a respecto dos elementos máis pesados do grupo 3.[6] A colocación máis habitual do lantano e o actinio nestas posicións non se valida coa evidencia física, química e electrónica, que favorece de maneira abafadora colocar o lutecio e o laurencio neses lugares. Algúns autores prefiren, como terceira opción, deixaren os espazos por debaixo do itrio baleiros, o que pode provocar a confusión sobre se este formato implica que o grupo 3 implica só o escandio e o itrio ou se tamén inclúe todos os lantánidos e os actínidos; alén disto, crea un bloque f de 15 elementos, cando a mecánica cuántica dita que o bloque f debería constar de só 14. A forma co lutecio e o laurencio no grupo 3 vese apoiada por un informe da IUPAC de 1988 con fundamentos físicos, químicos e electrónicos e, de novo en 2021, por outro informe preliminar como a única forma que permite a conservación simultánea de secuencia de números atómicos ascendentes, un bloque f de 14 elementos e que evita quebrar o bloque d. Pódense atopar argumentos na literatura contemporánea que defenden a forma co lantano e o actinio no grupo 3, mais moitos autores consideran que carece de consistencia lóxica; un punto de discusión en concreto é o diferente tratamento do actinio e o torio, ambos os cales poden empregar 5f como orbital de valencia pero non ocupan 5f como átomos illados; a maioría dos investigadores consideran que o problema se corrobora coa forma actualizada do lutecio e o laurencio.

Configuración electrónica

editar

A configuración electrónica xeral dos átomos do bloque d é gas nobre (n − 1)d0–10ns0–2np0–1, onde gas nobre é a configuración electrónica do gas nobre que precede o átomo en cuestión na táboa periódica e n é o número cuántico principal máis elevado dun orbital ocupado dese átomo. Por exemplo, Ti (Z = 22) está no período 4, polo que n = 4, os primeiros 18 electróns teñen a mesma configuración que Ar ao final do período 3 e a configuración xeral é [Ar]3d24s2. Os metais de transición dos períodos 6 e 7 teñen engaden (n − 2)f14 electróns centrais, que se omiten das táboas que seguen. Os orbitais p case nunca se ocupan nos átomos libres (a única excepción é o laurencio debido aos efectos relativísticos, que se fan importantes con Z tan altos), pero poden contribuír á ligazón química nos compostos dos metais de transición.

Esta é a configuración electrónica dos elementos individuais presentes en todas as series do bloque d.

Primeira serie do bloque d (3d) (Sc–Zn)
Grupo 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Número

atómico

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Elemento Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Configuración

electrónica

3d14s2 3d24s2 3d34s2 3d54s1 3d54s2 3d64s2 3d74s2 3d84s2 3d104s1 3d104s2
Segunda serie do bloque d (4d) (Y–Cd)
Número

atómico

39 40 41 42 43 44 45 46 47 48
Elemento Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
Configuración

electrónica

4d15s2 4d25s2 4d45s1 4d55s1 4d55s2 4d75s1 4d85s1 4d105s0 4d105s1 4d105s2
Terceira serie do bloque d (5d) (Lu–Hg)
Número

atómico

71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
Elemento Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg
Configuración

electrónica

5d16s2 5d26s2 5d36s2 5d46s2 5d56s2 5d66s2 5d76s2 5d96s1 5d106s1 5d106s2
Cuarta serie do bloque d (6d) (Lr–Cn) (Configuracións predicidas para Mt–Cn)
Número

atómico

103 104 105 106 107 108 109 110 111 112
Elemento Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn
Configuración

electrónica

7s27p1 6d27s2 6d37s2 6d47s2 6d57s2 6d67s2 6d77s2 6d87s2 6d97s2 6d107s2

Propiedades características

editar

Os elementos de transición comparten certas características que non se atopan no resto dos elementos, o que resulta de teren a capa d chea só parcialmente. Estas inclúen:

  • a formación de compostos cuxa cor se debe ás transicións electrónicas dd
  • a formación de compostos en moitos estados de oxidación, o que se debe ao relativamente débil salto de enerxía entre os diferentes estados de oxidación posíbeis.
  • a formación de moitos compostos paramagnéticos debidos á presenza de electróns sen emparellar. Algúns compostos dos elementos do grupo principal tamén son paramagnéticos, como o óxido nítrico e o osíxeno.

A maioría dos metais de transición poden estar unidos a unha variedade de ligandos, o que permite unha ampla variedade de complexos de metais de transición.

Compostos de cores

editar

As cores nos compostos dos metais da serie de transición débense habitualmente a transicións electrónicas de dous tipos principais.

  • transicións con transferencia de carga. Un electrón pode saltar desde un orbital predominantemente ligando a un orbital predominantemente metal, o que provoca unha transición de carga de ligando a metal (LMCT). Estas acontecen con maior facilidade se o metal está nun estado de oxidación elevado. Por exemplo, a cor dos ions de cromato, dicromato e permanganato débese ás transicións LMCT. Outro exemplo é que o ioduro de mercurio, HgI2, é vermello por causa dunha transición LMCT.

Unha transición de carga de metal a ligando é máis probábel se o metal está nun estado de oxidación baixo e o ligando se reduce facilmente.

En xeral, as transicións con transferencia de carga producen cores máis intensas que as transicións dd.

  • transicións dd. Un electrón salta desde un orbital d a outro. Non todos os orbitais d dos metais de transición teñen a mesma enerxía. Pode calcularse o patrón de división dos orbitais d empregando a teoría de campos de cristal. A alcance da división depende do metal en concreto, do seu estado de oxidación e da natureza dos ligandos. Os niveis de enerxía reais móstranse nos diagramas de Tanabe–Sugano.

Nos complexos centrosimétricos, como os complexos octahédricos, as transicións dd están prohibidas pola regra de Laporte e só se producen debido a un acoplamento vibrónico no ten lugar que unha vibración molecular xunto cunha transición dd. Os complexos tetrahédricos teñen unha cor algo máis intensa porque a mestura de orbitais d e p é posíbel se non hai centro de simetría, polo que as transicións non son transicións dd puras. A absorción molar (ε) de bandas causada polas transicións dd é relativamente baixa, aproximadamente no intervalo 5-500 M−1cm−1 (onde M = mol dm−3). Algunhas transicións dd están prohibidas polo spin. Un exemplo é o dos complexos octahédricos con spin elevado do manganeso(II), que ten unha configuración d5 na que os cinco electróns teñen spins paralelos; a cor destes complexos é máis débil que en complexos con transicións permitidas polo spin. Moitos compostos do manganeso(II) aparecen case incoloras. O espectro de [Mn(H2O)6]2+ mostra unha absorción molar de aproximadamente 0,04 M−1cm−1 no espectro visíbel.

Estados de oxidación

editar

Unha característica dos metais de transición é que mostran dous ou máis estados de oxidación, normalmente diferindo nun. Por exemplo, os compostos do vanadio coñécense en todos os estados de oxidación entre −1, como [V(CO)
6
]
e +5, como VO3−
4
.

 
Estados de oxidación dos metais de transición. Os puntos vermellos mostran os estados de oxidación habituais e os brancos mostran estados posíbeis mais improbábeis.

Os elementos do grupo principal dos grupos 13 ao 18 tamén mostran varios estados de oxidación. Os estados de oxidación «normais» destes elementos difiren tipicamente en dous, no canto de en un. Existen, por exemplo, compostos do galio nos estados de oxidación +1 e +3 nos que só hai un único átomo de galio. Os compostos de Ga(II) terían un electrón sen aparellar e comportaríanse como radicais libres que se destruirían rapidamente, pero coñécense algúns radicais estábeis do Ga(II). O galio ten tamén un estado de oxidación formal de +2 en compostos diméricos, como [Ga
2
Cl
6
]2−
, que conteñen unha ligazón Ga-Ga formada polo electrón sen emparellar de cada átomo de galio. Así, a principal diferenza nos estaos de oxidación entre os elementos de transición e outros elementos é que se coñecen estados de oxidación nos que existe un único átomo do elemento e un ou máis electróns sen emparellar.

O máximo estado de oxidación nos metais de transición da primeira fila é igual ao número de electróns de valencia do titanio (+4) ao manganeso (+7), mais redúcese nos elementos posteriores. Na segunda fila, o máximo aparece no rutenio (+8) e na terceira fila o máximo aparece co iridio (+9). En compostos como [MnO
4
]
and OsO
4
, os elementos atinxen unha configuración estábel por enlace covalente.

Os estados de oxidación mínimos danse nos complexos de carbonilo metálico, como Cr(CO)
6
(estado de oxidación cero) e [Fe(CO)
4
]2−
(estado de oxidación −2), no que se obedece a regra dos 18 electróns. Estes complexos tamén son covalentes.

Os compostos iónicos fórmanse maiormente con estados de oxidación +2 e +3. Nunha solución acuosa, os ións hidrátanse con (habitualmente) seis moléculas de auga dispostas nun octaedro.

Magnetismo

editar
Artigo principal: Magnetoquímica.

Os compostos dos metais de transición son paramagnéticos cando teñen ou ou máis electróns d sen emparellar. Nos complexos octaédricos con entre catro e sete electróns d, tamén son posíbeis con spin altos e baixos. Os complexos dos metais de transición tetrahédricos, como [FeCl
4
]2−
teñen spin alto porque a división de campo de cristal é pequena e a enerxía que se gaña porque os electóns estean en orbitais de menor enerxía.é sempre menor que a enerxía necesaria para emparellar os spins. Algúns compostos son diamagnéticos. Estes inclúen os complexos octahédricos, de spin baixo, d6 cadrado planares d8. Nestes casos, a división de campo de cristal é tal que todos os electróns acaban emparellándose.

O ferromagnetismo ocurre cando os átomos individuais son paramagnéticos e os vectores de spin se aliñan en paralelo uns con outros nun material cristalino. O ferro metálico e a aliaxe alnico son exemplos de materiais ferromagnéticos que inclúen metais de transición. O antiferromagnetismo é outro exempo dunha propiedade magnética debida a un aliñamento concreto de spins individuais no estado sólido.

Propiedades catalíticas

editar

Os metais de transición e os seus compostos coñécense pola súa actividade catalítica homoxénea e heteroxénera. Esta actividade adscríbese á súa abilidade de adoptar diversos estados de oxidación para formar complexos. O óxido de vanadio(V) (no proceso de contacto), o ferro finamente dividido (no proceso de Haber) e o níquel (na hidroxenación catalítica) son varios exemplos. Os catalizadores nunha superficie sólida (catalizadores baseados en nanomateriais) implican a formación de ligazóns entre as moléculas e átomos reactantes da superficie dos catalizador (os metais de transición da primeira fila empregan os electros 3d e 4s para a ligazón). Isto ten o efecto de aumentar a concentración dos reactantes na superficie do catalizador, así como debilitar as ligazóns nas moléculas reactantes a enerxía de activación baixa). Tamén debido a que os ións dos metais de transición poden cambiar os seus estados de oxidación, fanse máis efectivos como catalizadores.

Un tipo de catálise interesante prodúcese cando os produtos dunha reacción catalizan a reacción producindo máis catalizadores (autocatálise). Un exemplo é a reacción do ácido oxálico con permanganato de potasio (manganato (VII)). Unha vez producido un pouco de Mn2+ , este pode reaccionar con MnO4 e formar Mn3+. Á súa vez, este reacciona cos ions de C2O4 ions formando de novo Mn2+.

  1. Leigh (2011), p. 9.
  2. Petrucci & Harwood & Herring (2002), pp. 341–342
  3. Housecrof & Sharpe (2005), pp. 20–21
  4. 4,0 4,1 Connelly, N.G.; Damhus, T.; Hartshorn, R.M.; Hutton, A.T., eds. (2005). Nomenclatura de Química Inorgánica (PDF).(en inglés) RSC–IUPAC. ISBN 0-85404-438-8.
  5. Chemistry (IUPAC), The International Union of Pure and Applied. "IUPAC - transition element (T06456)". goldbook.iupac.org (en inglés). Consultado o 2025-02-14. 
  6. Scerri, Eric R. (2020). The Periodic Table: Its Story and Its Significance. (en inglés) Nova York, NY: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-091436-3. OCLC 1096234740.

Véxase tamén

editar

Bibliografía

editar

 
 Este artigo sobre química é, polo de agora, só un bosquexo. Traballa nel para axudar a contribuír a que a Galipedia mellore e medre.
 Existen igualmente outros artigos relacionados con este tema nos que tamén podes contribuír.