أهداف الدرس

1. • أن يفسر الطالب الخواص المميزة للعناصر الانتقالية.
2. • أن يشرح التدرج في نصف القطر وكثافة الشحنة ودرجات الانصهار.
3. • أن يميز بين المواد البارامغناطيسية والديامغناطيسية.

الخواص العامة

• • فلزات لها بريق معدني، صلبة، كثافتها عالية، ودرجات انصهارها مرتفعة.
• • نشاطها الكيميائي متوسط، فهي أقل نشاطاً من فلزات الفئة s.
• • تكون مركبات ملونة.
• • لها نشاط حفزي واضح.
• • تكون معقدات مع الماء والأمونيا وأيونات الهاليد.
• • تظهر خواص مغناطيسية.
• تعريف العنصر الانتقالي هو العنصر الذي تكون فيه أفلاك d أو f مشغولة بالإلكترونات لكنها غير ممتلئة تماماً، سواء في الذرة أو في أي حالة تأكسد معروفة له. لذلك لا تُعد عناصر الخارصين والكادميوم والزئبق انتقالية، لأن المستوى d فيها ممتلئ تماماً بعشرة إلكترونات في الذرة وفي حالة التأكسد الوحيدة.

• تمتد السلسلة الانتقالية الأولى من السكانديوم Sc (العدد الذري 21) حتى الخارصين Zn (العدد الذري 30)، ويمتلئ فيها المستوى الفرعي 3d تدريجياً.
• وعند تكوين الأيونات يفقد العنصر إلكترونات 4s أولاً ثم إلكترونات 3d.
• تعطي جميع عناصر السلسلة ما عدا السكانديوم حالة التأكسد (+2) بفقد إلكترونين من 4s، أما السكانديوم فيعطي حالة تأكسد وحيدة هي (+3) لأن فقد إلكترون 3d الوحيد يصل به إلى التركيب الشبيه بالأرجون.
• وأعلى حالة تأكسد في السلسلة هي (+7) في المنجنيز، كما في برمنجانات البوتاسيوم.

التدرج في نصف القطر

• يقل نصف القطر قليلاً بزيادة العدد الذري في أول السلسلة، ثم يثبت تقريباً في نهايتها.
• السبب أن الزيادة في شحنة النواة يقابلها زيادة في حجب الإلكترونات الداخلية، فيتقارب الأثران.

• يرجع ثبات نصف القطر تقريباً من الكروم حتى النحاس إلى تأثيرين متعاكسين يحدثان معاً: الأول زيادة الشحنة النووية الفعالة مع العدد الذري، فتجذب إلكترونات المستوى الخارجي فينكمش الحجم، والثاني زيادة التنافر الكهروستاتيكي بين الإلكترونات المضافة إلى المستوى 3d فيزداد الحجم.
• وعندما يتعادل التأثيران يثبت نصف القطر.
• ولهذا الثبات أهمية عملية، إذ تصلح هذه العناصر لتكوين السبائك الاستبدالية مثل الصلب الذي لا يصدأ والبرونز.

الكثافة ودرجة الانصهار

• تزداد الكثافة ودرجة الانصهار بزيادة العدد الذري في معظم السلسلة، بسبب زيادة قوة الرابطة الفلزية الناتجة عن مشاركة إلكترونات المستوى d.
• تزداد الكثافة باطراد على امتداد السلسلة، من نحو 3.0 g/cm³ عند السكانديوم إلى نحو 8.92 g/cm³ عند النحاس.
• والسبب أن الكثافة تساوي الكتلة الذرية ÷ الحجم الذري، والحجم الذري شبه ثابت تقريباً، بينما تزداد الكتلة الذرية بزيادة العدد الذري.

1. وتشارك إلكترونات 4s مع إلكترونات 3d في تكوين السحابة الإلكترونية الحرة
2. فتقوى الرابطة الفلزية وتبقى درجات الانصهار والغليان مرتفعة في معظم عناصر السلسلة.

سبب اللون

• تتكون المركبات الملونة نتيجة انتقال إلكترون بين مستويات d المنشطرة تحت تأثير مجال الليجند المحيط بالأيون.
• يحدث الانتقال بامتصاص طول موجي من الضوء المرئي، فيظهر اللون المكمل للطول الموجي الممتص.
• • أيون النحاس المائي Cu2+ أزرق.
• • أيون الحديد الثنائي Fe2+ أخضر باهت.
• • أيون الحديد الثلاثي Fe3+ أصفر بني.
• • أيون المنجنيز Mn2+ وردي باهت.
• • أيون الكروم Cr3+ أخضر، وأيون الكرومات أصفر.
• يعتمد اللون المرئي على اللون المتمم للضوء الممتص فامتصاص الأحمر يُظهر المادة خضراء، وامتصاص البرتقالي يُظهر الأزرق، وامتصاص الأصفر يُظهر البنفسجي.

• الأيونات التي يكون فيها المستوى 3d فارغاً تماماً، مثل Sc3+، أو ممتلئاً تماماً، مثل Zn2+، تكون عديمة اللون لأن طاقة الضوء المرئي لا تكفي لإثارة إلكتروناتها.
• ومن هذا الباب أيضاً أيون Cu+ عديم اللون لأن مستواه 3d ممتلئ.

الخواص المغناطيسية

• • بارامغناطيسية المادة تنجذب إلى المجال المغناطيسي، وتحدث عندما تحتوي على إلكترونات غير مزدوجة في المستوى d.
• • ديامغناطيسية المادة تتنافر مع المجال المغناطيسي، وتحدث عندما تكون كل الإلكترونات مزدوجة.
• أمثلة أيون Zn2+ تركيبه 3d10 أي ديامغناطيسي، وأيون Fe3+ تركيبه 3d5 أي بارامغناطيسي بخمسة إلكترونات غير مزدوجة.
• يُحسب العزم المغناطيسي تقريباً بالعلاقة μ = √(n(n+2)) بوحدة B.M.، حيث n عدد الإلكترونات المفردة وB.M.
• تعني بوهر مغنيتون.
• وعند الحساب نعيّن حالة تأكسد الفلز أولاً، ثم نحذف إلكترونات 4s قبل 3d، ثم نعد الإلكترونات المفردة في المستوى 3d فقط.

• فأيون Fe²⁺ يحتوي على 4 إلكترونات مفردة، وأيون Fe³⁺ يحتوي على 5 إلكترونات مفردة وعزمه نحو 5.92 B.M.، وهو الأعلى بين هذين الأيونين.

النشاط الحفزي

• ترجع قدرة العناصر الانتقالية على العمل كعوامل حفز إلى:
• • قدرتها على تغيير حالة تأكسدها بسهولة، فتسهل مساراً تفاعلياً بديلاً.
• • مساحة سطحها الكبيرة عند استخدامها في صورة مسحوق.
• • قدرتها على امتزاز المواد المتفاعلة على سطحها وتقريبها.
• أمثلة حفازات الحديد في عملية هابر، والنيكل في هدرجة الزيوت، والبلاتين في أكسدة الأمونيا، وأكسيد الفاناديوم في تحضير حمض الكبريتيك.
• تفسير ذلك أن إلكترونات 4s و3d تكوّن روابط تنسيقية مؤقتة وضعيفة مع جزيئات المتفاعلات على سطح الحافز الصلب.
• ويترتب على ذلك إضعاف الروابط داخل جزيئات المتفاعلات وتوجيهها بزوايا تصادم مناسبة، فتنخفض طاقة التنشيط ويتسارع التفاعل دون أن يُستهلك الحافز.

• ومن الحفازات الصناعية أيضاً الحديد الذي يحول غاز الماء (خليط CO وH₂) إلى وقود سائل بطريقة فيشر-تروبش.

تقييم سريع

• 1- فسر مركبات العناصر الانتقالية ملونة بينما مركبات الخارصين عديمة اللون.
• 2- قارن بين البارامغناطيسية والديامغناطيسية بمثال لكل منهما.
• 3- لماذا يستخدم الحديد المجزأ حفازاً في عملية هابر؟