Nhóm kim loại chuyển tiếp

Nhóm kim loại chuyển tiếp bao gồm 68 nguyên tố hóa học có số nguyên tử từ 21 đến 30, 39 đến 48, 57 đến 80 và 89 đến 112. Tên gọi này xuất phát từ vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn, nơi quá trình chuyển tiếp bắt đầu do sự gia tăng số lượng electron trong quỹ đạo d.

Theo định nghĩa chính xác, kim loại chuyển tiếp là những nguyên tố có thể tạo ra ít nhất một ion với lớp quỹ đạo d chưa đầy, tức là tất cả các nguyên tố trong khối d ngoại trừ scandium và kẽm.

Ghi chú:

* Các nguyên tố từ Lanthan đến Lutetium (số nguyên tử từ 57 đến 71) thuộc nhóm Lanthan.

** Các nguyên tố từ Actini đến Lawrenci (với số nguyên tử từ 89 đến 103) thuộc nhóm Actini.

Cấu hình electron

Thông thường, các quỹ đạo lớp trong được điền trước các quỹ đạo lớp ngoài. Quỹ đạo s của các nguyên tố trong khối d có mức năng lượng thấp hơn so với các lớp d. Do nguyên tử có xu hướng đạt trạng thái năng lượng thấp nhất, quỹ đạo s được điền trước. Tuy nhiên, có những trường hợp đặc biệt như crôm và đồng, nơi chỉ có một electron ở quỹ đạo ngoài cùng. Điều này xảy ra do sự đẩy nhau giữa các electron, dẫn đến việc chia sẻ electron giữa các quỹ đạo s và d để đạt trạng thái năng lượng thấp hơn, với hai electron ở quỹ đạo ngoài cùng.

Không phải tất cả các nguyên tố trong khối d đều là kim loại chuyển tiếp. Scandium và kẽm không đáp ứng định nghĩa này. Scandium có một electron ở lớp d và hai electron ở lớp s ngoài cùng. Vì ion duy nhất của scandium (Sc) không có electron ở quỹ đạo d, nên ion này không thể có quỹ đạo 'được điền đầy một phần'. Tương tự, kẽm cũng vậy, vì ion duy nhất của kẽm (Zn) có quỹ đạo d được điền đầy hoàn toàn.

Đặc điểm hóa học

Kim loại chuyển tiếp nổi bật với các đặc tính như độ bền kéo, khối lượng riêng, điểm nóng chảy và điểm sôi cao. Những đặc điểm này được giải thích bởi khả năng của các electron trong quỹ đạo d không cố định trong mạng kim loại, và chúng càng thể hiện rõ khi số lượng electron được chia sẻ giữa các hạt nhân tăng lên.

Các kim loại chuyển tiếp có 4 đặc điểm chính:

• Đưa ra hợp chất màu sắc
• Có thể tồn tại trong nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau
• Đóng vai trò là chất xúc tác hiệu quả
• Tạo ra các phức chất

Trạng thái oxy hóa

So với các nguyên tố trong phân nhóm chính như canxi, ion của kim loại chuyển tiếp có thể có nhiều trạng thái oxy hóa hơn. Thông thường, canxi chỉ mất tối đa 2 electron, trong khi các kim loại chuyển tiếp có thể mất đến 9 electron. Điều này có thể được giải thích qua năng lượng ion hóa của hai nhóm: năng lượng cần để loại bỏ 2 electron của canxi từ quỹ đạo s ngoài cùng là thấp, và canxi có năng lượng ion hóa cao khiến ion của nó ít tồn tại. Ngược lại, các kim loại chuyển tiếp như vanadi có chênh lệch năng lượng nhỏ giữa các quỹ đạo 3d và 4s, dẫn đến sự gia tăng gần như tuyến tính của năng lượng ion hóa theo các quỹ đạo d và s, cho phép chúng tồn tại trong nhiều trạng thái oxy hóa cao.

Trong một chu kỳ, có thể nhận diện những mẫu tính chất nhất định:

• Số lượng các trạng thái oxy hóa tăng đến mangan rồi sau đó giảm. Điều này do lực hút của proton trong hạt nhân mạnh hơn, khiến điện tử khó bị kéo vào hơn.
• Tại các mức oxy hóa thấp, nguyên tố thường tồn tại dưới dạng ion. Trong các mức oxy hóa cao, chúng thường tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tố có điện tích âm như oxy hoặc flo, thường là anion.

Các tính chất phụ thuộc vào trạng thái oxy hóa như sau:

• Các mức oxy hóa cao hơn thường kém bền dọc theo chu kỳ.
• Tại các mức oxy hóa cao hơn, ion là chất oxy hóa hiệu quả, trong khi nguyên tố ở mức oxy hóa thấp là chất khử.
• Với việc bắt đầu từ đầu chu kỳ, các ion 2+ là chất khử mạnh có độ bền ngày càng tăng.
• Ngược lại, các ion 3+ bắt đầu với độ bền và dần trở thành chất oxy hóa tốt hơn.

Hoạt động xúc tác

Các kim loại chuyển tiếp là chất xúc tác rất hiệu quả cả trong phản ứng đồng thể và dị thể. Ví dụ, sắt được sử dụng làm chất xúc tác trong quy trình Haber-Bosch, trong khi niken và platin được dùng để hiđrô hóa các anken.

Hợp chất màu sắc

Khi tần số của bức xạ điện từ thay đổi, chúng ta thấy các màu sắc khác nhau. Những màu này xuất hiện từ việc phân tách ánh sáng khi nó được phản xạ, truyền qua, hoặc hấp thụ bởi một vật chất. Các kim loại chuyển tiếp, nhờ vào cấu trúc của chúng, tạo ra nhiều ion và phức chất có màu sắc khác nhau. Ví dụ, MnO₄ (với Mn ở mức oxy hóa +7) có màu tím, trong khi Mn ở dạng khác lại có màu hồng nhạt. Việc hình thành phức chất có thể ảnh hưởng đến màu sắc vì các phối tử tác động lên lớp 3d, dẫn đến việc phân tách các điện tử 3d thành các nhóm năng lượng cao và thấp. Ánh sáng chỉ được hấp thụ khi tần số của nó tương ứng với sự khác biệt năng lượng giữa hai trạng thái nguyên tử. Khi ánh sáng tác động lên một nguyên tử với quỹ đạo 3d bị phân tách, một số điện tử sẽ được kích thích lên trạng thái năng lượng cao hơn. So với các ion thông thường, các ion của phức chất có thể hấp thụ nhiều tần số khác nhau, tạo ra các màu sắc đa dạng. Màu của một phức chất phụ thuộc vào:

• Số lượng điện tử trong các quỹ đạo d
• Cách sắp xếp của các phối tử quanh ion
• Loại phối tử xung quanh ion. Các phối tử có tính phối hợp cao sẽ làm tăng hiệu số năng lượng giữa hai nhóm 3d bị phân tách.