Chimica generale/Metalli di transizione

Definizione e caratteristiche generali

Nella tavola periodica degli elementi, sulla base della loro posizione, possiamo individuare gli elementi cosiddetti di transizione, i quali sono caratterizzati dalla presenza di un elettrone nell'orbitale d. Essi hanno simile configurazione orbitale elettronica e quindi simili proprietà chimiche.

Hanno numeri atomici compresi fra 21 e 30, 39 e 48, 72 e 80, e appartengono ai gruppi dal 3 al 12 (o equivalentemente dal IIIB al IIB) della tavola periodica. Degli attuali elementi conosciuti sono ben 59 ed hanno in comune l'aspetto metallico, perciò sono spesso chiamati metalli di transizione.

I metalli di transizione (TM) sono divisi in tre gruppi: (a) elementi del gruppo d, (b) lantanidi, (c) attinidi, i quali hanno orbitali d o f parzialmente occupati in uno qualsiasi stato di ossidazione stabile. Tuttavia gli elementi Scandio e Zinco non vengono considerati come metalli di transizione.

• Lo Scandio ha struttura elettronica [Ar]3d14s2. Quando forma degli ioni perde sempre i tre elettroni esterni: lo Sc3+ non ha elettroni d.
• Lo Zinco ha la struttura elettronica [Ar]3d104s2. Quando forma degli ioni perde sempre i due elettroni 4s per dare lo ione Zn2+ che ha struttura elettronica [Ar]3d10 con tutti gli orbitali d pieni.

Al contrario invece il Rame è un metallo di transizione in quanto lo ione Cu2+ ha orbitali d parzialmente riempiti.

Caratteristiche

1. Siccome impiegano anche elettroni ed orbitali d nel legame metallico, sono tutti metalli con energia di atomizzazione elevata.

2. Hanno punti di fusione e di ebollizione elevati, più alti dei metalli non-TM (gli elementi di transizione fondono in genere al di sopra dei 1000 °C).

3. Spesso maggior parte dei composti di transizione è colorata (a differenza dei metalli dei gruppi s e p la maggioranza dei quali forma composti incolori).

4. Sono frequentemente paramagnetici.

5. Tendono a formare composti complessi con composti organici insaturi.

6. Sono in genere duri, fragili e altofondenti, ad eccezione del mercurio, l'unico metallo liquido a temperatura ambiente.

7. Sono in genere buoni conduttori dell'elettricità e di calore (L’argento e il rame sono i migliori conduttori di calore ed elettricità).

8. Sono duttili e malleabili.

Separazione energetica tra gli orbitali di valenza

Negli elementi di transizione del blocco d ha luogo il riempimento degli orbitali 3d, 4d o 5d. Tra il riempimento degli orbitali 4d e 5d, ha luogo anche il riempimento degli orbitali 4f (lantanidi). Nei metalli della prima serie di transizione si riempiono prima i 4s e poi i 3d. Questo perché in un atomo vuoto gli orbitali 4s hanno energia più bassa dei 3d. Tuttavia una volta che gli elettroni sono negli orbitali l’ordine dei livelli energetici cambia e in tutta la chimica dei metalli di transizione gli orbitali 4s sono quelli più esterni a più alta energia.

Andamento dei potenziali di ionizzazione

La facilità con cui un elettrone può essere rimosso da un atomo dei metalli di transizione è intermedia tra quella degli elementi del gruppo s e p. I TM possono quindi formare sia legami ionici che covalenti a seconda delle condizioni.

Dimensione degli atomi e degli ioni

Il raggio covalente (e ionico) diminuisce da sinistra a destra lungo una serie di transizione e aumenta leggermente verso la fine.

Potere ossidante

Il potere ossidante è una misura della forte tendenza a ridursi di uno ione ed è inoltre dipendente dal pH.

Reattività

Tutti i metalli del primo periodo dovrebbero sciogliersi in acidi non ossidanti a pH = 0, con l’eccezione dell'elemento rame. Vengono attaccati con sufficiente rapidità gli elementi Cr, Mn e Fe (oltre a Zn) mentre per gli altri si deve ricorrere a condizioni elevate di temperatura e spesso alla presenza di agenti ossidanti.

Acidita’

I metalli di transizione sono ossiacidi più deboli dei relativi omologhi elementi del gruppo principale.

Abbondanza

I dieci elementi di transizione della prima serie sono piuttosto comuni e costituiscono il 6,79% della crosta terrestre. I restanti elementi di transizione sono veramente scarsi; i 20 elementi della seconda e terza serie costituiscono insieme solo lo 0,025% della crosta terrestre.