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introducción de metales de transición
Los metales de transición y sus compuestos funcionan como catalizadores, ya sea por su capacidad para cambiar el estado de oxidación o, en el caso de los metales , para adsorber otras sustancias en su superficie y activarlas en el proceso.
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Las estructuras electrónicas de los metales de transición.
¿Qué es un metal de transición?
Los términos metal de transición (o elemento) y elemento de bloque d a veces se usan como si significaran lo mismo. No lo hacen, hay una sutil diferencia entre los dos términos.
Primero exploraremos los elementos de bloque d:
d elementos de bloque
Recordará que cuando construye la Tabla Periódica y determina dónde colocar los electrones utilizando el Principio de Aufbau, sucede algo extraño después del argón.
En argón, los niveles 3s y 3p están llenos, pero en lugar de llenar los niveles 3d a continuación, el nivel 4s se llena para dar potasio y luego calcio.
Solo después de eso se llenan los niveles 3d.
Los elementos en la tabla periódica que corresponden al relleno de d niveles se denominan elementos de bloque d . La primera fila de estos se muestra en la forma abreviada de la tabla periódica a continuación.
Las estructuras electrónicas de los elementos del bloque d que se muestran son:
Carolina del Sur
[Ar] 3d
1
4s
2
Ti
[Ar] 3d
2
4s
2
V
[Ar] 3d
3
4s
2
Cr
[Arkansas]
3d
5 5
4s
1
Minnesota
[Ar] 3d
5 5
4s
2
Fe
[Ar] 3d
6 6
4s
2
Co
[Ar] 3d
7 7
4s
2
Ni
[Ar] 3d
8
4s
2
Cu
[Arkansas]
3d
10
4s
1
Zn
[Ar] 3d
10
4s
2
¡Notarás que el patrón de relleno no es del todo ordenado! Se rompe tanto en cromo como en cobre.
Nota: Esto es algo que solo tendrá que aceptar. No hay una explicación simple que se pueda utilizar a este nivel. Cualquier explicación simple que se da es defectuosa!
La gente a veces dice que un nivel d medio lleno como en el cromo (con un electrón en cada orbital) es estable, y así es, ¡a veces ! Pero luego tienes que ver por qué es estable. La explicación obvia es que el cromo toma esta estructura porque la separación de los electrones minimiza las repulsiones entre ellos; de lo contrario, tomaría una estructura bastante diferente.
Pero solo tiene que mirar la configuración electrónica de tungsteno (W) para ver que esta explicación aparentemente simple no siempre funciona. El tungsteno tiene la misma cantidad de electrones externos que el cromo, pero su estructura externa es diferente: 5d
4 4
6s
2
. Nuevamente, las repulsiones de electrones deben minimizarse; de lo contrario, no tomaría esta configuración. Pero en este caso, no es cierto que el estado medio lleno sea el más estable; no parece muy razonable, ¡pero es un hecho! La verdadera explicación será mucho más difícil de lo que parece a primera vista.
Tampoco puede usar la afirmación de que un nivel d completo (por ejemplo, en el caso del cobre) es estable, a menos que pueda llegar a una explicación adecuada de por qué es así. ¡No puede suponer que verse bien y ordenado es una buena razón!
Si no puede explicar algo correctamente, es mucho mejor aceptarlo que inventar explicaciones defectuosas que suenan bien en la superficie pero que no resisten el escrutinio.
Metales de transición
¡No todos los elementos del bloque d cuentan como metales de transición! Existen discrepancias entre los diversos programas de estudios basados en el Reino Unido, pero la mayoría usa la definición:
Un metal de transición es aquel que forma uno o más iones estables que tienen d orbitales llenos de manera incompleta .
Nota: La definición más reciente de IUPAC incluye la posibilidad de que el elemento mismo también tenga orbitales d incompletos. Es poco probable que esto sea un gran problema (solo surge realmente con el escandio), pero le pagaría aprender la versión que su plan de estudios desea. Ambas versiones de la definición están actualmente en uso en varios programas de estudios basados en el Reino Unido.
Si está trabajando para un examen en el Reino Unido y no tiene una copia de su plan de estudios, siga este enlace para averiguar cómo obtener uno. Use el botón ATRÁS en su navegador para regresar rápidamente a esta página.
Sobre la base de la definición descrita anteriormente, el escandio y el zinc no cuentan como metales de transición, a pesar de que son miembros del bloque d.
El escandio tiene la estructura electrónica [Ar] 3d
1
4s
2
. Cuando forma iones, siempre pierde los 3 electrones externos y termina con una estructura de argón. El sc
3+
El ion no tiene electrones d, por lo que no cumple con la definición.
El zinc tiene la estructura electrónica [Ar] 3d
10
4s
2
. Cuando forma iones, siempre pierde los dos electrones 4s para dar un ion 2+ con la estructura electrónica [Ar] 3d
10
. El ion de zinc tiene niveles d completos y tampoco cumple con la definición.
Por el contrario, cobre, [Ar] 3d
10
4s
1
, forma dos iones. En el Cu
+
Ion la estructura electrónica es [Ar] 3d
10
. Sin embargo, el Cu más común
2+
ion tiene la estructura [Ar] 3d
9
.
El cobre es definitivamente un metal de transición porque el Cu
2+
El ion tiene un nivel d incompleto.
Transición de iones metálicos
¡Aquí te enfrentas a uno de los hechos más irritantes de la química a este nivel! Cuando trabaja las estructuras electrónicas de la primera serie de transición (del escandio al zinc) utilizando el Principio de Aufbau, lo hace sobre la base de que los orbitales 3d tienen una energía más alta que el orbital 4s.
Eso significa que trabajas asumiendo que los electrones 3d se agregan después de los 4s.
Sin embargo, en toda la química de los elementos de transición, el orbital 4s se comporta como el orbital más externo y de mayor energía. Cuando estos metales forman iones, los electrones 4s siempre se pierden primero.
Debes recordar esto:
Cuando los elementos del bloque d forman iones, los electrones 4s se pierden primero.
Nota: El problema aquí es que el Principio de Aufbau solo puede usarse realmente como una forma de resolver las estructuras electrónicas de la mayoría de los átomos. Es una forma simple de hacerlo, aunque falla con algunos, como el cromo o el cobre, por supuesto, y hay que aprenderlos.
Sin embargo, hay una falla en la teoría detrás de esto que produce problemas como este. ¿Por qué los electrones 3d aparentemente de mayor energía no son los que se pierden cuando el metal se ioniza?
He escrito una explicación detallada de esto en otra página llamada el orden de llenado de los orbitales 3d y 4s. Si eres un maestro o un estudiante muy seguro, entonces te gustaría seguir este enlace.
Si no tienes tanta confianza, te sugiero que lo ignores. Asegúrese de que puede resolver las estructuras de estos átomos utilizando el Principio de Aufbau, suponiendo que los orbitales 3d se llenen después de los 4s, y aprenda que cuando los átomos se ionizan, los electrones 4s siempre se pierden primero. ¡Simplemente ignore las contradicciones entre estas dos ideas!
Para escribir la estructura electrónica para Co
2+
:
Co
[Ar] 3d
7 7
4s
2
Co
2+
[Ar] 3d
7 7
El ion 2+ está formado por la pérdida de los dos electrones 4s.
Escribir la estructura electrónica para V
3+
:
V
[Ar] 3d
3
4s
2
V
3+
[Ar] 3d
2
Los electrones 4 se pierden primero seguido de uno de los electrones 3d.
Nota: Encontrará más ejemplos de escritura de estructuras electrónicas para iones de bloque d, siguiendo este enlace.
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Estado de oxidación variable (número)
Una de las características clave de la química del metal de transición es la amplia gama de estados de oxidación (números de oxidación) que los metales pueden mostrar.
Sin embargo, sería un error dar la impresión de que solo los metales de transición pueden tener estados de oxidación variables. Por ejemplo, elementos como el azufre o el nitrógeno o el cloro tienen un rango muy amplio de estados de oxidación en sus compuestos, y estos obviamente no son metales de transición.
Sin embargo, esta variabilidad es menos común en metales aparte de los elementos de transición. De los metales familiares de los principales grupos de la Tabla Periódica, solo el plomo y el estaño muestran un estado de oxidación variable en cualquier medida.
Ejemplos de estados de oxidación variable en los metales de transición.
Hierro
El hierro tiene dos estados de oxidación comunes (+2 y +3) en, por ejemplo, Fe
2+
y Fe
3+
. También tiene un estado de oxidación +6 menos común en el ion ferrato (VI), FeO
4 4
2-
.
Manganeso
El manganeso tiene una gama muy amplia de estados de oxidación en sus compuestos. Por ejemplo:
+2
en Mn
2+
+3
en Mn
2
O
3
+4
en MnO
2
+6
en MnO
4 4
2-
+7
en MnO
4 4
–
Explicar los estados variables de oxidación en los metales de transición.
Veremos la formación de iones simples como Fe
2+
y Fe
3+
.
Cuando un metal forma un compuesto iónico, la fórmula del compuesto producido depende de la energía del proceso. En general, el compuesto formado es aquel en el que se libera la mayor parte de la energía. Cuanta más energía se libera, más estable es el compuesto.
Hay varios términos de energía para pensar, pero los más importantes son:
- La cantidad de energía necesaria para ionizar el metal (la suma de las diversas energías de ionización)
- La cantidad de energía liberada cuando se forma el compuesto. Esta será la entalpía reticular si está pensando en sólidos, o la entalpía de hidratación de los iones si está pensando en soluciones.
Cuanto más cargado esté el ion, más electrones tendrá que eliminar y más energía de ionización tendrá que proporcionar.
Pero compensando esto, cuanto más cargada está el ion, más energía se libera como entalpía reticular o entalpía de hidratación del ion metálico.
Pensando en un típico metal de no transición (calcio)
El cloruro de calcio es CaCl
2
. ¿Porqué es eso?
Si intentó hacer CaCl, (que contiene un Ca
+
ion), el proceso general es ligeramente exotérmico.
Al hacer un Ca
2+
en su lugar, debe suministrar más energía de ionización, pero obtiene mucha más energía de red. Hay mucha más atracción entre los iones de cloruro y el Ca
2+
iones de los que hay si solo tienes un ión 1+. El proceso general es muy exotérmico.
Porque la formación de CaCl
2
libera mucha más energía que hacer CaCl, luego CaCl
2
es más estable, y así se forma en su lugar.
¿Qué hay de CaCl?
3
? Esta vez tienes que eliminar otro electrón más del calcio.
Los dos primeros provienen del nivel 4s. El tercero proviene del 3p. Eso está mucho más cerca del núcleo y, por lo tanto, es mucho más difícil de eliminar. Hay un gran salto en la energía de ionización entre el segundo y el tercer electrón eliminado.
Aunque habrá una ganancia en la entalpía reticular, no es suficiente para compensar la energía de ionización adicional, y el proceso general es muy endotérmico.
Definitivamente no es energéticamente sensible hacer CaCl
3
!
Pensando en un típico metal de transición (hierro)
Aquí están los cambios en la estructura electrónica del hierro para hacer el ion 2+ o el 3+.
Fe
[Ar] 3d
6 6
4s
2
Fe
2+
[Ar] 3d
6 6
Fe
3+
[Ar] 3d
5 5
El orbital 4s y los orbitales 3d tienen energías muy similares. No hay un gran salto en la cantidad de energía que necesita para eliminar el tercer electrón en comparación con el primero y el segundo.
Las cifras de las tres primeras energías de ionización (en kJ mol
-1
) para el hierro en comparación con los de calcio son:
metal
1st IE
2nd IE
3er IE
California
590
1150
4940
Fe
762
1560
2960
Hay un aumento en la energía de ionización a medida que quitas más electrones de un átomo porque tienes la misma cantidad de protones que atraen menos electrones. Sin embargo, hay mucho menos aumento cuando tomas el tercer electrón del hierro que del calcio.
En el caso del hierro, la energía de ionización adicional se compensa más o menos por la entalpía de red extra o la entalpía de hidratación desarrollada cuando se produce el compuesto 3+.
El efecto neto de todo esto es que el cambio general de entalpía no es muy diferente si se hace, digamos, FeCl
2
o FeCl
3
. Eso significa que no es demasiado difícil convertir entre los dos compuestos.
La formación de iones complejos.
¿Qué es un ion complejo?
Un ion complejo tiene un ion metálico en su centro con una serie de otras moléculas o iones que lo rodean. Se puede considerar que están unidos al ion central por enlaces coordinados (dativos covalentes). (En algunos casos, la vinculación es en realidad más complicada que eso).
Las moléculas o iones que rodean el ión metálico central se denominan ligandos .
Los ligandos simples incluyen agua, amoníaco e iones cloruro.
Lo que todos estos tienen en común son pares de electrones solitarios activos en el nivel de energía exterior. Estos se utilizan para formar enlaces coordinados con el ion metálico.
Algunos ejemplos de iones complejos formados por metales de transición.
[Fe (H
2
O)
6 6
]
2+
[Co (NH
3
)
6 6
]
2+
[Cr (OH)
6 6
]
3-
[CuCl
4 4
]
2-
Otros metales también forman iones complejos: no es algo que solo hacen los metales de transición. Sin embargo, los metales de transición forman una gama muy amplia de iones complejos.
La formación de compuestos coloreados.
Algunos ejemplos comunes
Los diagramas muestran colores aproximados para algunos iones complejos de metales de transición comunes.
Encontrará estos y otros temas si sigue enlaces a metales individuales desde el menú de metales de transición (enlace en la parte inferior de la página).
Alternativamente, puede explorar el menú de iones complejos (siga el enlace en el cuadro de ayuda que acaba de desaparecer en la parte superior de la pantalla).
El origen del color en los iones de metales de transición.
Cuando la luz blanca pasa a través de una solución de uno de estos iones, o se refleja en ella, se absorben algunos colores de la luz. El color que ves es cómo tu ojo percibe lo que queda.
La unión de ligandos a un ion metálico tiene un efecto sobre las energías de los orbitales d. La luz se absorbe a medida que los electrones se mueven entre un orbital d y otro. Esto se explica en detalle en otra página.
Actividad catalítica
Los metales de transición y sus compuestos son a menudo buenos catalizadores. Algunos de los casos más obvios se mencionan a continuación, pero encontrará catálisis explorada en detalle en otra parte del sitio (siga el enlace después de los ejemplos).
Los metales de transición y sus compuestos funcionan como catalizadores, ya sea por su capacidad para cambiar el estado de oxidación o, en el caso de los metales, para adsorber otras sustancias en su superficie y activarlas en el proceso. Todo esto se explora en la sección de catálisis principal.
Metales de transición como catalizadores
Hierro en el proceso de Haber
El Proceso Haber combina hidrógeno y nitrógeno para hacer amoníaco usando un catalizador de hierro.
Níquel en la hidrogenación de enlaces C = C
Esta reacción está en el corazón de la fabricación de margarina a partir de aceites vegetales.
Sin embargo, el ejemplo más simple es la reacción entre eteno e hidrógeno en presencia de un catalizador de níquel.
Compuestos de metales de transición como catalizadores.
Óxido de vanadio (V) en el proceso de contacto
En el corazón del proceso de contacto hay una reacción que convierte el dióxido de azufre en trióxido de azufre. El gas de dióxido de azufre se pasa junto con el aire (como fuente de oxígeno) sobre un catalizador de óxido de vanadio (V) sólido.
Iones de hierro en la reacción entre iones persulfato e iones yoduro
Iones de persulfato (iones de peroxodisulfato), S
2
O
8
2-
, son agentes oxidantes muy potentes. Los iones de yoduro se oxidan muy fácilmente a yodo. Y, sin embargo, la reacción entre ellos en solución en agua es muy lenta.
La reacción es catalizada por la presencia de iones de hierro (II) o de hierro (III).
¡Y esto, damas, caballeros y cualquier otra cosa, fue una lección interesante de química!
