مقدمة العناصر الانتقالية: التركيب الإلكتروني وحالات التأكسد
درس مقدمة العناصر الانتقالية: نبدأ بمكان العناصر في الجدول وتركيبها الإلكتروني، ثم حالات التأكسد وجهود التأين، وأخيرًا استخدامات كل عنصر. وفي صفحة الأسئلة تجد باقي الدرس.
الفئة d والسلسلة الانتقالية الأولى
- عناصر الفئة d تقع بين الفئة s والفئة p في الجدول الدوري، ويتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعي (n−1)d.
- التركيب العام لذراتها: ns² , (n−1)d بعدد من الإلكترونات من 1 إلى 10.
- السلسلة الانتقالية الأولى في الدورة الرابعة (المستوى 3d) عناصرها: Sc ، Ti ، V ، Cr ، Mn ، Fe ، Co ، Ni ، Cu ، Zn.
- لعنصرين تركيب شاذ لأن المستوى d نصف الممتلئ أو الممتلئ أكثر استقرارًا:
- ₂₄Cr : [Ar] , 4s¹ , 3d⁵
- ₂₉Cu : [Ar] , 4s¹ , 3d¹⁰
- العنصر الذي ينتهي تركيبه بالمستويين ns² , (n−1)d¹⁰ (مثل الخارصين) ليس عنصرًا انتقاليًا رئيسيًا، لأن المستوى d ممتلئ في ذرته وفي أيونه.
- رقم المجموعة B لمعظم العناصر هو مجموع إلكترونات ns و (n−1)d، أما الحديد والكوبلت والنيكل فتشغل ثلاثة أعمدة في المجموعة 8B، فلا يمكن تحديد المجموعة من المجموع.
عند تكوين الأيون تُفقد إلكترونات 4s أولًا ثم من 3d، فمثلًا الحديد ₂₆Fe تركيبه [Ar] , 3d⁶ , 4s²، وأيونه Fe³⁺ تركيبه [Ar] , 3d⁵.
اعرض الحل
الأيون M³⁺ تركيبه [Ar] , 3d⁵، وقد فقد 3 إلكترونات: اثنين من 4s وواحدًا من 3d.
إذن تركيب الذرة [Ar] , 3d⁶ , 4s² ، والعدد الذري = 18 + 8 = 26 (الحديد).
الإجابة (ج).
حالات التأكسد
- معظم الفلزات الانتقالية لها أكثر من حالة تأكسد لأن طاقتي المستويين 4s و3d متقاربتان، فتشارك إلكترونات 3d في تكوين الروابط بعد إلكترونات 4s.
- أشهر حالتين: +2 (فقد إلكترونَي 4s) و+3.
- أعلى حالة تأكسد للعناصر من 3B إلى 7B تساوي مجموع إلكترونات 4s و3d، ومثالها Mn في MnO₄⁻ (+7) وCr في CrO₄²⁻ و Cr₂O₇²⁻ (+6).
- تتراوح الحالات في السلسلة من +1 (النحاس) إلى +7 (المنجنيز).
- السكانديوم له حالة واحدة (+3) والخارصين له حالة واحدة (+2).
- الأيون الأكثر استقرارًا هو الذي يكون فيه المستوى 3d نصف ممتلئ أو ممتلئًا، مثل Mn²⁺ (3d⁵) و Fe³⁺ (3d⁵) و Zn²⁺ (3d¹⁰).
اعرض الحل
أقل حالة تأكسد في السلسلة +1 كما في النحاس Cu⁺، وأعلاها +7 كما في المنجنيز MnO₄⁻.
الإجابة (أ).
الإلكترونات المفردة
نعد الإلكترونات المفردة في المستوى 3d بتوزيعها على الأوربيتالات الخمسة، كل أوربيتال إلكترون واحد أولًا. وعددها هو أساس الخاصية المغناطيسية التي ندرسها في الدرس التالي.
| الأيون | التركيب | الإلكترونات المفردة |
|---|---|---|
| Ti³⁺ | 3d¹ | 1 |
| Cr³⁺ | 3d³ | 3 |
| Fe³⁺ | 3d⁵ | 5 |
| Fe²⁺ | 3d⁶ | 4 |
| Co²⁺ | 3d⁷ | 3 |
| Zn²⁺ | 3d¹⁰ | 0 |
اعرض الحل
نستنتج التركيب من عدد الإلكترونات المفردة:
- W²⁺ لا مفردات فيه، فهو 3d¹⁰ أي Zn²⁺.
- X³⁺ فيه إلكترون واحد، فهو 3d¹ أي Ti³⁺.
- Y⁴⁺ فيه 5 مفردات، فهو 3d⁵ أي Co⁴⁺.
- Z⁴⁺ فيه 3، فهو 3d³ أي Mn⁴⁺.
الذي يُستخدم في بطاريات السيارات الحديثة هو الكوبلت، أي (Y).
الإجابة (ج).
جهود التأين
- جهد التأين الأول لعناصر السلسلة قريب في قيمته، لأن الإلكترون يُنزع من المستوى 4s الذي يتأثر قليلًا بإضافة إلكترونات 3d.
- جهود التأين المتتالية تزداد تدريجيًا بينما تُنزع إلكترونات 4s ثم 3d.
- عند الوصول إلى مستوى طاقة رئيسي مكتمل (المستوى الثالث) تظهر قفزة كبيرة في قيمة الجهد، وعدد الإلكترونات التي تسبق القفزة هو عدد إلكترونات المستويين 4s و3d في العنصر.
اعرض الحل
القفزة الكبيرة تظهر بعد الجهد الثامن (14580) إلى التاسع (22540)، أي أن العنصر يفقد 8 إلكترونات بسهولة نسبية.
هذا عدد إلكترونات 4s و3d في [Ar] , 3d⁶ , 4s² ، فالعنصر هو الحديد.
الإجابة (ج).
اعرض الحل
القفزة الكبيرة بين الجهد الثالث (2388.6) والرابع (7090.6)، فالإلكترون الرابع نُزع من مستوى رئيسي مكتمل (المستوى الثالث).
أي أن العنصر يفقد 3 إلكترونات بسهولة وهو السكانديوم، والحالة M⁴⁺ هي التي نُزع فيها إلكترون من مستوى مكتمل.
الإجابة (د).
أهم استخدامات عناصر 3d
| العنصر | الاستخدام |
|---|---|
| Sc | سبيكته مع الألومنيوم خفيفة وشديدة الصلابة |
| Ti | سبائكه مع الألومنيوم في هياكل الطائرات والمركبات الفضائية، ويرتبط بالعظام لأنه مقاوم للتآكل وغير سام، وأكسيده TiO₂ في مستحضرات الحماية من الشمس |
| V | V₂O₅ عامل حفاز في تحضير حمض الكبريتيك، ويضاف إلى الصلب لعمل زنبركات السيارات |
| Cr | Cr₂O₃ في الأصباغ، ويدخل في الصلب الذي لا يصدأ |
| Mn | MnO₂ في العمود الجاف، و KMnO₄ عامل مؤكسد، و MnSO₄ يبيد الفطريات |
| Fe | أهم فلز صناعي، ويصنع منه الصلب |
| Co | نظيره كوبلت-60 يستخدم في الكشف عن الأورام الخبيثة، ومنه الكشف عن لحام الوصلات |
| Ni | عامل حفاز في هدرجة الزيوت، وبطاريات النيكل والكادميوم القابلة للشحن |
| Cu | الأسلاك الكهربية، و CuSO₄ يبيد الفطريات، ومحاليل أملاحه تكشف عن سكر الجلوكوز |
| Zn | جلفنة الحديد لحمايته من الصدأ، و ZnO في المطاط ومستحضرات التجميل، و ZnS في الطلاءات المضيئة |
اعرض الحل
الشكل مقطع من الجدول الدوري: (Y) هو السكانديوم (أول عناصر الفئة d في الدورة الرابعة)، و(X) هو الألومنيوم (أول عناصر المجموعة 3A في الدورة الثالثة).
سبيكة السكانديوم مع الألومنيوم شديدة الصلابة وخفيفة.
الإجابة (ج).
اعرض الحل
(M) هو سابع عناصر السلسلة الانتقالية الأولى، أي الكوبلت Co. وهو من العناصر الثلاثة القابلة للتمغنط: Fe و Co و Ni.
الإجابة (د).
اعرض الحل
نعد العناصر من اليسار: (1) الفاناديوم، (2) المنجنيز، (3) الكوبلت، (4) النحاس.
كبريتات المنجنيز MnSO₄ وكبريتات النحاس CuSO₄ تستخدمان في إبادة الفطريات، أي (2) و(4).
الإجابة (د).