Physikalische Eigenschaften und Atomgröße

Aufgrund teilweise gefüllter d-Unterschalen besitzen Übergangsmetalle eine Reihe einzigartiger Eigenschaften.

Übergangsmetalleigenschaften

Es gibt eine Reihe von Eigenschaften, die von den Übergangselementen geteilt werden, die in anderen Elementen nicht gefunden werden, die sich aus der teilweise gefüllten d-Unterschale ergeben. Dazu gehören die Bildung von Verbindungen, deren Farbe auf elektronische d-d-Übergänge zurückzuführen ist, und die Bildung vieler paramagnetischer Verbindungen aufgrund der Anwesenheit ungepaarter d-Elektronen. Die Farbe in Metallverbindungen der Übergangsserie ist im Allgemeinen auf elektronische Übergänge zweier Haupttypen zurückzuführen: Ladungsübertragungsübergänge und DD-Übergänge.

Farben von Übergangsmetallverbindungen: Von links nach rechts wässrige Lösungen von: Co(NO3)2 (rot); K2Cr2O7 (orange); K2CrO4 (gelb); NiCl2 (türkis); CuSO4 (blau); KMnO4 (lila).

Ladungstransferübergänge

Ein Elektron kann von einem überwiegend Ligandenorbital zu einem überwiegend Metallorbital springen, was zu einem Ligand-zu-Metall-Ladungstransfer (LMCT) -Übergang führt. Diese können am leichtesten auftreten, wenn sich das Metall in einer hohen Oxidationsstufe befindet. Beispielsweise ist die Farbe von Chromat-, Dichromat- und Permanganationen auf LMCT-Übergänge zurückzuführen. Die Metalle (Cr und Mn) weisen jeweils Oxidationsstufen von +6 oder höher auf.Ein Metall-zu-Ligand-Ladungstransfer (MLCT) -Übergang ist am wahrscheinlichsten, wenn sich das Metall in einer niedrigen Oxidationsstufe befindet und der Ligand leicht reduziert werden kann.

d-d-Übergänge

Bei einem d-d-Übergang springt ein Elektron von einem d-Orbital zum anderen. In Komplexen der Übergangsmetalle haben die d-Orbitale nicht alle die gleiche Energie. Das Muster der Spaltung der d-Orbitale kann unter Verwendung der Kristallfeldtheorie berechnet werden. Das Ausmaß der Spaltung hängt vom jeweiligen Metall, seiner Oxidationsstufe und der Art der Liganden ab.

In zentrosymmetrischen Komplexen wie oktaedrischen Komplexen sind d-d-Übergänge verboten. Tetraedrische Komplexe haben eine etwas intensivere Farbe, da das Mischen von d- und p-Orbitalen möglich ist, wenn kein Symmetriezentrum vorhanden ist.

Einige d-d-Übergänge sind Spin-verboten. Ein Beispiel tritt in oktaedrischen Hochspinkomplexen von Mangan (II) auf, in denen alle fünf Elektronen parallele Spins haben. Die Farbe solcher Komplexe ist viel schwächer als in Komplexen mit Spin-Spin-Übergängen. Tatsächlich erscheinen viele Verbindungen von Mangan (II) fast farblos.

Übergangsmetallverbindungen sind paramagnetisch, wenn sie ein oder mehrere ungepaarte d-Elektronen aufweisen. In oktaedrischen Komplexen mit vier bis sieben d-Elektronen sind sowohl High-Spin- als auch Low-Spin-Zustände möglich. Tetraedrische Übergangsmetallkomplexe, wie 2−, sind Hochspin, weil die Kristallfeldspaltung klein ist. Dies bedeutet, dass die Energie, die durch die Elektronen in niedrigeren Energieorbitalen gewonnen werden muss, immer geringer ist als die Energie, die benötigt wird, um die Spins zu paaren.

Paramagnetisch vs. Diamagnetisch

Einige Verbindungen sind diamagnetisch. In diesem Fall sind alle Elektronen gepaart. Ferromagnetismus tritt auf, wenn einzelne Atome paramagnetisch sind und die Spinvektoren in einem kristallinen Material parallel zueinander ausgerichtet sind. Metallisches Eisen ist ein Beispiel für ein ferromagnetisches Material, an dem ein Übergangsmetall beteiligt ist. Antiferromagnetismus ist ein weiteres Beispiel für eine magnetische Eigenschaft, die sich aus einer bestimmten Ausrichtung einzelner Spins im festen Zustand ergibt.

Ferromagnetismus: Ein Magnet aus Alnico, einer Eisenlegierung. Ferromagnetismus ist die physikalische Theorie, die erklärt, wie Materialien zu Magneten werden.

Wie der Name schon sagt, sind alle Übergangsmetalle Metalle und elektrische Leiter. Im Allgemeinen besitzen Übergangsmetalle eine hohe Dichte und hohe Schmelz- und Siedepunkte. Diese Eigenschaften sind auf die metallische Bindung durch delokalisierte d-Elektronen zurückzuführen, was zu einer Kohäsion führt, die mit der Anzahl der gemeinsamen Elektronen zunimmt. Die Metalle der Gruppe 12 haben jedoch viel niedrigere Schmelz– und Siedepunkte, da ihre vollen d-Teilschalen eine D-d-Bindung verhindern. Tatsächlich hat Quecksilber einen Schmelzpunkt von -38,83 ° C (-37,89 ° F) und ist bei Raumtemperatur flüssig.

Übergangsmetalle und Atomgröße

In Bezug auf die Atomgröße von Übergangsmetallen gibt es kaum Unterschiede. Typischerweise, wenn Sie sich von links nach rechts über das Periodensystem bewegen, Es gibt einen Trend zum Abnehmen des Atomradius. In den Übergangsmetallen, die sich von links nach rechts bewegen, gibt es jedoch einen Trend zu zunehmendem Atomradius, der sich einebnet und konstant wird. In den Übergangselementen nimmt die Anzahl der Elektronen jedoch in besonderer Weise zu. Die Anzahl der Elektronen nimmt über einen Zeitraum zu, daher ziehen diese Elektronen mehr in Richtung Kern. Bei den d−Elektronen kommt es jedoch zu einer zusätzlichen Elektronen-Elektronen-Abstoßung. Zum Beispiel gibt es in Chrom eine Förderung eines der 4s-Elektronen, um die 3D-Unterebene zur Hälfte zu füllen; Die Elektronen-Elektronen-Abstoßungen sind geringer und die Atomgröße ist kleiner. Das Gegenteil gilt für den letzten Teil der Zeile.

Periodensystem der Elemente: Dieses Bild repräsentiert die Größe der Atomradien. Beachten Sie die Größe der Übergangsmetalle.