Elemento químico de metal de transición

Metal de transición, cualquiera de los diversos elementos químicos que tienen electrones de valencia, es decir, electrones que pueden participar en la formación de enlaces químicos, en dos capas en lugar de solo una. Si bien el término transición no tiene un significado químico particular, es un nombre conveniente para distinguir la similitud de las estructuras atómicas y las propiedades resultantes de los elementos así designados. Ocupan las porciones intermedias de los largos períodos de la tabla periódica de elementos entre los grupos del lado izquierdo y los grupos del derecho. Específicamente, forman los Grupos 3 (IIIb) a 12 (IIb).

Propiedades generales del grupo.

Las similitudes más sorprendentes compartidas por los 24 elementos en cuestión son que son todos metales y que la mayoría de ellos son duros, fuertes y brillantes, tienen altos puntos de fusión y ebullición, y son buenos conductores de calor y electricidad. El rango de estas propiedades es considerable; por lo tanto, las declaraciones son comparativas con las propiedades generales de todos los demás elementos.

Muchos de los elementos son tecnológicamente importantes: el titanio, el hierro, el níquel y el cobre, por ejemplo, se utilizan estructuralmente y en tecnología eléctrica. En segundo lugar, los metales de transición forman muchas aleaciones útiles, entre sí y con otros elementos metálicos. Tercero, la mayoría de estos elementos se disuelven en ácidos minerales, aunque algunos, como el platino, la plata y el oro, se denominan "nobles", es decir, no se ven afectados por los ácidos simples (no oxidantes).

Sin excepción, los elementos de la serie de transición principal (es decir, excluyendo los lanthanoides y actinoides como se especifica a continuación) forman compuestos estables en dos o más estados de oxidación formales.

Los metales de transición pueden subdividirse de acuerdo con las estructuras electrónicas de sus átomos en tres series de transición principales, llamadas primera, segunda y tercera serie de transición, y dos series de transición internas, llamadas los lantánidos y los actinoides.

La primera serie de transición principal comienza con escandio (símbolo Sc, número atómico 21) o titanio (símbolo Ti, número atómico 22) y termina con zinc (símbolo Zn, número atómico 30). La segunda serie incluye los elementos itrio (símbolo Y, número atómico 39) a cadmio (símbolo Cd, número atómico 48). La tercera serie se extiende desde lantano (símbolo La, número atómico 57) hasta mercurio (símbolo Hg, número atómico 80). Estas tres series principales de transición se incluyen en el conjunto de 30 elementos que a menudo se denominan metales de transición de bloque d. Debido a que el escandio, el itrio y el lantano en realidad no forman compuestos análogos a los de los otros metales de transición y debido a que su química es bastante homóloga a la de los lantánidos, están excluidos de la discusión actual de los principales metales de transición. De manera similar, debido a que el zinc, el cadmio y el mercurio exhiben pocas de las propiedades características de los otros metales de transición, se tratan por separado (ver elemento del grupo zinc). Los metales de transición del bloque d restantes y algunas de sus propiedades características se enumeran en la tabla.

Algunas propiedades de los elementos de transición.

símbolo	número atómico	masa atomica	densidad (gramos por centímetro cúbico, 20 ° C)	punto de fusión (° C)	punto de ebullición (° C)
1ra serie principal	titanio	Ti	22	47,867	4.54	1,668	3,287
	vanadio	V	23	50,942	6.11	1,910	3,407
	cromo	Cr	24	51,996	7.14	1,907	2,672
	manganeso	Minnesota	25	54,938	7.21–7.44	1,246	2,061
	hierro	Fe	26	55,845	7.87	1,538	2,861
	cobalto	Co	27	58,933	8,9	1,495	2.927
	níquel	Ni	28	58,693	8,9	1,455	2.913
	cobre	Cu	29	63,546	8,92	1,085	2.927
2da serie principal	circonio	Zr	40	91,224	6.51	1,855	4,409
	niobio	Nótese bien	41	92.906	8.57	2,477	4.744
	molibdeno	Mes	42	95,94	10,22	2,623	4,639
	tecnecio	Tc	43	98	11,5	2,157	4.265
	rutenio	Ru	44	101,07	12,41	2,334	4,150
	rodio	rh.	45	102,906	12,41	1,964	3,695
	paladio	Pd	46	106,42	12.02	1,555	2.963
	plata	Ag	47	107,868	10,49	962	2,162
3ra serie principal	hafnio	Hf	72	178,49	13,31	2,233	4,603
	tantalio	Ejército de reserva	73	180,948	16,65	3,017	5,458
	tungsteno	W	74	183,84	19,3	3,422	5,555
	renio	Re	75	186.207	21,02	3,186	5,596
	osmio	Os	76	190,23	22,57	3,033	5,012
	iridio	Ir	77	192.217	22,56	2,446	4,428
	platino	Pt	78	195,084	21,45	1,768	3.825
	oro	Au	79	196,967	~ 19,3	1,064	2,856

La primera de la serie de transición interna incluye los elementos de cerio (símbolo Ce, número atómico 58) a lutecio (símbolo Lu, número atómico 71). Estos elementos se llaman lantánidos (o lantánidos) porque la química de cada uno se parece mucho a la del lantano. El lantano en sí es a menudo considerado como uno de los lantánidos. La serie de actinoides consta de 15 elementos desde actinio (símbolo Ac, número atómico 89) hasta lawrencio (símbolo Lr, número atómico 103). Estas series de transición interna están cubiertas por elementos de tierras raras y elementos actinoides. Para los elementos 104 y superiores, ver elemento transuranio.

Las ubicaciones relativas de los metales de transición en la tabla periódica y sus propiedades químicas y físicas se pueden comprender mejor considerando sus estructuras electrónicas y la forma en que esas estructuras varían a medida que aumentan los números atómicos.

Orbitales atómicos del átomo de hidrógeno.

Como se señaló anteriormente, los electrones asociados con un núcleo atómico se localizan o concentran en varias regiones específicas del espacio llamadas orbitales atómicos, cada uno de los cuales se caracteriza por un conjunto de símbolos (números cuánticos) que especifican el volumen, la forma y orientación en el espacio en relación con otros orbitales. Un orbital puede acomodar no más de dos electrones. La energía involucrada en la interacción de un electrón con el núcleo está determinada por el orbital que ocupa, y los electrones en un átomo se distribuyen entre los orbitales de tal manera que la energía total es mínima. Por lo tanto, por estructura electrónica, o configuración, de un átomo se entiende la forma en que los electrones que rodean el núcleo ocupan los diversos orbitales atómicos disponibles para ellos. La configuración más simple es el conjunto de orbitales de un electrón del átomo de hidrógeno. Los orbitales se pueden clasificar, primero, por número cuántico principal, y los orbitales tienen una energía creciente a medida que el número cuántico principal aumenta de 1 a 2, 3, 4, etc. (Los conjuntos de orbitales definidos por los números cuánticos principales 1, 2, 3, 4, etc., a menudo se denominan conchas designadas K, L, M, N, etc.) Para el número cuántico principal 1 no hay sino un solo tipo de orbital, llamado s orbital. A medida que aumenta el número cuántico principal, hay un número creciente de diferentes tipos de orbitales, o subcapas, correspondientes a cada uno: s, p, d, f, g, etc. Además, los tipos de orbitales adicionales vienen en conjuntos más grandes. Por lo tanto, solo hay un orbital s para cada número cuántico principal, pero hay tres orbitales en el conjunto designado p, cinco en cada conjunto designado d, y así sucesivamente. Para el átomo de hidrógeno, la energía está completamente determinada por el orbital que ocupa el electrón individual. Es especialmente notable que la energía del átomo de hidrógeno está determinada únicamente por el número cuántico principal del orbital ocupado por el electrón (a excepción de algunos pequeños efectos que no son preocupantes aquí); es decir, en el hidrógeno, las configuraciones electrónicas de la tercera capa, por ejemplo, son equi-energéticas (de la misma energía, la que ocupe el electrón), que no es el caso con ninguno de los otros átomos, todos los cuales contienen dos o más electrones

Orbitales atómicos de átomos de electrones múltiples

Para comprender las configuraciones electrónicas de otros átomos, es habitual emplear el principio Aufbau (alemán: "construcción"), cuya base es que, para lograr una configuración de múltiples electrones, se debe agregar la cantidad requerida de electrones a los orbitales uno a la vez, llenando los orbitales más estables primero, hasta que se haya agregado el número total. Por lo tanto, al "construir" la tabla periódica, uno progresa de un elemento al siguiente agregando un protón al núcleo y un electrón a la región atómica fuera del núcleo. Hay una restricción sobre esta conceptualización, a saber, el principio de exclusión de Pauli, que establece que solo dos electrones pueden ocupar cada orbital. Por lo tanto, no puede haber más de dos electrones en cualquier orbital s, seis electrones en cualquier conjunto de orbitales p, diez electrones en cualquier conjunto de orbitales d, etc. Sin embargo, al llevar a cabo este proceso, uno no puede simplemente usar la ordenación de electrones orbitales que son apropiados para el átomo de hidrógeno. A medida que se agregan electrones, interactúan entre sí y con el núcleo, y como resultado, la presencia de electrones en algún orbital hace que la energía de un electrón que ingresa a otro orbital sea diferente de lo que sería si este electrón estuviera presente solo.. El resultado general de estas interacciones interelectrónicas (a veces denominadas blindaje) es que el orden relativo de los diversos orbitales atómicos es diferente en muchos átomos de electrones que en el átomo de hidrógeno; de hecho, cambia continuamente a medida que aumenta el número de electrones.

A medida que se forman átomos multielectrónicos, las diversas subcapas s, p, d, f, g, etc. de un número cuántico principal dejan de ser equi-energéticas; todos caen, aunque no en cantidades iguales, a energías más bajas. La disminución general de la energía ocurre porque el blindaje de la carga nuclear que un electrón en un orbital particular es administrado por todos los demás electrones en el átomo no es suficiente para evitar un aumento constante en el efecto que la carga en el núcleo tiene en ese electrón a medida que aumenta el número atómico. En otras palabras, cada electrón está imperfectamente protegido de la carga nuclear por los otros electrones. Además, los diferentes tipos de orbitales en cada capa principal, debido a sus diferentes distribuciones espaciales, están protegidos en diferentes grados por el núcleo de electrones debajo de ellos; en consecuencia, aunque todos disminuyen en energía, disminuyen en diferentes cantidades y, por lo tanto, su orden relativo en energía cambia continuamente. Para especificar la configuración electrónica de un átomo en particular, es necesario usar el orden de los orbitales apropiados para el valor específico del número atómico de ese átomo. El comportamiento de los diversos orbitales d y f debe observarse especialmente con respecto a dónde se producen los metales de transición en la tabla periódica.

El átomo de argón (número atómico 18) tiene una configuración electrónica 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ (es decir, tiene dos electrones en el orbital s de la primera capa; dos en el sy seis en los orbitales p del segundo caparazón; dos en los orbitales sy seis en los p del tercer caparazón: esta expresión a menudo se abrevia [Ar] especialmente al especificar las configuraciones de elementos entre argón y criptón, porque representa una parte común de las configuraciones de todos estos elementos). Los orbitales 3d están más protegidos de la carga nuclear que el orbital 4s, y, en consecuencia, este último tiene menor energía. Los siguientes electrones que se agregarán ingresan al orbital 4s con preferencia a los orbitales 3d o 4p. Los dos elementos que siguen al argón en la tabla periódica son potasio, con un solo electrón de 4s, y calcio, con dos electrones de 4s. Debido a la presencia de los electrones 4s, los orbitales 3d están menos protegidos que los orbitales 4p; por lo tanto, la primera serie de transición regular comienza en este punto con el elemento escandio, que tiene la configuración electrónica [Ar] 4s ² 3d ¹. A través de los siguientes nueve elementos, en orden creciente de número atómico, se agregan electrones a los orbitales 3d hasta que, en el elemento zinc, se llenan por completo y la configuración electrónica es [Ar] 3d ¹⁰ 4s ². Los orbitales 4p son entonces los de menor energía, y se llenan a través de los siguientes seis elementos, el sexto de los cuales es el siguiente gas noble, criptón, con la configuración electrónica 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶, o [Kr].

Durante el próximo período, el patrón de variación de las energías orbitales es similar al que precede inmediatamente. Cuando se ha logrado la configuración del gas noble, el criptón, el orbital 5s es más estable que los orbitales 4d. Por lo tanto, los siguientes dos electrones ingresan al orbital 5s, pero luego los orbitales 4d caen a una energía más baja que los orbitales 5p, y la segunda serie de transición regular comienza con el elemento itrio. Se siguen agregando electrones a los orbitales 4d hasta que esos orbitales se llenen por completo en la posición del elemento cadmio, que tiene una configuración electrónica [Kr] 4d ¹⁰ 5s ². Los siguientes seis electrones entran en los orbitales 5p hasta que se alcanza otra configuración de gas noble en el elemento xenón. Análogamente a los dos períodos anteriores, los siguientes dos electrones se agregan al siguiente orbital disponible, a saber, el orbital 6s, que produce los dos elementos siguientes, cesio y bario. En este punto, sin embargo, el orden de los orbitales se vuelve más complejo de lo que había sido anteriormente, porque ahora hay orbitales 4f sin llenar, así como orbitales 5d, y los dos conjuntos tienen aproximadamente la misma energía. En el siguiente elemento, lantano (número atómico 57), se agrega un electrón a los orbitales 5d, pero el elemento inmediatamente siguiente, cerio (número atómico 58), tiene dos electrones en los orbitales 4f y ninguno en los orbitales 5d. A través de los siguientes 12 elementos, los electrones adicionales ingresan a los orbitales 4f, aunque los orbitales 5d son de energía ligeramente más alta. Este conjunto de elementos, que abarca el rango desde el lantano, donde los orbitales 4f todavía estaban vacíos o a punto de llenarse, a través del lutecio, en el que los orbitales 4f están completamente llenos de 14 electrones, constituye los lantánidos, mencionados anteriormente.

En este punto, los siguientes orbitales disponibles son los orbitales 5d, y los elementos hafnio a través del oro, la tercera serie de transición regular, corresponden al llenado sucesivo de estos orbitales 5d. Después de esta serie, nuevamente hay p orbitales (6p) para ser llenados, y cuando esto se logra, se alcanza el gas radón noble.