شارح الدرس: الفلزات الانتقالية الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف مركبات وتفاعلية الفلزات الانتقالية، وتدرُّج خواصها الكيميائية والفيزيائية.

معظم العناصر في الجدول الدوري تُصنَّف فلزات. ولا يوجد سوى القليل من العناصر التي تُصنَّف أشباه فلزات ولا فلزات.

تُوضَع العناصر في مجموعات أو عائلات محدَّدة في الجدول الدوري؛ لأنها تتفاعل بطريقة متشابهة. على سبيل المثال، الفلزات الموجودة في المجموعة 1 لها خواص كيميائية متشابهة وتُجمَع معًا وتُسمَّى الفلزات القلوية. والفلزات الموجودة في المجموعة 2 يكون سلوكها مشابهًا بعضه لبعض، ونُطلِق عليها مجتمعةً الفلزات القلوية الترابية. أما الفلزات في المجموعات من 3 إلى 12 فتُسمَّى مجتمعةً عناصر الفئة d، وهي المحدَّدة باللون الأحمر في الجدول الدوري الآتي.

تُستخدَم مصطلحات التسمية القديمة IIIB وIVB وVB وVIB وVIIB وVIIIB وIB وIIB للأعمدة الرأسية في الجدول الدوري لعناصر الفئة d، كما هو موضَّح في جزء من الجدول الدوري الآتي. ويغطي VIIIB ثلاث مجموعات (8، 9، 10).

وأحيانًا يُشار إلى عناصر الفئة d على أنها فلزات انتقالية. ومع ذلك، ليست كل عناصر الفئة d فلزات انتقالية وفقًا للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (الأيوباك). وفقًا لتعريف الأيوباك، فإن الفلز الانتقالي عبارة عن عنصرٍ، الغلافُ الفرعي (d) لذراته غير مكتمل بالإلكترونات، أو الذي يمكن أن تَنتج عنه كاتيونات غلافُها الفرعي d غير مكتمل بالإلكترونات.

والعناصر الموجودة في المجموعة 12، وهي الزنك () والكادميوم () والزئبق () والكوبرنيسيوم ()، أغلفتها الفرعية d مكتملة بالإلكترونات، ولا تعد فلزات انتقالية بوجهٍ عام.

يوضِّح الجدول الدوري السابق العناصر التي تعد عناصر انتقالية باللون البرتقالي وفقًا لتعريف الأيوباك. والعناصر التي في سلسلة اللانثانيدات والأكتينيدات؛ أي عناصر الفئة f، هي أيضًا عناصر انتقالية، وتُعرَف باسم الفلزات الانتقالية الداخلية.

مثال ١: تحديد أيُّ عنصر ليس عنصرًا انتقاليًّا

أيُّ الاختيارات الآتية ليس من الفلزات الانتقالية؟

1. الكوبالت
2. الروديوم
3. الزركونيوم
4. البوتاسيوم
5. الذهب

الحل

الفلز الانتقالي هو أي عنصرٍ غلافُه الفرعي d غير مكتمل بالإلكترونات، أو الذي يمكن أن تَنتج عنه كاتيونات غلافُها الفرعي d غير مكتمل بالإلكترونات. هذه العناصر موضَّحة باللون البرتقالي في الجدول الآتي.

ومن بين خيارات الإجابة الممكنة، نجد أن البوتاسيوم فقط لا يحتوي على إلكترونات في الغلاف الفرعي d. ويقع البوتاسيوم ضمن عناصر الفئة s؛ ومن ثَمَّ فإن إلكترونات التكافؤ تقع في الغلاف الفرعي s. إذن الإجابة الصحيحة هي د: البوتاسيوم.

وتُعرَف العناصر الموجودة في الدورة الرابعة للفئة d بالسلسلة الانتقالية الأولى. وتُعرَف العناصر الموجودة في الدورة الخامسة بالسلسلة الانتقالية الثانية، وكذلك تُعرَف العناصر في الدورة السادسة بالسلسلة الانتقالية الثالثة.

هيا نكتشف بعض الخواص الفيزيائية للفلزات الانتقالية.

كما هو الحال مع جميع الفلزات، تكون الفلزات الانتقالية قابلة للطرق، ويمكن طرقها وتشكيلها في صورة صفيحة مسطحة. كما أنها قابلة للسحب، ويمكن سحبها في صورة أسلاك رقيقة. والفلزات الانتقالية تحتوي على العناصر الأكثر قابلية للطرق والسحب، وهي: الذهب والفضة والبلاتين.

وثمة خاصية فيزيائية أخرى للفلزات الانتقالية تختلف بها اختلافًا ملحوظًا عن الفلزات الأخرى، وهي درجة الانصهار. يوضِّح التمثيل البياني الآتي درجات انصهار بعض فلزات الفئة s والفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة، وكذلك درجة انصهار التنجستن.

يوضِّح التمثيل البياني أن درجات انصهار الفلزات الانتقالية تكون بوجهٍ عام أكبر من درجات انصهار فلزات الفئة s. والتنجستن، الذي يقع في الدورة السادسة، هو أيضًا فلز انتقالي. فله أعلى درجة انصهار بين جميع الفلزات النقية، .

مثال ٢: فهم نمط درجات الانصهار للفلزات الانتقالية مقارنةً بعناصر المجموعة الرئيسية

يوضِّح الرسم البياني درجات انصهار أول 56 عنصرًا في الجدول الدوري والمجموعات التي توجد فيها هذه العناصر.

توجد الفلزات الانتقالية بين المجموعة 3 والمجموعة 11. أيُّ العبارات الآتية توضِّح بدقة الفرق بين درجات الانصهار الموضَّحة في الرسم البياني؟

1. للفلزات الانتقالية وعناصر المجموعة الرئيسية مدًى متشابه من درجات الانصهار.
2. للفلزات الانتقالية درجات انصهار أقل من معظم عناصر المجموعة الرئيسية.
3. للفلزات الانتقالية درجات انصهار أقل من كل عناصر المجموعة الرئيسية.
4. للفلزات الانتقالية درجات انصهار أعلى من معظم عناصر المجموعة الرئيسية.
5. للفلزات الانتقالية درجات انصهار أعلى من كل عناصر المجموعة الرئيسية.

الحل

يوضِّح التمثيل البياني أن العناصر الموجودة في المجموعات من 3 إلى 11 لها درجات انصهار أعلى بوجهٍ عام من العناصر الموجودة في المجموعات الأخرى. توجد فقط بضع نقاط حمراء (درجات انصهار) تقع أعلى من تلك الموجودة بين المجموعات من 3 إلى 11. وهذا يخبرنا أن بعض عناصر المجموعة الرئيسية تكون درجات انصهارها أعلى من الفلزات الانتقالية، لكن هذا ليس هو النمط العام. أما العبارة الأكثر دقة هي العبارة د: للفلزات الانتقالية درجات انصهار أعلى من معظم عناصر المجموعة الرئيسية.

الفلزات، بصفةٍ عامة، موصِّل جيد للحرارة والكهرباء. والعناصر الانتقالية في المجموعة 11، وبالتحديد النحاس والفضة والذهب، موصِّل جيد للكهرباء. والنحاس هو الفلز الأرخص والأكثر وفرة بين هذه الفلزات؛ ومن ثَمَّ يُستخدَم عادةً في الأسلاك الكهربية. بعض الأجهزة الخاصة تَستخدم الذهب لتوصيل الكهرباء بدلًا من النحاس، ومن بين الفلزات الثلاثة يُعَد الفضة هو الأعلى قدرة على التوصيل الكهربي.

الصلادة والقوة من الخواص الفيزيائية المهمة في إنتاج المكوِّنات المعدنية. العديد من الفلزات الانتقالية صلد نسبيًّا مقارنةً بفلزات الفئة s، التي يكون بعضها لينًا بما يكفي ليُقطع بسكين. معظم الفلزات الانتقالية قوي أيضًا. على سبيل المثال، التيتانيوم قوي جدًّا. إذن الفلزات الانتقالية مفيدة للغاية في التطبيقات التي تتطلَّب القوة أو الصلادة.

تُعَد الكثافة العالية من الخواص المشتركة بين العديد من الفلزات الانتقالية. يوضِّح التمثيل البياني الآتي الكثافة النسبية لبعض الفلزات الانتقالية عند درجة حرارة الغرفة مقارنةً بالعديد من فلزات الفئة s.

عادةً ما تكون كثافة الفلزات الانتقالية بوجهٍ عام أعلى بكثير من كثافة فلزات الفئة s. والفلزان الأكثر كثافة على الإطلاق من بين جميع الفلزات هما الأوزميوم والإريديوم؛ فكلاهما فلز انتقالي ذو كثافة عالية تقترب من 23 g/cm³.

تُظهِر الفلزات الانتقالية بعض الاختلافات الواضحة عن الفلزات الأخرى من حيث الخواص الكيميائية. وثمة فرق ملحوظ، وهو أن معظم الفلزات الانتقالية قادر على تكوين أكثر من حالة تأكسد مستقرة، في حين أن معظم عناصر المجموعة الرئيسية يميل إلى أن تكون لها حالة أكسدة مستقرة واحدة فقط، إلى جانب حالة تأكسد تساوي صفرًا، تظهر في جميع العناصر في صورتها النقية. على سبيل المثال، للمنجنيز مجموعة متنوعة من حالات التأكسد الممكنة التي تسمح للمنجنيز بتكوين مركبات مختلفة.

يمكن انتقال أيونات الفلز الانتقالي بين حالات التأكسد المختلفة عن طريق أكسدتها أو اختزالها. توضِّح المعادلة الآتية كيف يمكن أكسدة الحديد من إلى ، وسيؤدِّي الاختزال إلى تحويل أيون إلى أيون مرةً أخرى.

عادةً، عندما يكون للفلز الانتقالي حالة تأكسد منخفضة، فإنه يوجد في صورة أيون منفرد، على سبيل المثال، يوجد الحديدوز أو أيون الحديد (II) في الصورة ، والحديديك أو أيون الحديد (III) في الصورة . أما عندما يكون للفلز الانتقالي حالة تأكسد عالية، فيكون عادةً مرتبطًا بعنصر آخر مثل الأكسجين في الأكاسيد أو في الأنيونات المتعدِّدة الذرات. يوجد مثالان على حدوث ذلك مع عنصر الكروم، الذي يمكن أن يكوِّن رابطة مع الأكسجين عندما تكون له حالة التأكسد ، وهو ما ينتج عنه تكوين الكرومات وأيونات ثنائي الكروم. وهذا موضَّح في الجدول الآتي.

يمكن أن تؤثِّر حالة التأكسد لأيون في لون مركبات الفلز الانتقالي، التي لها مجموعة متنوعة من الألوان في حالاتها الصلبة ومحاليلها المائية. ويوضِّح الجدول الآتي ألوان بعض محاليل الأيونات الشائعة في السلسلة الانتقالية الأولى.

عندما تكون الفلزات في صورتها النقية، تكون الفلزات الانتقالية في الواقع غير تفاعلية نسبيًّا. على سبيل المثال، سيتفاعل الحديد النقي مع الماء، والأكسجين في الهواء، ويصدأ، لكن هذه العملية بطيئة مقارنةً بتفاعل بعض العناصر الأخرى مع الماء أو الأكسجين. يوجد العديد من الفلزات الأخرى، مثل فلزات المجموعة 1؛ التي تكون أكثر تفاعلية. في المجموعة 1، يفور الليثيوم في الماء، في حين أن البوتاسيوم يتفاعل بقوة أكبر مُطلِقًا مزيدًا من الطاقة الحرارية.

معظم الفلزات الانتقالية، عند تسخينها، تتفاعل مع الأكسجين في الهواء لتكوين أكاسيد. على سبيل المثال، يتفاعل التيتانيوم مع الأكسجين في درجة حرارة عالية وفقًا للمعادلة الآتية:

وينتج أكسيد التيتانيوم الأبيض (IV)، الذي يُعرَف أيضًا باسم ثاني أكسيد التيتانيوم.

تُسمَّى الفضة والذهب والبلاتين والبلاديوم والراديوم والروثينيوم والأوزميوم والإريديوم بالفلزات النبيلة؛ لأنها غير تفاعلية ومستقرة في الظروف العادية، وتفقد الفضة بريقها (تتحوَّل إلى اللون الأسود) ببطء بمرور الزمن عندما تتعرَّض للأكسجين. والفلزات النبيلة لا تتأكسد بسهولة؛ ومن ثَمَّ لا تتآكل، ولا تتفاعل مع معظم الأحماض. يوضِّح الشكل الآتي الفلزات النبيلة.

تتفاعل الفلزات الانتقالية الأخرى مع الأحماض بالفعل، ولكن ببطء مقارنةً بالعديد من الفلزات الأخرى. والعديد من السلاسل الأولى للفلزات الانتقالية تتفاعل مع الأحماض وفقًا لهذه المعادلة العامة:

على سبيل المثال، يتفاعل الكروم مع حمض الهيدروكلوريك لإنتاج كلٍّ من كلوريد الكروم الثنائي وغاز الهيدروجين:

تؤثِّر الخواص الفيزيائية والكيميائية للفلزات الانتقالية مباشرةً على فائدتها. للفلزات الانتقالية أهمية كبيرة من الناحية الاجتماعية والاقتصادية بسبب استخداماتها المتعدِّدة.

يُستخدم التيتانيوم عادةً في السبائك؛ نظرًا لمتانته، وكذلك في زراعة الأسنان. ويُستخدم مركب ثاني أكسيد التيتانيوم () في مستحضرات الوقاية من الشمس، كما هو موضَّح آتيًا؛ إذ يساعد على حماية الجلد من التأثيرات الضارة لضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV).

ويُستخدَم مركب خامس أكسيد الفاناديوم () عاملًا حفَّازًا مهمًّا للغاية في عملية التماس لإنتاج حمض الكبريتيك (). يوضِّح الشكل الآتي بلورات دقيقة لخامس أكسيد الفاناديوم.

يُستخدَم الكروم عادةً في طلاء المعادن؛ على سبيل المثال، على أجزاء محرِّك الدراجة النارية، كما هو موضَّح في الآتي، أو في رفرف السيارة. ويُستخدَم أيضًا لدباغة الجلود.

يُعَد الحديد المكوِّن الرئيسي لسبائك الصلب المستخدَمة على نطاق واسع في الهندسة. ولكن يمكن أيضًا استخدام الحديد عاملًا حفَّازًا، لا سيما في عملية هابر-بوش لصنع غاز الأمونيا (). وتوضِّح الصور الآتية استخدام الحديد جزءًا من عارضة فولاذية، وفي إنتاج الأمونيا.

يُستخدَم النحاس بالأساس في الأسلاك الكهربية، كما هو موضَّح في الآتي، لكنه أيضًا المركب الأساسي لسبائك البرونز.