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.

تعريف: الفلز الانتقالي

الفلز الانتقالي عبارة عن عنصرٍ لذراته غلافٌ فرعيٌّ d غير مكتمل بالإلكترونات، أو الذي يمكن أن تَنتج عنه كاتيونات غلافُها الفرعي d غير مكتمل بالإلكترونات.

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

يوضِّح الجدول الدوري السابق العناصر التي تعتبر 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، 3422C.

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.

الصلابة والقوة من الخواص الفيزيائية المهمة في إنتاج المكوِّنات المعدنية. العديد من الفلزات الانتقالية صلب 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 الصلابة.

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 فلزان انتقاليان ذوا 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.

حالة تأكسد المنجنيزمثال على المركبات أو الأيونات المرتبطة بعدد التأكسد
+2Mn2+، المنجنيز (II)
+3Mn3+، المنجنيز (III)
+4MnO2، أكسيد المنجنيز (IV)
+5MnO43، المنجنيز (V)
+6MnO42، المنجنيز (VI)
+7MnO4، البرمنجنات

يمكن انتقال أيونات الفلز الانتقالي بين حالات التأكسد المختلفة عن طريق أكسدتها أو اختزالها. توضِّح المعادلة الآتية كيف يمكن أكسدة الحديد من +2 إلى +3، وسيؤدِّي الاختزال إلى تحويل أيون Fe3+ إلى أيون Fe2+ مرةً أخرى. FeFe+e2+3+أةاال

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 Fe2+، والحديديك أو أيون الحديد (III) في الصورة Fe3+. 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 +6، وهو ما ينتج عنه تكوين الكرومات وأيونات ثنائي الكروم. وهذا موضَّح في الجدول الآتي.

اسم الأيونالصيغة الأيونيةحالة التأكسدتعليق
أيون الحديد (II) Fe2+منخفضة+2كاتيون فلز منفرد
أيون الحديد (III)Fe3++3
أيون الكروماتCrO42مرتفعة+6يرتبط أيون الفلز بأي عنصر آخر
أيون ثنائي الكروماتCrO272+6

مثال ٣: فهم أن العناصر الانتقالية لها عدة حالات تأكسد مستقرة

أيٌّ من العبارات الآتية يوضِّح سبب وجود هيدروكسيد الحديد في الصورتين Fe(OH)3، Fe(OH)2؟

  1. للفلزات الانتقالية درجات انصهار عالية.
  2. تُكوِّن الفلزات الانتقالية مركبات ملوَّنة.
  3. الفلزات الانتقالية مغناطيسية.
  4. تُكوِّن الفلزات الانتقالية ومركباتها عوامل حفَّازة جيدة.
  5. يمكن أن يكون للفلزات الانتقالية أكثر من أيون واحد.

الحل

يمكن أن توجد الفلزات الانتقالية في أكثر من حالة تأكسد مستقرة؛ بعبارة أخرى، يمكن أن تُكوِّن أيونات مختلفة. ويميل معظم عناصر المجموعة الرئيسية إلى تكوين أيون واحد أو أيون بقيمة شحنة واحدة فقط. في حالة Fe(OH)3 يكون للحديد حالة التأكسد +3، أو يكون في صورة Fe3+، أما في حالة Fe(OH)2 فيكون للحديد حالة التأكسد +2، أو يكون في صورة Fe2+. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ): يمكن أن يكون للفلزات الانتقالية أكثر من أيون واحد.

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.

مثال ٤: المقارنة بين خواص الفلزات القلوية والفلزات الانتقالية

الفلزات الانتقالية والفلزات القلوية بينهما بعض الخواص المشتركة، لكنهما مختلفتان من نواحٍ مُتعدِّدة. أيُّ العبارات الآتية خطأ؟

  1. الفلزات الانتقالية تُنتِج مُركَّبات أقل تلوُّنًا من الفلزات القلوية.
  2. للفلزات القلوية درجات انصهار وغليان أقل من الفلزات الانتقالية.
  3. لا تُستخدَم الفلزات القلوية عواملَ حفَّازة على نطاق واسع، على عكس الفلزات الانتقالية.
  4. الفلزات الانتقالية أكثر صلابة وقوة من الفلزات القلوية.
  5. عدد حالات التأكسد المستقرة في الفلزات الانتقالية أكبر منه في الفلزات القلوية.

الحل

جميع العناصر الفلزية في المجموعة 1 والعناصر الانتقالية تنتمي إلى الفلزات؛ ولذا، فهي تشترك في العديد من الخواص النموذجية للفلزات. ومع ذلك، فإن هاتين العائلتين من الفلزات بينهما بعض الاختلافات.

المطلوب منا هو تحديد أي عبارة خطأ عن خواص الفلزات.

الفلزات الانتقالية، بوجهٍ عام، تميل إلى الذوبان والغليان عند درجات حرارة أعلى بكثير من الفلزات القلوية. إذن العبارة (ب) صحيحة.

الفلزات الانتقالية تصنع عوامل حفَّازة جيدة، على عكس الفلزات القلوية. إذن العبارة (ج) صحيحة.

الفلزات القلوية أكثر ليونة وليست بقوة الفلزات الانتقالية. إذن العبارة (د) صحيحة.

تميل الفلزات القلوية إلى تكوين حالة تأكسد +1 فقط، في حين أن الفلزات الانتقالية يمكن أن تُكوِّن عدة حالات تأكسد مستقرة. إذن العبارة (هـ) صحيحة.

العديد من مركبات الفلزات القلوية لونه أبيض، ويكون معدوم اللون في المحاليل، أما مركبات الفلزات الانتقالية فتتميَّز بمجموعة كبيرة ومتنوعة من الألوان في حالاتها الصلبة وفي محاليلها المائية. إذن العبارة (أ) خطأ. ومن ثَمَّ، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ): الفلزات الانتقالية تُنتِج مُركَّبات أقل تلوُّنًا من الفلزات القلوية.

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: Ti()+O()+TiO()sgs22ارة

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.

تعريف: الفلزات النبيلة

الفلزات النبيلة عبارة عن فلزات ذات مقاومة عالية للتفاعل الكيميائي.

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: زارو++

على سبيل المثال، يتفاعل الكروم مع حمض الهيدروكلوريك لإنتاج كلٍّ من كلوريد الكروم الثنائي وغاز الهيدروجين: Cr()+2HCl()CrCl()+H()saqaqg22

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 (TiO2) في مستحضرات الوقاية من الشمس، كما هو موضَّح آتيًا؛ إذ يساعد على حماية الجلد من التأثيرات الضارة لضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV).

يد تمسك واقيًا شمسيًّا

ويُستخدَم مركب خامس أكسيد الفاناديوم (VO25) عاملًا حفَّازًا مهمًّا للغاية في عملية التماس لإنتاج حمض الكبريتيك (HSO()24l). يوضِّح الشكل الآتي بلورات دقيقة لخامس أكسيد الفاناديوم.

بلورات صغيرة من أكسيد الفاناديوم الخماسي

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.

درَّاجة نارية

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 (NH3). وتوضِّح الصور الآتية استخدام الحديد جزءًا من عارضة فولاذية، وفي إنتاج الأمونيا.

عارضة فولاذية على جسر
خزان الأمونيا اللامائي

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

كبل تيار كهربائي

مثال ٥: فهم استخدامات الفلزات الانتقالية

أيُّ العبارات الآتية توضِّح سبب استخدام البلاتين والبلاديوم والروديوم في المحوِّلات في نظام عوادم السيارات؟

  1. تتفاعل الفلزات الانتقالية ببطء مع الحمض أو لا تتفاعل معه مطلقًا.
  2. تعتبر الفلزات الانتقالية عوامل حفَّازة جيدة.
  3. الفلزات الانتقالية كثيفة للغاية.
  4. الفلزات الانتقالية لها درجات انصهار أعلى.
  5. تنتج الفلزات الانتقالية مركبات ملوَّنة.

الحل

الفلزات الانتقالية لها نشاط حفزي ممتاز، وتُستخدَم عاملًا حفَّازًا على نطاق واسع في العديد من العمليات. وإحدى هذه العمليات هي التحويل الحفزي لمركبات العادم السام، مثل غازَي NO وCO إلى مركبات أقل ضررًا، مثل N2 وCO2 وHO2. وعادةً ما نستخدم البلاتين والبلاديوم والروديوم لهذا السبب. إذن الإجابة الصحيحة هي (ب): تعتبر الفلزات الانتقالية عوامل حفَّازة جيدة.

النقاط الرئيسية

  • الفلز الانتقالي عبارة عن عنصرٍ الغلافُ الفرعي d لذراته غير مكتمل بالإلكترونات، أو عنصر يمكنه أن ينتج كاتيونات غلافُها الفرعي d غير مكتمل بالإلكترونات.
  • تتميَّز الفلزات الانتقالية بالآتي:
    • القابلية للطرق والسحب.
    • بشكلٍ عام، عند مقارنتها بفلزات الفئة s، تكون:
      • درجات انصهارها أعلى
      • كثافتها أعلى
      • أكثر صلابة
      • ذات توصيلية كهربية أعلى
      • أكثر قوة
    • يمكن أن تكون لها عدة حالات تأكسد مستقرة؛ ومن ثَمَّ، يكون لها عدة مركبات.
    • تكوِّن أيونات ملوَّنة مختلفة.
    • تكون بوجهٍ عام أقل تفاعلية من عناصر الفئة s.
    • غالبًا ما يكون لديها نشاط حفزي جيد.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.