شارح الدرس: الخواص الفيزيائية للفلزات الانتقالية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الخواص الفيزيائية للفلزات الانتقالية، ونقارن بينها.

يمكن إيجاد عناصر الفلزات الانتقالية في الفئة d بالجدول الدوري. فهي مجموعة متنوعة من الفلزات، ولها العديد من الاستخدامات المهمة. يمكن مقارنة الفلزات الانتقالية بعناصر الفلزات بعد الانتقالية؛ لأنها صلبة وبراقة وموصلة جيدة للحرارة والكهرباء.

يمكن فهم التطبيقات المختلفة لعناصر الفلزات الانتقالية إذا استغرقنا بعض الوقت لفهم الخواص الفيزيائية للفلزات الانتقالية، وكيف تتغيَّر الخواص الفيزيائية عبر فئة عناصر الفلزات الانتقالية.

ننظر أولًا إلى قيم الكتلة الذرية لأربعة عناصر من عناصر الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة. يوضِّح الشكل الآتي أن قيم الكتلة الذرية تزيد بوجهٍ عام عندما ننتقل من السكانديوم الواقع في الطرف الأيسر وصولًا إلى النحاس الواقع في الطرف الأيمن. ويُستثنى النيكل من هذا التدرُّج؛ لأن قيمة كتلته الذرية أصغر من قيمة الكتلة الذرية للكوبالت.

يمكننا أيضًا التفكير في كيفية تغيُّر أنصاف الأقطار الذرية عند التحرُّك من السكانديوم إلى النحاس. قيم نصف القطر الذري لا تزيد أو تنخفض على نحو منتظم عندما نتحرَّك عبر صف الدورة الرابعة للفلزات الانتقالية. العلاقة بين قيم أنصاف الأقطار الذرية والأعداد الذرية معقَّدة للغاية، ولا يمكن تفسيرها إلا إذا نظرنا في التوزيعات الإلكترونية لهذه العناصر. يَستخدم الشكل الآتي مزيجًا من الترميزات المكثَّفة والأسهم الأحادية الجانب لتوضيح كيف يتغيَّر التوزيع الإلكتروني عبر العناصر الفلزية في الدورة الرابعة.

في البداية، يبدأ نصف القطر في الانخفاض مع زيادة الشحنة النووية. تزداد الشحنة النووية نظرًا لتزايد عدد البروتونات في نواة الذرة. تواصل الإلكترونات الإضافية ملء المدار ، وتقترب أكثر من النواة.

بالرغم من ذلك، عند وصولنا إلى الكروم، يُولِّد التزايد في عدد الإلكترونات في المدار تنافرًا بين الإلكترونات كافيًا لإيقاف النقصان في أنصاف الأقطار الذرية، وتظل قيم نصف القطر الذري ثابتة بشكل أساسي بالتحرُّك من الكروم إلى النحاس.

ترتبط الكثافة بكتلة الجسم وحجمه، وعندما نتحرَّك من اليسار إلى اليمين عبر الدورة الرابعة، تزيد كتلة الذرة. بالنسبة إلى نصف القطر الذري، كما ذكرنا من قبل، يقل نصف القطر، لكن ليس بانتظام. عندما يجتمع هذان التدرُّجان العامان، يصبح لدينا تدرُّج زيادة الكثافة أثناء التحرُّك عبر الدورة الرابعة، كما هو موضَّح في التمثيل البياني الآتي.

تجدر الإشارة هنا إلى أن الفلزات الانتقالية بوجهٍ عام لها كثافة أكبر من كثافة فلزات الفئة s التي تنتمي إلى الدورة نفسها. يُعَد كلٌّ من البوتاسيوم والكالسيوم من فلزات الدورة الرابعة، لكنهما ليسا من عناصر الفلزات الانتقالية. وتبلغ قيمتا كثافتَي البوتاسيوم والكالسيوم 0.89 g/cm³ و1.54 g/cm³.

لا يبدو أن هناك أي تدرُّج أو نمط عام واضح بين درجات الانصهار والأعداد الذرية لعناصر الفلزات الانتقالية بالدورة الرابعة. يمكننا ملاحظة ذلك في الشكل الآتي.

ولكن يمكننا صياغة عبارة محدَّدة واحدة متعلِّقة بفلزات الفئة s في الدورة الرابعة. درجة انصهار البوتاسيوم تساوي 336.5 K ودرجة انصهار الكالسيوم تساوي 1‎ ‎115 K، وهكذا فإن درجات انصهار الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة أكبر بكثير من درجات انصهار فلزات الفئة s المناظرة لها. ترتبط الروابط الفلزية بدرجة الانصهار، ممَّا يُشير إلى أن الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة لها روابط فلزية أقوى من البوتاسيوم والكالسيوم.

يمكننا تصنيف الفلزات الانتقالية بدلالة خواصها المغناطيسية. بعض الفلزات بارامغناطيسي، والبعض الآخر دايامغناطيسي. الذرة أو الأيون أو الجزيء يُعَد كلٌّ منها بارامغناطيسيًّا عندما يحتوي على ذرات بها إلكترونات منفردة. هذه الإلكترونات المنفردة لها عزم ثنائي القطب مغناطيسي، وتعمل باعتبارها مغناطيسات متناهية الصغر بسبب انجذابها نحو المجالات المغناطيسية المُطبَّقة خارجيًّا. يكون مقدار العزم المغناطيسي في أي مادة بارامغناطيسية أكبر إذا كانت هذه المادة تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات المنفردة.

ليس للمادة الدايامغناطيسية أي عزم مغناطيسي كلي؛ لأن جميع مداراتها ممتلئة بإلكترونات مزدوجة. دائمًا ما تُبعِد المواد الدايامغناطيسية المجالات المغناطيسية المُطبَّقة خارجيًّا.

ارامغناطيسية. وباستخدام الفاناديوم مثالًا، يكون لذرات الفاناديوم التوزيع الإلكتروني . يوضِّح الحد أن الفاناديوم يحتوي على إلكترون واحد منفرد على الأقل، ويمكن استخدام هذه الحقيقة لتحديد أن الفاناديوم مادة بارامغناطيسية.

تتميَّز عناصر النيكل والحديد والكوبالت وسبائكها بنوع من المغناطيسية مثير للاهتمام إلى حدٍّ ما يُعرَف باسم الفرومغناطيسية. الفرومغناطيسية هي الآلية الأساسية التي يُكوِّن بها بعض المواد مغناطيسات دائمة. تتميَّز عناصر النيكل والحديد والكوبالت وسبائكها بأنها فرومغناطيسية بسبب بنياتها غير المعتادة.

تختلف الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة بشكلٍ ملحوظ في تفاعلاتها أو نشاطها الكيميائي مع المواد الأخرى. للنحاس معدل تفاعلية منخفض بشكل ملحوظ مع معظم الجزيئات الغازية، أما الحديد فيصدأ عندما يُترك في مكان مفتوح؛ بحيث يمكن أن يتفاعل مع جزيئات الأكسجين والماء الموجودة في الهواء. أما الفلزات الأخرى مثل السكانديوم فيمكن أن تتفاعل بقوة مع الماء إذا قُسِّمَت إلى جسيمات دقيقة. يُنتِج فلز السكانديوم أيونات الهيدروكسيد أثناء استبدال ذرات الهيدروجين في جزيئات الماء:

نُوقِش استخدام الفلزات الانتقالية بشكلٍ أكثر شمولًا في شارح آخر، لكن من المهم أن نذكر هنا أن العديد من الفلزات الانتقالية تُستخدَم في الصناعة نظرًا لنشاطها الحفزي.

يُستخدَم فلز النيكل المقسَّم بدقة عاملًا حفَّازًا لإنتاج السمن النباتي خلال عمليات الهدرجة. يُستخدم الحديد المقسَّم عاملًا حفَّازًا لتعزيز عملية هابر-بوش، وهي عملية صناعية لتثبيت النيتروجين، والطريقة الصناعية الرئيسية لإنتاج الأمونيا.

خامس أكسيد الفاناديوم عبارة عن مركب لفلز انتقالي معروف يمكن استخدامه عاملًا حفَّازًا لتعزيز إنتاج حمض الكبريتيك خلال عملية التماس:

وأخيرًا، يمكن استخدام ثاني أكسيد المنجنيز لتحفيز تفاعل تفكُّك بيروكسيد الهيدروجين:

تتميَّز الكيمياء التي تفسِّر النشاط الحفزي لعناصر الفلزات الانتقالية ومركباتها بالتعقيد. ولكن يمكن أن يُعزى جزء كبير من النشاط الحفزي إلى وجود إلكترونات المدارين و، وحقيقة أنهما يسمحان بحدوث التفاعلات عبر مسارات كيميائية مختلفة. وقد تتضمَّن المسارات البديلة، على سبيل المثال، تكوين أيونات معقَّدة وسيطة أو تكوين مركبات معقَّدة من جزيئات المتفاعلات التي تُمتص على أسطح العامل الحفَّاز.

وعادةً ما تُكوِّن العناصر الانتقالية مركبات ملوَّنة. تنشأ الألوان عن امتصاص بعض الأطوال الموجية للضوء الأبيض بواسطة الفلز الانتقالي ومركبه. ولا ينتج عن هذا الامتصاص سوى بعض الأطوال الموجية للضوء الأبيض الذي يمر عبر المحلول.

عندما تذوب كريستالات كبريتات النحاس الثنائي المماهة في الماء يتكوَّن الأيون المعقَّد . هذا الأيون يميل إلى امتصاص الأطوال الموجية للَّونين الأحمر والبرتقالي، كما هو موضَّح فى المخطط الآتي.

تُشير عجلة الألوان الآتية إلى العلاقة بين الأطوال الموجية للضوء التي تمتصها الكاتيونات المختلفة واللون المناظر الذي تراه العين البشرية. عند امتصاص الضوء الأحمر والبرتقالي، ترى عين الإنسان اللونين المقابلين لهما على العجلة؛ ومن ثَمَّ يبدو لون المحلول أزرق. تُمتص طاقة الضوء بواسطة الإلكترونات الموجودة في أيونات بها مدارات d ممتلئة جزئيًّا.