نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على الخواص الفيزيائية للفلزات الانتقالية، خاصة الصف الأول من هذه الفلزات. دعونا نبدأ بتذكير أنفسنا سريعًا بماهية الفلزات الانتقالية، وأين تقع هذه الفلزات في الجدول الدوري.
الفلزات الانتقالية هي العناصر التي يكون لذراتها غلاف فرعي d غير مكتمل أو لكاتيوناتها غلاف فرعي d غير مكتمل. وتقع في الفئة d بالجدول الدوري، وتقع العناصر الانتقالية الداخلية في الفئة f. سندرس الصف الأول فقط من الفلزات الانتقالية الرئيسية. يسمى هذا الصف السلسلة الانتقالية الأولى، ويقع في الدورة الرابعة. الفلزات الانتقالية في هذه السلسلة هي السكانديوم والتيتانيوم والفاناديوم والكروم والمنجنيز والحديد والكوبالت والنيكل والنحاس. لاحظ أن الزنك في المجموعة 12 لا يعد فلزًّا انتقاليًّا فعليًّا؛ لأن غلافه الفرعي d مكتمل وممتلئ بالإلكترونات.
لعلك على دراية ببعض الخواص الفيزيائية المميزة لبعض هذه العناصر. على سبيل المثال، التيتانيوم منخفض الكثافة لكنه قوي للغاية، والكروم المصقول براق أو لامع جدًّا، والنحاس موصل ممتاز للحرارة. قبل أن نلقي نظرة على بعض الخواص الفيزيائية المحددة لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى، دعونا نلق نظرة على كتلها الذرية.
الكتل الذرية لهذه العناصر مدرجة ومعطاة بوحدة الكتلة الذرية. عند التحرك من اليسار إلى اليمين عبر الدورة، نجد تدرجًا عامًّا، وهو أنه كلما زاد العدد الذري أو عدد البروتونات، زادت الكتلة الذرية أيضًا. ومع ذلك، يوجد انخفاض طفيف في التدرج بالنسبة للنيكل. دعونا نر كيف تؤثر الكتلة الذرية على نصف القطر الذري.
نصف القطر الذري هو المسافة من مركز النواة إلى الغلاف الخارجي أو آخر غلاف يحتوي على إلكترونات. إذا كانت هذه الصورة هي ذرة، وهذه هي النواة، وهذا هو آخر غلاف يحتوي على إلكترونات، فإن السهم الوردي يمثل نصف القطر الذري. يمكن قياس أنصاف الأقطار الذرية بطرق مختلفة. ووفقًا لطريقة قياسها، سنحصل على قيم مختلفة قليلًا. ويمكن قياسها باستخدام وحدات مختلفة، مثل البيكومتر الذي يساوي واحدًا في 10 أس سالب 12 أمتار، أو الأنجستروم الذي يساوي واحدًا في 10 أس سالب 10 أمتار. القيم الموضحة هنا بالأنجستروم.
بالتحرك من اليسار إلى اليمين عبر السلسلة، نلاحظ تدرجًا عامًّا، وهو أنه كلما زاد العدد الذري أو عدد البروتونات، قل نصف القطر الذري، باستثناء زيادة بسيطة فقط في النهاية عند النحاس. ما سبب هذا التدرج العام؟ حسنًا، كلما زادت البروتونات في النواة، زادت الشحنة النووية، أو بعبارة أخرى، زادت قوة الجذب المؤثرة على الإلكترونات الخارجية. ومن ثم تقترب الإلكترونات الخارجية أكثر من النواة؛ ما يؤدي إلى نصف قطر ذري أصغر. إذا رسمنا هذه القيم على تمثيل بياني يوضح نصف القطر الذري مقابل العدد الذري المتزايد، فسيبدو المنحنى بهذا الشكل. من المثير للاهتمام ملاحظة أن الجزء السفلي من المنحنى بين الكروم والنحاس مستو نوعًا ما. ويرجع ذلك إلى وجود تنافر متزايد بين إلكترونات الغلاف الفرعي 3d، وهذا يقاوم قوة جذب النواة. ويمكننا القول إن هناك انخفاضًا في الشحنة النووية الفعالة.
من المثير للاهتمام ملاحظة أن البوتاسيوم والكالسيوم، اللذين يأتيان قبل السكانديوم في الدورة الرابعة من الجدول الدوري والموضحين هنا على التمثيل البياني أيضًا، نصفا قطريهما أكبر بكثير. لن نتناول السبب وراء ذلك في هذا الفيديو. لكن يمكننا ذكر أن البوتاسيوم والكالسيوم نوعان مختلفان تمامًا عن تلك الفلزات الانتقالية؛ لأن ليس لهما مدارات فرعية من الفئة d. أصبحنا نعرف الآن عن تدرج نصف القطر الذري. لكن ماذا عن الكثافة؟
كثافة فلزات الدورة الرابعة موضحة هنا. وهي معطاة بالجرام لكل سنتيمتر مكعب، ورسمنا القيم هنا بصورة تقريبية على التمثيل البياني لتوضيح التدرج العام بصورة مرئية. يمكننا أن نلاحظ أنه عند التحرك من اليسار إلى اليمين عبر السلسلة، كلما زاد العدد الذري أو عدد البروتونات، زادت الكثافة. ماذا عن عنصري الفئة s، البوتاسيوم والكالسيوم؟ ما الفرق بين كثافتهما وكثافة هذه الفلزات الانتقالية؟
كثافة البوتاسيوم، التي تساوي حوالي 0.86 جرام لكل سنتيمتر مكعب، وكثافة الكالسيوم، التي تساوي تقريبًا 1.55 جرام لكل سنتيمتر مكعب، أقل على نحو ملحوظ من قيم جميع الفلزات الانتقالية الأخرى. نعلم أن التوزيع الإلكتروني الخارجي لهذه العناصر الانتقالية هو 4s2 3dx، حيث تتراوح قيمة x من واحد إلى تسعة بناء على العنصر. البوتاسيوم والكالسيوم بهما إلكترونات 4s فقط متاحة للترابط الفلزي. لكن السلسلة الانتقالية الأولى بها إلكترونات 4s وإلكترونات 3d متاحة للترابط الفلزي، وتؤثر قوة الروابط الفلزية على الكثافة.
الخاصية التالية هي درجة الانصهار. درجة الانصهار ليس لها تدرج محدد في السلسلة الانتقالية الأولى. بعد درجة انصهار السكانديوم البالغة 1397 درجة سلزية، تزيد القيمة، ثم تزيد، ثم تزيد، ثم تقل، ثم تزيد، ثم تقل، ثم تزيد، ثم تقل. لن نمثل هذه القيم على التمثيل البياني. فسيشبه التمثيل البياني نوعًا ما قطار الملاهي السريع. وقيم درجة الغليان للسلسلة لا تتبع أيضًا تدرجًا ملحوظًا. ولكن دعونا نلق نظرة على درجات غليان عناصر الفئة s التي تسبق هذه الفلزات.
قيمة البوتاسيوم هي 63.5 درجة سلزية، والكالسيوم 842 درجة سلزية. إذن، عند المقارنة بين قيمتي درجة انصهار عنصري الفئة s وقيم هذه الفلزات الانتقالية، يمكننا التوصل إلى استنتاج. فيمكننا أن نلاحظ أن درجات انصهار الفلزات الانتقالية للدورة الرابعة أكبر بكثير من درجات انصهار عناصر الفئة s للدورة الرابعة. ولكن لماذا؟
كما ذكرنا سابقًا، الفلزات الانتقالية بها إلكترونات 4s وإلكترونات 3d متاحة للترابط الفلزي. وعناصر الفئة s بها إلكترونات 4s فقط متاحة لتكوين روابط فلزية. إذن، فالفلزات الانتقالية روابطها الفلزية قوية، وفلزات الفئة s روابطها الفلزية أضعف. ينتج عن الروابط الفلزية الأقوى درجات انصهار أعلى، وينتج عن الروابط الفلزية الأضعف درجات انصهار أقل. والجدير بالملاحظة هنا أن درجة انصهار الكالسيوم أعلى من درجة انصهار الزنك، على الرغم من أن الزنك به إلكترونات 3d متاحة للترابط الفلزي. لن نخوض في تفسير ذلك هنا، لكنني سأذكركم بأن الزنك ليس فلزًّا انتقاليًّا فعليًّا.
دعونا ننتقل إلى الخواص المغناطيسية لهذه العناصر. تنجذب بعض الذرات أو الأيونات أو الجزيئات إلى المجال المغناطيسي، وبعضها لا ينجذب. تسمى الجسيمات التي تنجذب إلى المجال المغناطيسي جسيمات بارامغناطيسية. وتسمى تلك التي لا تنجذب إلى المجال المغناطيسي جسيمات دايامغناطيسية. في الواقع، تتنافر الجزيئات الدايامغناطيسية قليلًا مع المجال المغناطيسي. والجسيمات البارامغناطيسية لديها إلكترونات منفردة في المدارات. تصنع هذه الإلكترونات المنفردة مجالًا مغناطيسيًّا بسبب دورانها. وكلما زاد عدد الإلكترونات المنفردة، زاد العزم المغناطيسي للجسيم.
لا تحتوي الذرات أو الجسيمات الدايامغناطيسية على إلكترونات منفردة؛ فجميع إلكتروناتها في حالة ازدواج. وتزدوج الإلكترونات في اتجاهي دوران أحدهما عكس الآخر. إذن، بالنسبة لكل زوج من الإلكترونات، يلغي كل إلكترون تأثير دوران الإلكترون الآخر. بعبارة أخرى، لا يكون لزوج الإلكترونات صافي عزم ثنائي قطب مغناطيسي إلكتروني؛ ومن ثم لا يتكون مجال مغناطيسي من إلكترونين متعاكسين في اتجاه دورانهما. ولهذا السبب فإن الجسيمات التي تكون جميع إلكتروناتها في حالة ازدواج لا تنجذب إلى المجال المغناطيسي، وإنما تتنافر معه قليلًا.
لنتناول مثالًا. هذا هو التوزيع الإلكتروني للسكانديوم. يزدوج إلكترونا المدار 4s معًا، ولكن إلكترون المدار 3d المنفرد أو الوحيد لا يكون له شريك. فهو منفرد. إذن، ذرة السكانديوم بارامغناطيسية. إليك مثال آخر. هذا هو التوزيع الإلكتروني لذرة الحديد. مرة أخرى نجد أن إلكتروني المدار 4s يزدوجان معًا. لكن ماذا عن إلكترونات المدار 3d؟ إذا وضعنا إلكترونات المدار 3d الستة في المدارات الخمسة للغلاف الفرعي 3d، فسنجد أن اثنين من الإلكترونات يزدوجان والأربعة الأخرى ستكون منفردة. إذن، ذرة الحديد بارامغناطيسية، وبدرجة أكبر من ذرة السكانديوم؛ وذلك لأن ذرة الحديد تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات المنفردة.
والآن لنغير ذرة الحديد هذه إلى أيون حديد. لنجعلها أيون Fe3+. التوزيع الإلكتروني لـ Fe3+ موضح هنا. حذفنا ثلاثة إلكترونات من ذرة Fe لتكوين أيون Fe3+، وإلكترونين من الغلاف الفرعي 4s، وإلكترونًا واحدًا من الغلاف الفرعي 3d. يمكننا تقسيم الإلكترونات الموجودة في الغلاف الفرعي 3d على مدارات منفصلة كما هو موضح. ويمكننا الجزم بأن Fe3+ بارامغناطيسي أيضًا، لأنه يحتوي على إلكترونات منفردة، وعددها في هذه الحالة خمسة. ماذا عن الزنك؟ إذا كتبنا التوزيع الإلكتروني للزنك، فسنجد أن هناك 10 إلكترونات في المدار 3d، أي خمسة أزواج من الإلكترونات. الزنك ليس لديه إلكترونات منفردة؛ ومن ثم فهو دايامغناطيسي.
سنلقي نظرة على خاصيتين أخريين لهذه الفلزات الانتقالية. الخاصية التالية هي النشاط الحفزي. الكثير من الفلزات الانتقالية مفيدة للغاية في الصناعة نظرًا لنشاطها الحفزي الممتاز. على سبيل المثال، يستخدم الحديد في عملية هابر-بوش. وهي عملية إنتاج الأمونيا. ويستخدم الفاناديوم في عملية التماس في صورة V2O5 لإنتاج حمض الكبريتيك. ويستخدم النيكل في مجموعة متنوعة من تفاعلات إضافة الهيدروجين. وإضافة الهيدروجين للبنزين في تفاعل يحوله إلى الهكسان الحلقي هي مثال على إضافة الهيدروجين باستخدام نيكل راني. نتناول العوامل الحفازة الفلزية ونشاطها الحفزي بمزيد من التعمق في فيديو آخر.
سنتناول الآن الخاصية الأخيرة، وهي لون مركبات الفلزات الانتقالية المعقدة. عندما يمر الضوء الأبيض، الذي يتكون من الألوان السبعة لقوس قزح، خلال محلول مائي لمركب فلز انتقالي معقد، يمتص المحلول بعض الأطوال الموجية ويمر بعضها الآخر خلاله. على سبيل المثال، عندما يكون هذا المركب المعقد لهذا الفلز الانتقالي في محلول مائي، فإنه يمتص الأطوال الموجية للونين الأحمر والبرتقالي من الضوء الأبيض. أما ألوان الأصفر والأخضر والأزرق والنيلي والبنفسجي، فتمر دون أن يمتصها المحلول. يبدو خليط هذه الأطوال الموجية للعين البشرية أزرق مخضرًّا فاتحًا أو سماويًّا.
توضح لنا عجلة الألوان هذه أنه في حالة امتصاص الأطوال الموجية للونين الأحمر والبرتقالي، فإن اللونين المقابلين أو المكملين لهما على العجلة، وهما في هذه الحالة اللونان الأزرق والأخضر، ستراهما عين الإنسان لونًا للمحلول. السماوي هو لون أزرق مخضر فاتح. لكن لا يختلط عليك الأمر. ستمر الأطوال الموجية للون البنفسجي والنيلي والأصفر أيضًا. هذه العجلة الملونة توضح لنا فقط كيف سيبدو المحلول لعين الإنسان. يمتص المحلول هذه الأطوال الموجية المحددة بناء على الإلكترونات الموجودة في مدارات d الممتلئة جزئيًّا. يتناول فيديو آخر شرحًا مفصلًا لذلك.
والآن حان الوقت لتلخيص ما تعلمناه. في سلسلة الفلزات الانتقالية الأولى، تزداد الكتلة الذرية عند التوجه من اليسار إلى اليمين، باستثناء النيكل. ويقل نصف القطر الذري مع زيادة الشحنة النووية عند التوجه نحو اليمين. وتزداد قيم الكثافة كلما اتجهنا نحو اليمين. وقيم درجة الانصهار ليس لها تدرج، لكنها أعلى من عنصري الفئة s في الدورة الرابعة، وهما البوتاسيوم والكالسيوم. أوضحنا أن ذلك يرجع إلى زيادة الترابط الفلزي في هذه الفلزات الانتقالية بسبب وجود إلكترونات في المدار 3d.
وعرفنا أن جميع ذرات سلسلة الفلزات الانتقالية الأولى بارامغناطيسية بسبب وجود إلكترونات منفردة. يستثنى من ذلك الزنك لأن جميع إلكتروناته في حالة ازدواج. لكن الزنك ليس فلزًّا انتقاليًّا فعليًّا وفقًا لتعريفه. وتناولنا ثلاثة أمثلة فقط على الفلزات الانتقالية المستخدمة باعتبارها عوامل حفازة. وأخيرًا، تعلمنا أن لون مركبات الفلزات الانتقالية المعقدة في محلول مائي يعتمد على إلكترونات المدار 3d والأطوال الموجية الممتصة المناظرة لها. وتعلمنا أن عين الإنسان ترى الألوان المكملة، وهي الألوان التي لا يمتصها المحلول.
