فيديو الدرس: الفلزات الانتقالية الكيمياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على الفلزات الانتقالية، وبعض استخداماتها، وبعض خواصها الفيزيائية والكيميائية.

قبل النظر إلى هذه المجموعة المثيرة للاهتمام من العناصر، من المهم أن نعرف أيها مدرج وأيها غير مدرج في الجدول. مصطلح «الفلز الانتقالي» عمره 100 عام تقريبًا. وكان يعني في الأصل أي عنصر يقع بين المجموعتين الأولى والثانية والمجموعات الـ 13 إلى الـ 18. وفرت هذه العناصر انتقالًا بين الفئتين، لكن تجدر الإشارة إلى أنها لم تكن كل هذه العناصر قد اكتشفت في ذلك الوقت. أما في الوقت الراهن، فيتضمن هذا التعريف جميع عناصر الفئة ‪d‬‏، وجميع عناصر الفئة ‪f‬‏ أيضًا.

لكن بمرور الوقت، أصبحت بعض خواص هذه المجموعة من العناصر مميزة، وأزيلت عناصر أخرى بعينها. بالنسبة لبعض العناصر، يوجد خلاف حول تسميتها عناصر انتقالية. لن أتناول تفاصيل هذه الخلافات، لكنني سأوضح لك العناصر التي تعتبر عمومًا عناصر انتقالية.

التعريف الصادر عن الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية، الأيوباك، يتضمن هذه العناصر. على مستوى عالمي تقريبًا، لا تشمل العناصر الانتقالية الزنك. ويوجد جدال محتدم بشأن الكادميوم والزئبق. وبالنسبة لبعض العناصر الأثقل، لا تتوفر بيانات تجريبية كافية لاتخاذ قرار واضح. لكن من الناحية العملية، لا تعتبر العناصر الموجودة في المجموعة الـ 12 من الجدول الدوري عناصر انتقالية.

من ناحية أخرى، بعض الأشخاص لا يعتبرون عناصر المجموعة الثالثة أيضًا عناصر انتقالية. وهذا يشمل السكانديوم والإتريوم. لتبسيط الأمور في هذا الفيديو، هذه هي العناصر التي سنتناولها باعتبارها عناصر انتقالية أو فلزات انتقالية. وهذا يعني أننا سندرج أي عنصر في المجموعة الثالثة إلى المجموعة الـ 11، إضافة إلى أي عنصر في الفئة ‪f‬‏.

ثمة أمر آخر يحدث عمليًّا، وهو أننا عندما نشير إلى الفلزات الانتقالية عمومًا، نقصد الفلزات الانتقالية الموجودة في المجموعات من الثالثة إلى الـ 12 فقط. ويشار إلى تلك الموجودة في الفئة ‪f‬‏ على وجه التحديد باسم الفلزات الانتقالية الداخلية. هذا يعني أن ما يتبقى لدينا عندما نتحدث عن الفلزات أو العناصر الانتقالية هو العناصر في المجموعات من الثالثة إلى الـ 11. هذه هي مجموعة العناصر التي سنتناولها في بقية الفيديو. ولن نتناول الأسباب وراء خواصها، بل الخواص نفسها فحسب.

ننتقل بعد ذلك إلى الخواص الفيزيائية للفلزات الانتقالية. مثل الفلزات الأخرى في صورتها النقية، الفلزات الانتقالية موصلة للحرارة والكهرباء. لكن أكثر ثلاثة فلزات موصلة للكهرباء بين جميع الفلزات الانتقالية هي الذهب، والنحاس، والفضة، علمًا بأن الفضة لها ضعف قدرة توصيل الألومنيوم. وبوجه عام، الفلزات الانتقالية صلدة أيضًا إلى حد ما، فهي على الأقل أكثر صلادة من عناصر المجموعة الأساسية مثل القصدير والرصاص.

وبعضها أيضًا قوي جدًّا مثل الحديد والتيتانيوم. تبلغ كتلة السنتيمتر مكعب الواحد من الماء حوالي جرام واحد، ومن ثم فإن كثافة الماء تساوي جرامًا واحدًا لكل سنتيمتر مكعب. ويعتبر عنصر الرصاص في صورته المعدنية عالي الكثافة بوجه عام، إذ إنه أكثر كثافة من الماء بمقدار 11 مرة. لكن العناصر الأكثر كثافة على الإطلاق هي الأوزميوم والإريديوم؛ فكثافتهما أكثر من كثافة الماء بمقدار 23 مرة وهي ضعف كثافة الرصاص. وتوجد في الواقع 10 فلزات انتقالية أخرى في الفئة ‪d‬‏ أكثر كثافة من الرصاص.

وكما هو الحال مع العديد من الفلزات الأخرى، الفلزات الانتقالية قابلة للطرق إذ يمكن طرقها وطيها إلى أشكال متنوعة. وهي قابلة للسحب، لذا يمكن تشكيلها على صورة أسلاك رقيقة. وهي براقة، مثل غيرها من الفلزات، أو لامعة، ويمكن صقلها أكثر لتصبح كالمرآة. وأخيرًا، تتمتع الفلزات الانتقالية عادة بدرجة انصهار عالية. فالرصاص الموجود في المجموعة الـ 14 تبلغ درجة انصهاره نحو 328 درجة سلزية. لكن الفلز الذي يتميز بأعلى درجة انصهار من بين جميع الفلزات هو التنجستن، وهو فلز انتقالي.

والآن بعد أن تناولنا الخواص الفيزيائية للعناصر الانتقالية في صورتها المعدنية، فلنلق نظرة على خواصها الكيميائية. إحدى أهم الخصائص المميزة للعناصر الانتقالية هي عدد المركبات التي يمكنها تكوينها. يرجع جزء كبير من ذلك إلى حقيقة أنه يمكنها تكوين حالات تأكسد وأيونات مستقرة مختلفة. ففلزات المجموعة الرئيسية، مثل المغنيسيوم والألومنيوم، لها حالة تأكسد شائعة واحدة فقط. يميل المغنيسيوم إلى تكوين أيونات ‪Mg2+‬‏، بينما يميل الألومنيوم إلى تكوين أيونات ‪Al3+‬‏. لكننا نلاحظ العديد من حالات التأكسد المستقرة الأخرى في بعض الفلزات الانتقالية.

سنستعرض هنا الصف الأول من الفئة ‪d‬‏. السكانديوم هو استثناء، إذ نراه فقط في حالة الأكسدة موجب ثلاثة، مع إهمال الصفر بالطبع. والعناصر الانتقالية الأخرى على امتداد هذا الصف لها حالات تأكسد شائعة متعددة. وللعلم، الزنك الموجود في نهاية هذا السطر من الفئة ‪d‬‏ له حالة تأكسد شائعة واحدة فقط، وهي موجب اثنين. لكن من المهم أن نتذكر أننا في بعض الأحيان نحصل على حالات تأكسد مختلفة عن هذه. فهذه الحالات تمثل حالات التأكسد الشائعة، ويختلف البعض بشأن ما نعنيه بوصف «الشائعة». لذا، علينا أن نستخدم هذه الأعداد للاسترشاد فقط.

عندما نجد العناصر الانتقالية في حالات تأكسد منخفضة، فإننا نراها عادة في صورة أيونات، بينما نراها في حالات التأكسد الأعلى في صورة أكسيدات أو فلوريدات وهكذا. على سبيل المثال، يمكننا أن نرى مجموعة متنوعة كبيرة من المركبات الممكنة للمنجنيز مع كل هذه الحالات المحتملة من التأكسد. والقدرة على الانتقال بسهولة بين حالات التأكسد المتاحة هذه تتيح نطاقًا كبيرًا من السلوكيات الحفزية والكهروكيميائية.

الخاصية الأخرى المميزة للعناصر الانتقالية هي تنوع ألوان مركباتها. إذا نظرنا إلى اللون، فيمكننا توقع ترددات الضوء التي يمتصها الأيون. على سبيل المثال، الأيون الذي يمتص الضوء الأحمر يبدو أخضر. وأيونات الزنك والمغنيسيوم والألومنيوم لا لون لها على الإطلاق. والسكانديوم ثلاثة موجب عديم اللون أيضًا. لكن محاليل التيتانيوم ثلاثة موجب أرجوانية. توجد مجموعة متنوعة جدًّا من أيونات الفاناديوم أو أيونات أكسيد الفاناديوم الملونة. فمحاليل ‪V2+‬‏ بنفسجية - أرجوانية، بينما محاليل ‪V3+‬‏ خضراء. ومحاليل ‪VO2+‬‏ زرقاء، ومحاليل ‪VO3+‬‏ صفراء. ومحاليل الكروم ثلاثة موجب تكون بنفسجية - أرجوانية أيضًا.

يمكن أن يكون المنجنيز مجموعة متنوعة كبيرة من المركبات الملونة، لكنني سأذكر فقط المركبات التي قد نصادفها في المحاليل. يجعل أيون ‪Mn2+‬‏ المحاليل وردية باهتة، بينما تكون محاليل أيون البرمنجنات ‪MnO4‬‏- أرجوانية غامقة. الأيونات الأكثر شيوعًا في الحديد هي ‪Fe2+‬‏ و‪Fe3+‬‏. ربما ترى ألوان كل من ‪Fe2+‬‏ و‪Fe3+‬‏ مسجلة بطريقة مختلفة؛ لأنها تتغير حسب البيئة. لكن بصفة عامة، تكون محاليل‪Fe2+‬‏ خضراء، بينما محاليل ‪Fe3+‬‏ صفراء أو بنية. وتكون محاليل أيونات الكوبالت اثنين موجب وردية اللون بوجه عام، لكنها قد تتحول إلى اللون الأزرق إذا أضيفت كمية إضافية من ‪Cl‬‏-. وتكون محاليل النيكل اثنين موجب خضراء، بينما تكون محاليل النحاس اثنين موجب زرقاء بوجه عام.

هذه الألوان ليست دقيقة. فيمكن أن يؤثر الأيون المقابل والبيئة ودرجة الحرارة وما إلى ذلك على لون محلول أيون العنصر الانتقالي. ومع ذلك، في بيئات معينة محكومة، يمكن أن يكون اللون مميزًا للغاية بحيث يمكننا استخدامه في تحديد الأيون.

والآن، يمكننا الانتقال إلى إحدى أكثر الخواص المؤسفة لبعض الفلزات الانتقالية، وهي السمية. قبل المتابعة، من المهم أن نشير إلى أن السمية تعتمد على صورة العنصر، أي سواء كان في صورته النقية أو في صورة مركب ما. بعض الفلزات الانتقالية تكون مركبات تؤدي وظائف مهمة في النباتات والحيوانات. لكن بالنسبة إلى بعض العناصر الانتقالية، مثل الفاناديوم والكروم والكوبالت، فإن الكثير من مركباتها شديدة السمية. ولكن كما هو الحال مع العديد من المواد، الكثير من العناصر الانتقالية بجرعات عالية ستكون سامة، بما في ذلك العناصر المهمة في الوظائف الحيوية.

الخاصية الأخيرة المهمة للعناصر الانتقالية التي علينا تناولها هي التفاعلية. في صورتها النقية، لا يكون أي فلز من الفلزات الانتقالية عالي التفاعل. وفي الواقع، فإن أقل الفلزات تفاعلية على الإطلاق جميعها فلزات انتقالية. والفضة غير تفاعلية إلى حد كبير، ولكنها تفقد بريقها. أما الذهب، فيعتبر أقل الفلزات تفاعلية على الإطلاق. تعد طريقة استجابة الفلز للتفاعل مع الحمض اختبارًا جيدًا للتفاعلية. النحاس أكثر تفاعلية من الذهب والفضة، لكنه لا يتفاعل مع الأحماض بمفرده، لذا فهو غير تفاعلي نسبيًّا. لكن معظم الفلزات الانتقالية تتفاعل مع الأحماض.

تتفاعل معظم الفلزات الانتقالية أيضًا مع الأكسجين وتكون أكاسيد فلزية انتقالية، وإن كان بعضها، مثل النحاس، يجب تسخينه أولًا للحصول على معدل تفاعل مناسب. من ناحية أخرى، الفلزات الانتقالية في درجة حرارة الغرفة لا تتفاعل مع الماء بوجه عام. وتعتبر عملية صدأ الحديد نوعًا منفصلًا من العمليات. ولكن مع وجود كمية كافية من الحرارة، تتفاعل بعض الفلزات الانتقالية مع الماء الساخن أو البخار.

في صورة المركبات، يمكن أكسدة العناصر الانتقالية واختزالها، بالانتقال بين حالات التأكسد المتاحة. على سبيل المثال، يمكننا أكسدة ‪Fe3+‬‏ إلى ‪Fe2+‬‏ أو اختزال ‪Fe2+‬‏ إلى ‪Fe3+‬‏، أي الانتقال بين صور أيونات الحديد الخضراء والبنية المائلة للأصفر.

هذا السلوك هو أحد أسباب كون العناصر الانتقالية ومركباتها عوامل حفازة رائعة. على سبيل المثال، يستخدم الحديد في عملية هابر لتحويل غازي النيتروجين والهيدروجين إلى أمونيا، ويستخدم أكسيد الفناديوم الخماسي عاملًا حفازًا في إحدى خطوات عملية التماس، وهو ما يساعد في تحويل ‪SO2‬‏ إلى ‪SO3‬‏. وهناك العديد من الجزيئات الحيوية التي تعتمد على أيونات الفلزات الانتقالية لكي تعمل، مثل الإنزيمات والبروتينات.

من الجيد النظر إلى هذه الفلزات كل على حدة، لكننا سنتوصل إلى فكرة أفضل عن كيفية ملاءمة الفلزات الانتقالية بوجه عام من خلال المقارنة بينها. دعونا نقارن السلسلة الانتقالية الأولى، أي الصف العلوي من الفلزات الانتقالية، بفلزات المجموعتين الأولى والثانية في الدورة نفسها. وسأضيف الزنك أيضًا.

جميع هذه العناصر في صورتها النقية تكون لامعة. ومعظمها لونه فضي، بينما النحاس لونه بني مائل للبرتقالي. كل هذه الفلزات الانتقالية والزنك صلدة نسبيًّا، ولكن البوتاسيوم والكالسيوم لينان إلى حد ما. ثمة شيء مثير للاهتمام يتضح لنا عندما ننظر إلى درجات الانصهار. سأعرضها هنا بدرجة الكلفن.

البوتاسيوم درجة انصهاره منخفضة نسبيًّا عند 337 كلفن فقط. وتبدو درجة انصهار الكالسيوم أعلى من ذلك بكثير. ودرجة انصهار البوتاسيوم تساوي 64 درجة سلزية فقط. لكن درجة انصهار جميع هذه العناصر الانتقالية تتجاوز بكثير 1300 كلفن. ونرى أيضًا أن درجة الانصهار تنخفض مرة أخرى مع الزنك، حيث إن درجة انصهاره هي 693 كلفن فقط.

تصبح الاختلافات بين الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية أكثر إثارة عندما ننظر إلى خواصها الكيميائية. فعند إضافة البوتاسيوم أو الكالسيوم إلى الماء البارد، نرى تفاعلات سريعة شبه انفجارية. لكن لا يتفاعل أي فلز من الفلزات الانتقالية أو الزنك مباشرة مع الماء البارد. ويعتبر صدأ الحديد عملية منفصلة.

في الوقت نفسه، يتفاعل الكالسيوم والبوتاسيوم النقيان سريعًا مع الأكسجين المنتشر في الهواء. ولكن بالنسبة إلى بقية العناصر، يكون التفاعل بطيئًا ويتطلب حرارة بوجه عام. لكن الفارق الأهم يحدث عندما نستخدم حمضًا. فينفجر البوتاسيوم والكالسيوم، في حين تتفاعل الفلزات الانتقالية ببطء أو لا تتفاعل على الإطلاق في حالة النحاس.

وبالنظر إلى عدد حالات التأكسد الشائعة، نجد أن متوسطها في الفلزات الانتقالية أكبر بكثير من الفلزات القلوية أو الفلزات القلوية الترابية. ويمكننا أيضًا ملاحظة أن الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية أكثر تفاعلية إلى حد كبير من الفلزات الانتقالية. بعد كل هذا، أعتقد أن الوقت قد حان لبعض التدريب.

أي الاختيارات الآتية ليس من الفلزات الانتقالية؟ (أ) الذهب، (ب) الكوبالت، (ج) البوتاسيوم، (د) الروديوم، (هـ) الزركونيوم.

تعرف الفلزات الانتقالية بالعناصر الانتقالية أيضًا. وأين نجد العناصر؟ في الجدول الدوري. يلخص الجدول الدوري للعناصر العديد من المعلومات المختلفة حول العناصر، ومن ثم يمكننا رؤيتها كلها إجمالًا. والعناصر الموجودة في هذه المساحة الخضراء تعرف عمومًا بالفلزات الانتقالية. والفلزات التي يتحدث عنها معظم الأشخاص تقع ضمن المجموعات من الثالثة إلى الـ 11 من الجدول الدوري.

والآن لنر أي العناصر المذكورة في الاختيارات موجود بالفعل داخل المساحة المعنية. إذا نظرت جيدًا، فستجد الذهب في المجموعة الـ 11 والدورة السادسة. رمز الذهب هو ‪Au‬‏. يوجد الكوبالت، الذي رمزه ‪Co‬‏، في المجموعة التاسعة والدورة الرابعة. أما البوتاسيوم، الذي رمزه ‪K‬‏، فهو يوجد في الدورة الرابعة أيضًا، لكنه ينتمي إلى المجموعة الأولى. والروديوم، الذي رمزه ‪Rh‬‏، موجود أسفل الكوبالت في المجموعة التاسعة والدورة الخامسة. وأخيرًا، الزركونيوم يوجد في المجموعة الرابعة والدورة الخامسة.

يمكننا إزالة الفئة ‪f‬‏ لأنه لا يوجد أي عنصر داخلها. والعنصر الوحيد الذي لا يقع داخل المساحة المحددة هو البوتاسيوم. فهو ليس فلزًّا انتقاليًّا. البوتاسيوم، في الواقع، فلز قلوي تفاعلي ولين. إذن من بين العناصر الخمسة، العنصر الوحيد الذي لا يعد فلزًّا انتقاليًّا هو البوتاسيوم.

والآن لنلق نظرة على النقاط الرئيسية. توجد الفلزات أو العناصر الانتقالية في الفئتين ‪d‬‏ و‪f‬‏ من الجدول الدوري. وتلك الموجودة في الفئة ‪f‬‏ تعرف عمومًا باسم الفلزات الانتقالية الداخلية، ولا تكون مشمولة عندما نتحدث عمومًا عن الفلزات الانتقالية. وكما هو الحال مع العديد من الفلزات الأخرى، تكون الفلزات الانتقالية موصلة للكهرباء والحرارة ولامعة أو براقة في صورتها النقية. وهي أيضًا قوية وصلدة، وقابلة للطرق والسحب، وذات درجات انصهار عالية. وعادة ما تكون مركبات ملونة، ولها عادة حالات تأكسد شائعة متعددة، ما يعد أحد الأسباب التي تجعل هذه الفلزات عوامل حفازة جيدة جدًّا. وهي أيضًا أقل تفاعلية من الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية، والفلزات الانتقالية هي الأقل تفاعلية على الإطلاق بين جميع الفلزات.