Gli elementi di transizione

Gli elementi di transizione
A partire dal quarto periodo del Sistema Periodico, nella costruzione della configurazione elettronica
degli elementi, dopo il riempimento degli orbitali s del guscio di valenza e prima del riempimento degli
orbitali p, si verifica il riempimento degli orbitali d del guscio precedente. Se, ad esempio,
consideriamo le configurazioni elettroniche degli elementi del quarto periodo, notiamo che, dopo
potassio e calcio, inizia il riempimento degli orbitali 3d e che solo dopo il riempimento di tali orbitali
riprende, con il gallio (III gruppo), la collocazione di nuovi elettroni negli orbitali 4p:
Z = 19
Z = 20
K:
Ca:
1s2
1s2
2s2 2p6
2s2 2p6
3s2 3p6 3d0
3s2 3p6 3d0
4s1
4s2
Z = 21
Z = 22
Sc:
Ti:
1s2
1s2
2s2 2p6
2s2 2p6
3s2 3p6 3d1
3s2 3p6 3d2
4s2
4s2
Z = 29
Z = 30
Cu:
Zn:
1s2
1s2
2s2 2p6
2s2 2p6
3s2 3p6 3d10
3s2 3p6 3d10
4s1
4s2
Z = 31
Ga:
1s2
2s2 2p6
3s2 3p6 3d10
4s2 4p1
…
Da questa configurazione elettronica deriva che quasi tutti gli elementi di transizione presentano il
guscio di valenza con due elettroni; per questo motivo spesso formano composti in cui assumono
numero di ossidazione +2. Tuttavia, dopo la perdita dei due elettroni e la formazione dello ione Me2+
(ad esempio. Fe2+, Cr2+, V2+, ecc.) gli elettroni più esterni risultano essere quelli degli orbitali d. Questo
gruppo di orbitali non è però completamente occupato da elettroni (se si escludono Zn, Cd e Hg) e può
interagire in vari modi con gli orbitali di altri elementi, determinando la possibilità di assumere numeri
di ossidazione diversi.
• Nell’atomo del titanio neutro (Z = 22) la cui configurazione elettronica può essere così
schematizzata [Ar] 3d24s2 , sono presenti 2 elettroni negli orbitali 3d e due elettroni negli orbitali
4s;.la perdita di questi due ultimi elettroni porta alla formazione dello ione Ti2+ e i due elettroni
degli orbitali 3d risultano essere i più esterni; sono elettroni spaiati e, uno dopo l’altro, possono
essere facilmente ceduti con la formazione degli ioni Ti3+ e Ti4+. Lo ione Ti4+ è il più stabile perché
la sua configurazione elettronica è simile a quella del gas nobile argo.
• La configurazione elettronica dell’atomo del ferro neutro (Z = 26) può essere così schematizzata:
[Ar] 3d64s2 . Quando il ferro cede i due elettroni s dà origine allo ione Fe2+ . Nei 5 orbitali 3d sono
presenti sei elettroni quindi, 4 orbitali conterranno un solo elettrone, mentre una coppia di elettroni
sarà presente nel quinto orbitale:
↑↓
↑
↑
↑
↑
Negli orbitali d, la configurazione con 5 elettroni spaiati è particolarmente stabile; per questa
ragione l’atomo di ferro cede facilmente 1 elettrone d e dà origine allo ione Fe3+ , più stabile di Fe2+
per le ragioni accennate in precedenza.
• Per l’atomo del rame neutro (Z = 29) ci attenderemmo la seguente configurazione elettronica:
Cu:
1s2 2s2 2p6
3s2 3p6 3d9
4s2
cioè 9 elettroni negli orbitali 3d e 2 elettroni nell’orbitale 4s. Osservazioni sperimentali ci portano
invece a dedurre la seguente configurazione:
Cu:
1s2 2s2 2p6
3s2 3p6 3d10
4s1
con gli orbitali d completi e quindi stabili. Esistono comunque composti sia degli ioni Cu+ sia degli
ioni Cu2+.
Gli elementi di transizione sono quelli che, nel linguaggio comune, sono maggiormente associati al
termine “metallo” per le loro caratteristiche: lucentezza, conducibilità elettrica e termica, in genere alti
punti di fusione, anche se uno di essi, il mercurio, Hg, è liquido.
Alcuni elementi di transizione esibiscono un comportamento semimetallico (intermedio tra quello dei
metalli e quello dei non metalli): quando gli elementi di transizione assumono numeri di ossidazione
bassi manifestano proprietà metalliche, mentre quando assumono numeri di ossidazione alti si
comportano da non metalli;
Vediamo, ad esempio, il caso del manganese (II) e del manganese (VII).
Il manganese, quando ha numero di ossidazione + 2, ha proprietà metalliche:
forma ossidi metallici che con l’acqua formano idrossidi
2 Mn + O2 → 2 MnO
→
MnO + H2O
Mn(OH)2
idrossido di Mn (II)
L’idrossido di manganese, a sua volta, può formare sali con i diversi acidi, ad esempio:
Mn(OH)2 + H2SO4 → MnSO4 + 2 H2O
Il manganese, quando possiede numero di ossidazione +7, ha le proprietà di un non-metallo:
forma ossidi che si comportano come le anidridi dei non metalli formando ossiacidi con l’acqua.
4 Mn + 7 O2
→
2 Mn2O7
anidride permanganica
Mn2O7 + H2O
→
2 HMnO4
acido permanganico
L’acido permanganico può formare sali con gli idrossidi, detti permanganati; il più comune, il
permanganato di potassio, deriva dalla reazione con l’idrossido di potassio:
HMnO4 + KOH →
KMnO4 + H2O
permanganato di potassio
Il permanganato di potassio è un solido di colore violetto che si scioglie in acqua colorando
intensamente la soluzione di rosso violetto; è un energico ossidante che trova numerosi impieghi sia
nell’industria che nei laboratori chimici.
Un comportamento simile si trova nel cromo: nello stato con numero di ossidazione +6, Cr (VI), forma
un ossido, CrO3, che in acqua da origine agli ioni negativi cromato, CrO42-, e dicromato, Cr2O72 .
Questi ioni danno origine a sali di potassio, K2CrO4, cromato di potassio, K2Cr2O7, dicromato di
potassio anch’essi utilizzati come reagenti ossidanti.
Attualmente si a limitare l’uso dei composti del cromo esavalente a causa della loro elevata tossicità.
I metalli di transizione si trovano in natura come elementi costitutivi di numerosi minerali, importanti
sia dal punto di vista naturalistico che economico. Solo alcuni, in particolare, platino, Pt, oro Au, e
argento, Ag, si trovano in natura già allo stato metallico : si tratta di elementi i cui atomi presentano
una relativa resistenza ad ossidarsi e quindi a formare ioni positivi e composti con altri elementi; per
tale caratteristica sono chiamati “metalli nobili”.
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Nel sesto periodo del Sistema Periodico il riempimento degli orbitali 5d è preceduto dal riempimento
degli orbitali 4f (controlla il diagramma energetico degli orbitali al Capitolo 10). Poiché gli orbitali f
sono 7, i 10 elementi di transizione del sesto periodo sono preceduti da una serie di 14 elementi,
chiamati terre rare o lantanidi dal nome dell’elemento che precede la serie, il lantanio, La. Anche i
lantanidi presentano 2 elettroni nel guscio più esterno e quindi hanno un comportamento metallico e
generalmente formano composti con numero di ossidazione +2, anche se molti tra essi presentano
anche altri numeri di ossidazione.
Gli elementi delle terre rare manifestano le stesse proprietà degli elementi di transizione, data la
sostanziale analogia nella struttura elettronica.
Al settimo periodo il fenomeno si ripete e il riempimento degli orbitali 6d è preceduto dal riempimento
degli orbitali 5f con la formazione della serie degli attinidi, dal nome dell’elemento l’attinio, Ac, da
cui la serie ha origine.
ELEMENTO
Titanio Ti
Vanadio V
Cromo Cr
Manganese Mn
Ferro Fe
Cobalto Co
Nichel Ni
Rame Cu
Zinco Zn
Palladio Pd
Argento Ag
TungstenoW
Platino Pt
Oro Au
Mercurio Hg
Caratteristiche di alcuni metalli di transizione
numero
massa
Punto di
Punto di
atomico
atomica
fusione (°C)
ebollizione
(u)
(°C)
22
47,880
1660
3287
23
50,942
1890
3380
24
51,996
1857
2672
25
54,938
1244
1962
26
55,847
1535
2750
27
58,933
1495
2870
28
58,693
1453
2732
29
63,546
1083,4
2567
30
65,390
419,6
907
46
106,420
1554
2970
47
107,868
962
2212
74
183,840
3410
5660
78
195,080
1772
3827
79
197,967
1064,4
3080
80
200,590
- 38,842
356,58
Densità
(kg/dm3)
4,54
6,11
7,18
7,21
7,874
8,9
8,902
8,96
7,133
12,02
10,5
19,3
21,45
19,3
13,546
APPROFONDIMENTO
Le leghe metalliche
Con il termine “lega” si intende la mescolanza di due o più metalli con la formazione di un nuovo
materiale metallico che presenta proprietà diverse da quelle dei componenti di partenza
Il metallo presente in maggior quantità viene chiamato “metallo base”, mentre quelli presenti in
quantità inferiori vengono chiamati “alligati”; questi ultimi possono essere anche non metalli; in
questo caso il materiale ottenuto si definisce “lega” se presenta proprietà metalliche. Dal punto di vista
chimico una lega non è un composto ma un miscuglio di vari metalli, presenti in quantità variabili;
La composizione di una lega non viene quindi espressa con una formula chimica ma con le percentuali
dei vari elementi che la costituiscono.
Leghe del rame
Sono tra le più note. In particolare:
- Bronzi:
sono leghe del rame con lo stagno, ed eventualmente altri alligati in quantità inferiori; in genere la
quantità di stagno non è superiore al 30%; quantità superiori rendono la lega troppo fragile.
Il bronzo ha avuto una grande importanza nella storia umana: nell’età del bronzo, nel secondo e terzo
millennio a.C. è stato il materiale metallico più utilizzato. Tra i suoi numerosi impieghi ricordiamo la
fabbricazione delle campane: una lega con un contenuto di stagno intorno al 20% presenta
caratteristiche ottimale di robustezza e sonorità.
- Ottoni:
sono leghe del rame con lo zinco, in genere presente in quantità non superiore al 35%; tra i numerosi
impieghi ricordiamo gli strumenti musicali a fiato.
Leghe ferro-carbonio
Sono un esempio di leghe in cui l’alligato è un non metallo: si distinguono in ghise ed acciai.
Nell’acciaio il contenuto di carbonio è inferiore al 2%, mentre nella ghisa la quantità di carbonio è
superiore a tale percentuale: in teoria la quantità massima di carbonio dovrebbe essere del 6,7%, anche
se difficilmente si raggiunge il 4%. Le ghise sono molto dure ma molto fragili; gli acciai sono più
duttili e malleabili e presentano una grande resistenza agli urti e agli sforzi di trazione. Spesso alla lega
ferro-carbonio si addizionano altri alligati, come nell’acciaio inossidabile (acciaio inox) in cui si
aggiungono significative quantità di nichel e di cromo; una tipica composizione è quella dell’acciaio 18
– 8: 18% di cromo e 8% di nichel.
Amalgame
Sono leghe in cui è presente il mercurio; se la quantità di mercurio è grande, la lega si presenta a
temperatura ambiente allo stato liquido; se la percentuale di mercurio è bassa, la lega è solida. Tra i vari
utilizzi delle amalgame è molto discusso quello nelle otturazioni dentarie: spesso per otturare le carie si
utilizza un’ amalgama contenente oltre al mercurio, argento, stagno e rame, che può essere pericolosa a
causa della grande tossicità del mercurio.