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 K: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 1 Z = 20 Ca: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 2 Z = 21 Sc: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 Z = 22 Ti: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 Z = 29 Cu: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 Z = 30 Zn: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 Z = 31 Ga: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1

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 Me 2+ (ad esempio. Fe 2+, Cr 2+, V 2+, 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] 3d 2 4s 2, 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 Ti 2+ 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 Ti 3+ e Ti 4+. Lo ione Ti 4+ 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] 3d 6 4s 2. Quando il ferro cede i due elettroni s dà origine allo ione Fe 2+. 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 Fe 3+, più stabile di Fe 2+ per le ragioni accennate in precedenza. Per l atomo del rame neutro (Z = 29) ci attenderemmo la seguente configurazione elettronica: Cu: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 9 4s 2 cioè 9 elettroni negli orbitali 3d e 2 elettroni nell orbitale 4s. Osservazioni sperimentali ci portano invece a dedurre la seguente configurazione: Cu: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 con gli orbitali d completi e quindi stabili. Esistono comunque composti sia degli ioni Cu + sia degli ioni Cu 2+.

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 + O 2 2 MnO MnO + H 2 O 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 + H 2 SO 4 MnSO 4 + 2 H 2 O 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 O 2 2 Mn 2 O 7 anidride permanganica Mn 2 O 7 + H 2 O 2 HMnO 4 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: HMnO 4 + KOH KMnO 4 + H 2 O 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.

QuickTime e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. Un comportamento simile si trova nel cromo: nello stato con numero di ossidazione +6, Cr (VI), forma un ossido, CrO 3, che in acqua da origine agli ioni negativi cromato, CrO 4 2-, e dicromato, Cr 2 O 7 2. Questi ioni danno origine a sali di potassio, K 2 CrO 4, cromato di potassio, K 2 Cr 2 O 7, 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. 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 Caratteristiche di alcuni metalli di transizione massa Punto di atomica fusione ( C) (u) numero atomico Punto di ebollizione ( C) Densità (kg/dm 3 ) Titanio Ti 22 47,880 1660 3287 4,54 Vanadio V 23 50,942 1890 3380 6,11 Cromo Cr 24 51,996 1857 2672 7,18 Manganese Mn 25 54,938 1244 1962 7,21 Ferro Fe 26 55,847 1535 2750 7,874 Cobalto Co 27 58,933 1495 2870 8,9 Nichel Ni 28 58,693 1453 2732 8,902 Rame Cu 29 63,546 1083,4 2567 8,96 Zinco Zn 30 65,390 419,6 907 7,133 Palladio Pd 46 106,420 1554 2970 12,02 Argento Ag 47 107,868 962 2212 10,5 TungstenoW 74 183,840 3410 5660 19,3 Platino Pt 78 195,080 1772 3827 21,45 Oro Au 79 197,967 1064,4 3080 19,3 Mercurio Hg 80 200,590-38,842 356,58 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.