Metal de transición
Keywords: Metal de transición, Actínido, Aleación, Argón, Calor, Canje magnético, Catalizador, Catión, Circonio
Los elementos de transición (o metales de transición) se definen químicamente de la siguiente manera: elementos que forman, al menos, un ión que tenga un orbital d parcialmente lleno de electrones. Los lantánidos y actínidos, en los cuales se comienza a llenar un orbital f suelen también ser considerados de transición.
De estos elementos, a aquéllos que se encuentran en el bloque d se les suele llamar elementos de transición externa, o más frecuentemente sólo elementos de transición, y a los del bloque f, elementos de transición interna.
Por lo tanto, los elementos de transición son los del bloque d y los del bloque f (es decir, los situados en la tabla periódica de los elementos entre los bloques s y p), pero con algunas excepciones.
A veces se emplean otras definiciones menos estrictas, puesto que se intentan agrupar según sus propiedades físicas y químicas, por lo que la clasificación puede variar y, además, en algunos textos se considera que los elementos de transición son los del bloque d. En cualquier caso, es frecuente dividirlos de la siguiente forma:
- Elementos de transición externa (es más frecuente llamarlos sólo elementos de transición)
- Elementos de transición interna
Las propiedades químicas de un elemento dependen en gran medida de cómo estén ocupados por los electrones los niveles de energía más externos. Por esto, los elementos de transición presentan cierto parecido entre sí, aunque se diferencian de los lantánidos y de los actínidos.
Véase lantánidos y actínidos
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Configuración electrónica
Los elementos de la primera serie de transición podrían tener las siguientes configuraciones electrónicas:
- 3dn
- 3dn-14s1
- 3dn-24s2
Siendo n el número del grupo en el que están situados. Conforme se avanza en el periodo se añade un electrón en la configuración electrónica, que se coloca donde energéticamente sea más favorable. Todos los de la primera serie de transición tienen una configuración electrónica de 3dn-24s2, es decir, llenan antes los orbitales s que los d, excepto el cromo y el cobre, con la configuración electrónica de 3dn-14s1, siendo más favorable semiocupar los orbitales.
De forma similar, se conocen las configuraciones electrónicas de los elementos del resto de series de transición, así como las de los cationes. En algunos casos son iguales y en otros difieren incluso dentro del mismo grupo, pero se ha observado que, en cuanto al comportamiento químico, es más importante el número total de electrones que se encuentran en los niveles externos, que si se encuentran en un orbital s o d.
En los lantánidos se va llenando el nivel 4f, mientras que en los actínidos puede haber electrones en el 5f, en el 6f, o en ambos.
Según la definición inicial, por ejemplo, ni el zinc ni el escandio son elementos de transición, aunque estén dentro del bloque d. El zinc sólo puede formar el ión Zn2+, por lo que su orbital d está totalmente lleno con diez electrones: pasa de tener una configuración electrónica de [Ar]3d104s2 a una de [Ar]3d10. Mientras, el escandio sólo forma el ión Sc3+, con lo cual no tiene nigún electrón que ocupe ningún orbital d: pasa de tener como configuración electrónica [Ar]3d14s2 a tener la configuración electrónica del argón por perder tres electrones. Lo mismo sucede con otros elementos.
Propiedades generales
- Casi todos son metales duros de alto punto de fusión y ebullición, y conducen bien el calor y la electricidad.
- Pueden formar aleaciones entre ellos.
- Presentan estados de oxidación muy variados.
- Es frecuente que formen compuestos de coordinación con diferentes índices de coordinación.
- El número de electrones en los orbitales d es variable; es frecuente que los complejos que formen sean coloreados o presenten paramagnetismo.
- La mayoría tienen potenciales redox negativos, por lo que se pueden disolver en ácidos, aunque muchos se pasivan, recubriéndose de una capa protectora, y no se disuelven. Algunos tienen potenciales positivos (conforme nos movemos hacia la derecha de la tabla y hacia abajo), como por ejemplo el oro.
Estados de oxidación
Los elementos de transición presentan normalmente un rango más amplio de estados de oxidación que otros grupos. Por ejemplo, el manganeso, puede presentar los estados de oxidación desde -3 a +7, siendo cinco de estos relativamente comunes. Mientras, los elementos del grupo 1 no suelen perder más que un electrón, los del grupo 2 lo normal es que pierdan dos electrones, etc.
Esto se puede apreciar en los valores de los potenciales de ionización de cada elemento. En los elementos de transición los electrones en los orbitales d y s más externos están bastante próximos en energía, y se puede encontrar a estos elementos en estados de oxidación más altos.
Los estados de oxidación que presentan son muy variables. Observando los elementos del primer periodo se observan estas tendencias:
- El máximo estado de oxidación que se puede alcanzar va aumentando conforme se avanza en la tabla, siendo máximo en el manganeso, y a partir de éste baja.
- Los estados de oxidación bajos (+2, +3) se pueden encontrar fácilmente como iones simples, mientras que los estados de oxidación más altos se encuentran en compuestos con átomos electronegativos, especialmente con ligandos oxo, O2-, o fluoruro, F-) (dadores σ y π). Se pueden encontrar estados de oxidación formalmente negativos o cero en compuestos con ligandos que retiren densidad electrónica del metal (es decir, que sean aceptores π), como el CO, la bipiridina, etc.
También se pueden sacar conclusiones sobre la estabilidad de los estados de oxidación:
- Los estados de oxidación más estables suelen estar entre +2 y +4.
- Los estados de oxidación más altos suelen ser oxidantes enérgicos, por lo que tienden a reducirse, mientras que los más bajos suelen ser reductores, tendiendo a oxidarse.
Actividad catalítica
Los metales de transición se utilizan ampliamente como catalizadores, tanto homogéneos como heterogéneos. Por ejemplo, el hierro se utiliza para catalizar el proceso de Haber (para la síntesis de amoniaco), el níquel o el platino se utilizan para la hidrogenación de alquenos, etc.
Color
Debido a su estructura, los metales de transición presentan numerosos iones y complejos coloreados. El color puede cambiar entre diferentes compuestos de un mismo elemento, por ejemplo el manganeso en estado de oxidación 7, MnO4-, es púrpura, mientras que el ión Mn2+ es rosa pálido.
En un complejo, formado por el metal de transición con varios ligandos, los niveles de los orbitales d no se encuentran todos en la misma energía, debido al efecto que ejercen esos ligandos. Por lo tanto, hay unos niveles a más energía y otros a menor energía. Si se irradia con radiación electromagética de frecuencia adecuada, ésta es absorbida, provocando que un electrón en un nivel bajo en energía pase a uno más alto. Según la diferencia existente entre los niveles de energía, que dependerá del complejo que se trate, se absorberá una frecuencia u otra, y por lo tanto se observa un color u otro.
El color del complejo depende de:
- La naturaleza del ión metálico, concretamente del número de electrones en los orbitales d.
- La disposición en el espacio en torno al ión metálico de los ligandos (por ejemplo, los isómeros geométricos pueden presentar colores diferentes).
- La naturaleza de los ligandos.
Los complejos formados por el zinc, que no es estrictamente un elemento de transición, son incoloros, pues los orbitales 3d están totalmente llenos y los electrones no pueden pasar a otros niveles energéticos.
Magnetismo
Los metales de transición presentan una magnetoquímica muy rica, tanto en sus complejos mono- y polinucleares como en sus estructuras cristalinas extendidas. La mayoría de los materiales magnéticos están basados en metales de transición (salvo algunos radicales orgánicos).
El magnetismo en estos metales tiene el mismo origen que su color: los orbitales d. De forma análoga, los comportamientos varían entre el diamagnetismo y fuerte ferromagnetismo (generalmente, por interacciones de canje magnético), con una plétora de situaciones intermedias o alternativas.