Metale przejściowe
Metale przejściowe to najliczniejsza rodzina układu okresowego — w tym zestawieniu jest ich trzydzieści cztery. Zajmują cały środek tablicy, czyli blok d: dziesięć kolumn od grupy trzeciej do dwunastej, w okresach od czwartego do siódmego. Znajdziemy tu pierwiastki, na których stoi codzienność: żelazo, miedź, cynk, chrom, nikiel, srebro, złoto i platynę, a obok nich rzadziej spotykane skand, ren czy osm. Łączy je budowa atomu. Elektrony zapełniają w nich podpowłokę d, ukrytą pod zewnętrzną powłoką, i to właśnie ta niedokończona podpowłoka odpowiada za trzy cechy, po których poznaje się całą grupę: zmienne stopnie utlenienia, barwne związki i zdolność przyspieszania reakcji chemicznych. Ostatnie pozycje, od ruterfordu do hasu, to pierwiastki sztuczne, otrzymywane w akceleratorach po kilka atomów naraz.
Pierwiastki należące do grupy: Metale przejściowe
| Z | Pierwiastek | Symbol | Masa | Wartościowość | Opis |
|---|---|---|---|---|---|
| 21 | Skand | Sc | 44,956 u | III | Dodatek do stopów glinu w ramach rowerowych i częściach lotniczych — drogi, ale usztywnia. |
| 22 | Tytan | Ti | 47,867 u | IV | Implanty i turbiny odrzutowe; jego biały tlenek jest pigmentem prawie każdej białej farby. |
| 23 | Wanad | V | 50,942 u | III, V | Domieszka stali na narzędzia i sprężyny; jego roztwory zmieniają barwę jak wskaźnik. |
| 24 | Chrom | Cr | 51,996 u | II, III, VI | Lustrzana warstwa na klamkach i to, co czyni stal nierdzewną nierdzewną. |
| 25 | Mangan | Mn | 54,938 u | II, IV, VII | Twardzi szyny kolejowe i siedzi w każdej zwykłej baterii cynkowo-węglowej. |
| 26 | Żelazo | Fe | 55,845 u | II, III | Stal całej cywilizacji, a w hemoglobinie powód, że krew jest czerwona. |
| 27 | Kobalt | Co | 58,933 u | II, III | Głęboki błękit dawnej porcelany i katoda w akumulatorach samochodów elektrycznych. |
| 28 | Nikiel | Ni | 58,693 u | II, III | Monety, stal nierdzewna i katalizatory uwodorniania tłuszczów. |
| 29 | Miedź | Cu | 63,546 u | I, II | Prąd w domu płynie jej żyłami; na dachach zielenieje w patynę. |
| 30 | Cynk | Zn | 65,38 u | II | Poświęca się, żeby blacha nie rdzewiała — to on jest w ocynku. |
| 39 | Itr | Y | 88,906 u | III | Serce laserów YAG i nadprzewodników wysokotemperaturowych. |
| 40 | Cyrkon | Zr | 91,224 u | IV | Koszulki paliwowe w reaktorach i ceramiczne noże, które długo trzymają ostrość. |
| 41 | Niob | Nb | 92,906 u | III, V | Z cyną tworzy nadprzewodnik uzwojeń w tomografach i akceleratorach. |
| 42 | Molibden | Mo | 95,95 u | IV, VI | Trzyma wytrzymałość stali w wysokiej temperaturze; jego siarczek smaruje tam, gdzie olej się spali. |
| 43 | Technet | Tc | 98 u | IV, VII | Pierwszy pierwiastek zrobiony przez człowieka; dziś rozświetla badania scyntygraficzne. |
| 44 | Ruten | Ru | 101,07 u | III, IV | Cienka warstwa na stykach elektrycznych i katalizator w syntezie amoniaku. |
| 45 | Rod | Rh | 102,91 u | III | Najdroższy metal katalizatorów samochodowych — rozkłada tlenki azotu ze spalin. |
| 46 | Pallad | Pd | 106,42 u | II, IV | Chłonie wodór jak gąbka i czyści spaliny w milionach samochodów. |
| 47 | Srebro | Ag | 107,87 u | I | Najlepszy przewodnik prądu w całej tablicy; kiedyś zapisywało fotografie, dziś ściany paneli słonecznych. |
| 48 | Kadm | Cd | 112,41 u | II | Dawne akumulatory Ni-Cd i żółte pigmenty malarzy; toksyczny, więc wycofywany. |
| 72 | Hafn | Hf | 178,49 u | IV | Pręty regulacyjne reaktorów i izolator bramki w nowoczesnych tranzystorach. |
| 73 | Tantal | Ta | 180,95 u | V | Maleńkie kondensatory w każdym telefonie; obojętny dla ciała, więc też implanty. |
| 74 | Wolfram | W | 183,84 u | IV, VI | Topi się najtrudniej z metali — dlatego żarzył się w żarówkach, a dziś wierci w postaci węglika. |
| 75 | Ren | Re | 186,21 u | IV, VII | Łopatki turbin odrzutowych wytrzymują dzięki niemu temperatury bliskie topnienia. |
| 76 | Osm | Os | 190,23 u | IV, VIII | Najgęstszy pierwiastek — łyżka waży jak pełna szklanka wody; końcówki wiecznych piór. |
| 77 | Iryd | Ir | 192,22 u | III, IV | Najbardziej odporny na korozję metal; jego warstwa w skałach zdradziła upadek meteorytu, który wykończył dinozaury. |
| 78 | Platyna | Pt | 195,08 u | II, IV | Biżuteria, katalizatory i leki przeciwnowotworowe z cisplatyną. |
| 79 | Złoto | Au | 196,97 u | I, III | Nie matowieje przez tysiąclecia — dlatego skarby i styki w elektronice. |
| 80 | Rtęć | Hg | 200,59 u | I, II | Jedyny metal ciekły w pokoju; mierzyła gorączkę, dopóki nie wygrała jej toksyczność. |
| 104 | Ruterford | Rf | 267 u | IV | Pierwszy transaktynowiec; najtrwalszy izotop żyje kilka godzin i istnieje tylko w laboratorium. |
| 105 | Dubn | Db | 268 u | V | Nosi imię rosyjskiego miasta, w którym zderza się jądra atomów. |
| 106 | Seaborg | Sg | 269 u | VI | Jedyny pierwiastek nazwany za życia swojego współtwórcy. |
| 107 | Bohr | Bh | 270 u | VII | Otrzymano go w liczbie kilkudziesięciu atomów, a i tak zmierzono jego chemię. |
| 108 | Has | Hs | 269 u | VIII | Jego lotny tlenek zachowuje się jak osmowy — dowód, że układ okresowy działa i tu. |
Właściwości — Metale przejściowe
Wszystkie są metalami: przewodzą prąd i ciepło, mają metaliczny połysk i dają się kuć. W porównaniu z metalami z dwóch pierwszych grup są twardsze, gęstsze i topią się w znacznie wyższych temperaturach. Rozpiętość wewnątrz grupy jest jednak ogromna. Wolfram topi się dopiero w 3422 stopniach Celsjusza, a rtęć w −38,83 — jako jedyny metal jest w pokojowej temperaturze cieczą. Cynk topi się już przy 419,53 stopnia, a kadm przy 321,07. Osm o gęstości 22,59 i iryd z 22,56 grama na centymetr sześcienny to najgęstsze pierwiastki tablicy, a skand ma zaledwie 2,985. Elektroujemności mieszczą się w niezbyt szerokim przedziale, od 1,22 u itru do 2,54 u złota, i po części tłumaczy to, czemu złoto nie matowieje, a żelazo rdzewieje. Najważniejsza cecha chemiczna to zmienne stopnie utlenienia. Biorą się stąd, że elektrony z podpowłoki d mają energię bardzo zbliżoną do elektronów z ostatniej powłoki, więc atom może oddać ich różną liczbę. Mangan tworzy związki na stopniach II, IV i VII, chrom na II, III i VI, a żelazo na II i III.
Zastosowanie — gdzie spotykamy te pierwiastki
Bez tej grupy nie byłoby przemysłu. Żelazo z domieszkami chromu, niklu, manganu, wanadu, molibdenu i wolframu daje wszystkie odmiany stali, od nierdzewnej po narzędziową. Miedź prowadzi prąd w każdej instalacji domowej, srebro jest najlepszym przewodnikiem w całej tablicy, a złoto pokrywa styki, które nie mogą się utlenić. Platyna, pallad i rod pracują w katalizatorach samochodowych, gdzie rozkładają szkodliwe składniki spalin. Tytan trafia do implantów i turbin odrzutowych, a jego biały tlenek do farb. Cynk chroni blachę w ocynku, kobalt i nikiel siedzą w akumulatorach, tantal w miniaturowych kondensatorach telefonów, cyrkon w koszulkach paliwowych reaktorów, a wolfram w wiertłach i dawnych żarówkach. Technet, choć sztuczny i promieniotwórczy, służy w badaniach scyntygraficznych serca i tarczycy. Rtęć wycofano ze zwykłych termometrów ze względu na toksyczność.
Metale przejściowe w szkole — co trzeba wiedzieć
Na sprawdzianie liczą się trzy rzeczy: położenie, stopnie utlenienia i barwy. Metale przejściowe to blok d, grupy od trzeciej do dwunastej — lantanowce i aktynowce leżą w bloku f i nie zalicza się ich tutaj. Zmienne stopnie utlenienia trzeba umieć podać z pamięci przynajmniej dla żelaza (II i III), miedzi (I i II), manganu (II, IV i VII) oraz chromu (II, III i VI). Barwa związków bierze się z częściowo zapełnionej podpowłoki d i stąd prosta reguła: jeśli podpowłoka d jest pusta albo zapełniona do końca, związek jest bezbarwny. Dlatego roztwory soli cynku i kadmu są bezbarwne, a siarczan miedzi niebieski, manganian(VII) potasu fioletowy, dichromian(VI) potasu pomarańczowy. Najczęstszy błąd to założenie, że każdy metal przejściowy ma zmienne stopnie utlenienia — cynk występuje tylko na II, a skand tylko na III. Drugi błąd: słowo „przejściowy” nie znaczy „pośredni między metalem a niemetalem”. To są w pełni metale.
Najczęstsze pytania — Metale przejściowe
Ile jest metali przejściowych?
W tym zestawieniu jest ich trzydzieści cztery i są to wszystkie pierwiastki bloku d, od skandu po has. Liczba bywa podawana różnie, bo część podręczników wyłącza z grupy cynk, kadm i rtęć — mają one podpowłokę d zapełnioną do końca i nie zachowują się jak reszta rodziny. Na sprawdzianie warto trzymać się definicji ze swojego podręcznika.
Dlaczego związki metali przejściowych są kolorowe?
Bo mają częściowo zapełnioną podpowłokę d. Cząsteczki i jony otaczające metal rozsuwają poziomy energetyczne elektronów d na tyle nieznacznie, że do przeskoku między nimi wystarcza energia światła widzialnego. Jon pochłania jedną barwę, a my widzimy pozostałe. Gdy podpowłoka d jest pusta albo pełna, nie ma między czym przeskakiwać i związek jest bezbarwny.
Czy cynk jest metalem przejściowym?
To zależy od przyjętej definicji. Cynk leży w bloku d, w dwunastej grupie, więc w szerokim ujęciu tak i tak jest liczony w tym zestawieniu. W ujęciu węższym nie, bo w swoich związkach ma podpowłokę d zapełnioną do końca, występuje wyłącznie na stopniu II, a jego związki są bezbarwne. To samo dotyczy kadmu i rtęci.
Dlaczego metale przejściowe mają zmienne stopnie utlenienia?
Elektrony z podpowłoki d i z zewnętrznej powłoki mają zbliżone energie, więc atom oddaje je z podobną łatwością. W zależności od tego, z czym reaguje, może oddać dwa, trzy albo więcej elektronów i za każdym razem powstaje inny związek. Dlatego żelazo tworzy związki na stopniach II i III, a mangan aż na II, IV i VII.
← Wszystkie grupy · Układ okresowy · Układ okresowy do druku