الفلزات الانتقالية: كيف تصنع مدارات d اللون والحفز

يضم القسم الأوسط العريض من الجدول الدوري، المجموعات من 3 إلى 12، العناصر التي تُسمى عادة الفلزات الانتقالية. فالجسور الفولاذية وأسلاك النحاس وخواتم الذهب ومفاصل الورك التيتانيومية كلها تأتي من هنا، ومعظم ما يتخيله الناس حين يسمعون كلمة «فلز» يعيش في هذه الفئة. وما تشترك فيه هذه العناصر أن ذراتها في منتصف ملء مجموعة من مدارات d.

ما الذي يُعد فلزًا انتقاليًا

يعرّف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية العنصر الانتقالي بأنه العنصر الذي تحتوي ذرته على مستوى فرعي d غير مكتمل، أو الذي يستطيع تكوين أيونات موجبة بمستوى فرعي d غير مكتمل. وإذا طُبّق هذا التعريف بصرامة فإنه يستبعد الزنك والكادميوم والزئبق في المجموعة 12، التي تكون مستوياتها الفرعية d ممتلئة بعشرة إلكترونات في الذرة وفي أيوناتها الشائعة كليهما. ولهذا تميز بعض الكتب بين «عناصر الفئة d» (المجموعات من 3 إلى 12 كلها) و«الفلزات الانتقالية» (المجموعة الأضيق). ويتناول هذا الدليل الفئة كلها تيسيرًا، ويشير إلى الفرق حيث يهم.

يعود الاسم إلى الأيام الأولى للجدول الدوري، حين نُظر إلى هذه العناصر بوصفها جسرًا، أي انتقالًا، بين عناصر المجموعات الرئيسية على جانبيها.

كيف تمتلئ مدارات d

في الدورة 4 تملأ الإلكترونات أولًا المدار 4s، ثم تبدأ، ابتداءً من السكانديوم، بملء مدارات 3d في الغلاف الذي تحته. فالسكانديوم [Ar]3d¹4s²، والحديد [Ar]3d⁶4s²، والزنك [Ar]3d¹⁰4s². وتملأ الدورة 5 المدارات 4d، والدورتان 6 و7 المدارات 5d و6d.

هناك خمسة مدارات d تتسع لعشرة إلكترونات على الأكثر، ولهذا تضم الفئة d في كل دورة عشرة عناصر. وينعكس الترتيب عند تكوين الأيونات: فالفلز الانتقالي يفقد إلكترونات 4s الخارجية قبل أي إلكترون من 3d. لذا فـFe²⁺ هو [Ar]3d⁶، لا [Ar]3d⁴4s².

لبعض العناصر، ولا سيما الكروم ([Ar]3d⁵4s¹) والنحاس ([Ar]3d¹⁰4s¹)، توزيعات تخالف ترتيب الامتلاء البسيط. والتفسير المعتاد أن المستوى الفرعي d النصف ممتلئ أو الممتلئ تمامًا مفضل طاقيًا. ويتناول دليل التوزيع الإلكتروني هذه الاستثناءات بالتفصيل.

حالات أكسدة كثيرة

تُظهر فلزات المجموعتين 1 و2 دائمًا تقريبًا حالة أكسدة واحدة، +1 أو +2. أما الفلزات الانتقالية فتُظهر عدة حالات. فلأن طاقتي 4s و3d متقاربتان، يتفاوت عدد الإلكترونات التي يمكن نزعها بحسب المحيط الكيميائي.

المنغنيز مثال كلاسيكي، إذ تمتد حالات أكسدته الشائعة من +2 إلى +7.

ويتنقل الحديد بين +2 (الحديد الثنائي) و+3 (الحديد الثلاثي). ويعتمد نقل الهيموغلوبين للأكسجين وصدأ الفولاذ كلاهما على تغيرات حالة أكسدة الحديد. وهذه القدرة على تبديل حالات الأكسدة بسهولة هي أيضًا أساس النشاط الحفزي، الموصوف أدناه.

المعقدات واللون

تكوّن أيونات الفلزات الانتقالية بسهولة معقدات تناسقية، فتحيط نفسها بجزيئات أو أيونات تحمل أزواجًا منفردة من الإلكترونات، مثل الماء أو الأمونيا أو الكلوريد. وتُسمى هذه الأنواع المحيطة ليغندات (مرتبطات). ويمنح كل ليغند زوجًا من الإلكترونات لأيون الفلز، مكوّنًا رابطة تناسقية. وقد استنبط الكيميائي السويسري ألفريد فيرنر بنية هذه المركبات ونال جائزة نوبل في الكيمياء عام 1913.

يأتي لون المعقدات من انشقاق مدارات d. ففي الذرة المعزولة تكون مدارات d الخمسة متساوية الطاقة. وحين تقترب الليغندات، ترتفع طاقة المدارات المتجهة نحوها وتنخفض طاقة البقية، فتنقسم المجموعة إلى فئتين عليا ودنيا. ويستطيع إلكترون في مدار أدنى أن يمتص ضوءًا مرئيًا ذا طاقة معينة فيقفز إلى مدار أعلى. ونحن نرى الضوء المتبقي، أي اللون المتمم.

• زرقة محلول كبريتات النحاس(II): يمتص أيون النحاس الضوء البرتقالي والأحمر.
• حمرة الياقوت: آثار من أيونات الكروم في بلورة من أكسيد الألومنيوم.
• خضرة الزمرد: أيونات الكروم مرة أخرى، والفاناديوم في بعض الأحجار.

تغيير الليغندات يغيّر حجم فجوة الطاقة، ومن ثم اللون. فإضافة الأمونيا إلى محلول كبريتات النحاس الأزرق تحوّله إلى أزرق ملكي عميق. أما الأيونات ذات مدارات d الفارغة (Sc³⁺ وTi⁴⁺) أو الممتلئة تمامًا (Zn²⁺) فلا تستطيع إجراء هذه الانتقالات، وتكون عادة عديمة اللون، ولهذا تكون مركبات الزنك بيضاء عادة.

الفلزات الانتقالية حفّازاتٍ

كثير من أهم الحفّازات الصناعية فلزات انتقالية أو مركباتها. فهي تستطيع تبادل الإلكترونات بتبديل حالة الأكسدة، وتستطيع أسطحها امتزاز الجزيئات وإضعاف روابطها.

• الحديد: عملية هابر-بوش، التي تصنع الأمونيا من النيتروجين والهيدروجين. والأسمدة المنتجة بهذه الطريقة تدعم حصة كبيرة من الإمداد الغذائي في العالم.
• الفاناديوم: يحفّز أكسيد الفاناديوم(V) طريقة التلامس لصنع حمض الكبريتيك.
• النيكل: هدرجة الزيوت النباتية، المستخدمة لصنع السمن النباتي ودهون صلبة أخرى.
• البلاتين والبلاديوم والروديوم: المحولات الحفزية في عوادم السيارات، التي تحوّل أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة وأكاسيد النيتروجين إلى غازات أقل ضررًا.
• الكوبالت والروديوم: طيف واسع من الحفّازات المتجانسة في التخليق العضوي.

والكائنات الحية تستخدم الفلزات الانتقالية حفّازاتٍ أيضًا. فالحديد والنحاس والزنك والموليبدنوم في المواقع النشطة للإنزيمات تقود تفاعلات رئيسية في التنفس والتمثيل الضوئي وتثبيت النيتروجين.

فلزات انتقالية بارزة

• الحديد (Fe): رابع أوفر العناصر في القشرة الأرضية والمكوّن الرئيسي للفولاذ. وقليلة هي المواد التي شكّلت الحضارة بقدره.
• النحاس (Cu): ثاني أفضل موصل للكهرباء بعد الفضة، ويُستخدم في الأسلاك ولوحات الدوائر والبرونز والنحاس الأصفر.
• التيتانيوم (Ti): خفيف وقوي ومقاوم للتآكل. يُستخدم في الطائرات والغرسات الطبية، وفي صورة ثاني أكسيد التيتانيوم في الصبغة البيضاء.
• الكروم (Cr): يُضاف إلى الفولاذ لصنع الفولاذ المقاوم للصدأ، حيث يكوّن طبقة أكسيد واقية رقيقة. ومألوف أيضًا طلاءً كروميًا لامعًا.
• النيكل (Ni) والكوبالت (Co): كاثودات البطاريات والسبائك المقاومة للحرارة والمغانط.
• الفضة (Ag) والذهب (Au) والبلاتين (Pt): الفلزات النفيسة. والذهب لا يكاد يتآكل، ما يجعله ثمينًا في المجوهرات والملامسات الكهربائية.
• التنجستن (W): أعلى درجة انصهار بين الفلزات، استُخدم في الماضي لفتائل المصابيح المتوهجة ولا يزال يُستخدم في أدوات القطع.
• الزئبق (Hg): الفلز الوحيد السائل في درجة حرارة الغرفة. وبسبب سميته يجري التخلص منه تدريجيًا في موازين الحرارة ومنتجات أخرى كثيرة.

المغناطيسية والخواص الفيزيائية

الحديد والكوبالت والنيكل مغناطيسية حديديًا في درجة حرارة الغرفة، لأن غزول إلكترونات d المنفردة فيها تصطف في الاتجاه نفسه عبر مناطق كاملة من الفلز. ومعظم الفلزات الانتقالية كثيفة وصلبة وعالية الانصهار، وهو ما يُعزى إلى مشاركة إلكترونات d في الرابطة الفلزية. والأوزميوم والإريديوم أكثف العناصر: فمكعب من أي منهما طول ضلعه 10 cm يزن أكثر من 20 kg بكثير.

الفلزات الانتقالية في الجسم والسلامة

يحتاج جسم الإنسان إلى عدة فلزات انتقالية. فالحديد يربط الأكسجين في الهيموغلوبين والميوغلوبين، والزنك جزء من بنية مئات الإنزيمات ووظيفتها، والنحاس يدعم استقلاب الطاقة والحديد، والكوبالت يقع في مركز فيتامين B12. وهذه عناصر نزرة: فالقليل جدًا منها يسبب مشكلات، وكذلك الكثير جدًا.

أما فلزات انتقالية أخرى فضارة حتى بكميات صغيرة، ومنها الكادميوم والزئبق ومركبات الكروم(VI). والكروم مثال جيد على مدى أهمية حالة الأكسدة. فالكروم(III) معتدل نسبيًا، بينما يُعرف أن مركبات الكروم(VI) سامة ومسرطنة، وهي منظّمة بإحكام.

الفئة d أكبر مناطق الجدول، وعناصرها متنوعة تبعًا لذلك. انقر على عناصر الفئة d وقارن حالات أكسدتها ودرجات انصهارها وكثافاتها لترى كيف تتبدل الخواص عبر كل دورة.