Metales de transición: cómo los orbitales d crean el color y la catálisis

La amplia sección central de la tabla periódica, los grupos 3 a 12, contiene los elementos que suelen llamarse metales de transición. Los puentes de acero, el cableado de cobre, los anillos de oro y las prótesis de cadera de titanio proceden todos de aquí; casi todo lo que la gente imagina al oír la palabra «metal» vive en este bloque. Lo que comparten estos elementos es que sus átomos están a mitad de llenar un conjunto de orbitales d.

Qué cuenta como metal de transición

La IUPAC define un elemento de transición como aquel cuyo átomo tiene una subcapa d incompleta, o que puede formar cationes con una subcapa d incompleta. Aplicada estrictamente, esa definición excluye el cinc, el cadmio y el mercurio del grupo 12, cuyas subcapas d están llenas con diez electrones tanto en el átomo como en sus iones habituales. Por eso algunos libros de texto distinguen entre «elementos del bloque d» (todos los de los grupos 3 a 12) y «metales de transición» (el conjunto más restringido). Esta guía abarca todo el bloque por comodidad y señala la diferencia cuando importa.

El nombre data de los primeros tiempos de la tabla periódica, cuando se veía a estos elementos como un puente, una transición, entre los elementos de los grupos principales situados a ambos lados.

Cómo se llenan los orbitales d

En el periodo 4, los electrones llenan primero el orbital 4s y después, a partir del escandio, los orbitales 3d de la capa inferior. El escandio es [Ar]3d¹4s², el hierro [Ar]3d⁶4s² y el cinc [Ar]3d¹⁰4s². El periodo 5 llena los 4d, y los periodos 6 y 7 llenan los 5d y los 6d.

Hay cinco orbitales d que admiten como máximo diez electrones, y por eso el bloque d de cada periodo contiene diez elementos. El orden se invierte al formarse los iones: un metal de transición pierde sus electrones 4s externos antes que cualquier electrón 3d. Así, el Fe²⁺ es [Ar]3d⁶, no [Ar]3d⁴4s².

Unos pocos elementos, en particular el cromo ([Ar]3d⁵4s¹) y el cobre ([Ar]3d¹⁰4s¹), tienen configuraciones que rompen el orden de llenado sencillo. La explicación habitual es que una subcapa d semillena o completamente llena es energéticamente favorable. La guía de configuración electrónica trata estas excepciones en detalle.

Muchos estados de oxidación

Los metales de los grupos 1 y 2 muestran casi siempre un único estado de oxidación, +1 o +2. Los metales de transición muestran varios. Como las energías de 4s y 3d están próximas, el número de electrones que pueden arrancarse varía según el entorno químico.

El manganeso es un ejemplo clásico, con estados de oxidación habituales que van de +2 a +7.

El hierro pasa de +2 (hierro(II)) a +3 (hierro(III)). Tanto el transporte de oxígeno por la hemoglobina como la oxidación del acero dependen de cambios en el estado de oxidación del hierro. Esta facilidad para cambiar de estado de oxidación es también la base de su actividad catalítica, que se describe más abajo.

Complejos y color

Los iones de los metales de transición forman con facilidad complejos de coordinación: se rodean de moléculas o iones con pares de electrones solitarios, como el agua, el amoniaco o el cloruro. Estas especies que los rodean se llaman ligandos. Cada ligando cede un par de electrones al ion metálico y forma un enlace de coordinación. El químico suizo Alfred Werner desentrañó la estructura de estos compuestos y recibió el Premio Nobel de Química de 1913.

El color de los complejos procede del desdoblamiento de los orbitales d. En un átomo aislado, los cinco orbitales d tienen la misma energía. Cuando se acercan los ligandos, los orbitales que apuntan hacia ellos suben de energía y el resto baja, así que el conjunto se divide en un grupo superior y otro inferior. Un electrón de un orbital inferior puede absorber luz visible de una energía concreta y saltar a uno superior. Lo que vemos es la luz que queda, el color complementario.

• El azul de la disolución de sulfato de cobre(II): el ion cobre absorbe la luz naranja y roja.
• El rojo del rubí: trazas de iones cromo en un cristal de óxido de aluminio.
• El verde de la esmeralda: de nuevo iones cromo y, en algunas piedras, vanadio.

Cambiar los ligandos cambia el tamaño de la separación de energía y, por tanto, el color. Añadir amoniaco a una disolución azul de sulfato de cobre la vuelve de un azul intenso. Los iones con los orbitales d vacíos (Sc³⁺, Ti⁴⁺) o completamente llenos (Zn²⁺) no pueden experimentar estas transiciones y suelen ser incoloros, y por eso los compuestos de cinc suelen ser blancos.

Los metales de transición como catalizadores

Muchos de los catalizadores industriales más importantes son metales de transición o sus compuestos. Pueden intercambiar electrones cambiando de estado de oxidación, y sus superficies pueden adsorber moléculas y debilitar sus enlaces.

• Hierro: el proceso Haber-Bosch, que fabrica amoniaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. El fertilizante producido así sostiene una gran parte del suministro mundial de alimentos.
• Vanadio: el óxido de vanadio(V) cataliza el proceso de contacto para fabricar ácido sulfúrico.
• Níquel: la hidrogenación de aceites vegetales, que se usa para fabricar margarina y otras grasas sólidas.
• Platino, paladio y rodio: los catalizadores de los tubos de escape de los coches, que convierten el monóxido de carbono, los hidrocarburos sin quemar y los óxidos de nitrógeno en gases menos nocivos.
• Cobalto y rodio: una amplia gama de catalizadores homogéneos en síntesis orgánica.

Los seres vivos también usan metales de transición como catalizadores. El hierro, el cobre, el cinc y el molibdeno de los centros activos de las enzimas impulsan reacciones clave de la respiración, la fotosíntesis y la fijación del nitrógeno.

Metales de transición destacados

• Hierro (Fe): el cuarto elemento más abundante de la corteza terrestre y el componente principal del acero. Pocos materiales han moldeado tanto la civilización.
• Cobre (Cu): el segundo mejor conductor eléctrico después de la plata, usado en cableado, placas de circuito, bronce y latón.
• Titanio (Ti): ligero, resistente y anticorrosivo. Se usa en aviones, implantes médicos y, como dióxido de titanio, en pigmento blanco.
• Cromo (Cr): se añade al acero para fabricar acero inoxidable, donde forma una fina capa de óxido protectora. También es familiar como cromado brillante.
• Níquel (Ni) y cobalto (Co): cátodos de baterías, aleaciones resistentes al calor e imanes.
• Plata (Ag), oro (Au), platino (Pt): los metales preciosos. El oro apenas se corroe, lo que lo hace valioso para joyería y contactos eléctricos.
• Wolframio (W): el punto de fusión más alto de todos los metales; se usó en los filamentos de las bombillas incandescentes y aún se usa en herramientas de corte.
• Mercurio (Hg): el único metal líquido a temperatura ambiente. Por su toxicidad se está retirando de los termómetros y de muchos otros productos.

Magnetismo y propiedades físicas

El hierro, el cobalto y el níquel son ferromagnéticos a temperatura ambiente, porque los espines de sus electrones d desapareados se alinean en la misma dirección en regiones enteras del metal. La mayoría de los metales de transición son densos, duros y de alto punto de fusión, lo que se atribuye a que los electrones d participan en el enlace metálico. El osmio y el iridio son los elementos más densos: un cubo de cualquiera de ellos de 10 cm de lado pesaría bastante más de 20 kg.

Los metales de transición en el organismo, y la seguridad

El cuerpo humano necesita varios metales de transición. El hierro fija el oxígeno en la hemoglobina y la mioglobina, el cinc forma parte de la estructura y la función de cientos de enzimas, el cobre interviene en el metabolismo energético y del hierro, y el cobalto ocupa el centro de la vitamina B12. Son oligoelementos: su carencia causa problemas, y su exceso también.

Otros metales de transición son perjudiciales incluso en pequeñas cantidades, como el cadmio, el mercurio y los compuestos de cromo(VI). El cromo ilustra bien lo mucho que importa el estado de oxidación. El cromo(III) es relativamente inocuo, mientras que los compuestos de cromo(VI) son tóxicos y cancerígenos conocidos y están estrictamente regulados.

El bloque d es la región más grande de la tabla, y sus elementos son igual de variados. Recorre los elementos del bloque d y compara sus estados de oxidación, sus puntos de fusión y sus densidades para ver cómo cambian las propiedades a lo largo de cada periodo.