Logam Transisi: Bagaimana Orbital d Menciptakan Warna dan Katalisis

Bagian tengah tabel periodik yang lebar, golongan 3 hingga 12, berisi unsur-unsur yang biasa disebut logam transisi. Jembatan baja, kabel tembaga, cincin emas, dan sendi panggul titanium semuanya berasal dari sini; sebagian besar yang terbayang ketika orang mendengar kata "logam" tinggal di blok ini. Yang dimiliki bersama unsur-unsur ini adalah bahwa atom-atomnya sedang berada di tengah proses pengisian seperangkat orbital d.

Apa yang tergolong logam transisi

IUPAC mendefinisikan unsur transisi sebagai unsur yang atomnya memiliki subkulit d yang tidak lengkap, atau yang dapat membentuk kation dengan subkulit d yang tidak lengkap. Bila diterapkan secara ketat, definisi ini tidak mencakup seng, kadmium, dan raksa di golongan 12, yang subkulit d-nya penuh dengan sepuluh elektron baik pada atom maupun ion-ionnya yang umum. Karena itu sebagian buku teks membedakan antara "unsur blok d" (seluruh golongan 3 hingga 12) dan "logam transisi" (kelompok yang lebih sempit). Demi kemudahan, panduan ini membahas seluruh blok dan menunjukkan perbedaannya bila penting.

Nama ini berasal dari masa awal tabel periodik, ketika unsur-unsur ini dipandang sebagai jembatan, sebuah peralihan (transisi), di antara unsur-unsur golongan utama di kedua sisinya.

Bagaimana orbital d terisi

Pada periode 4, elektron mula-mula mengisi orbital 4s lalu, mulai dari skandium, mengisi orbital 3d dari kulit di bawahnya. Skandium adalah [Ar]3d¹4s², besi [Ar]3d⁶4s², dan seng [Ar]3d¹⁰4s². Periode 5 mengisi 4d, serta periode 6 dan 7 mengisi 5d dan 6d.

Ada lima orbital d yang menampung paling banyak sepuluh elektron, itulah sebabnya blok d setiap periode berisi sepuluh unsur. Urutannya terbalik ketika ion terbentuk: logam transisi melepaskan elektron 4s terluarnya sebelum elektron 3d mana pun. Jadi Fe²⁺ adalah [Ar]3d⁶, bukan [Ar]3d⁴4s².

Beberapa unsur, terutama kromium ([Ar]3d⁵4s¹) dan tembaga ([Ar]3d¹⁰4s¹), memiliki konfigurasi yang menyimpang dari urutan pengisian sederhana. Penjelasan yang lazim adalah bahwa subkulit d setengah penuh atau penuh sama sekali lebih menguntungkan secara energi. Panduan konfigurasi elektron membahas pengecualian ini secara rinci.

Banyak bilangan oksidasi

Logam golongan 1 dan 2 hampir selalu menunjukkan satu bilangan oksidasi, +1 atau +2. Logam transisi menunjukkan beberapa. Karena energi 4s dan 3d berdekatan, jumlah elektron yang dapat dilepaskan bervariasi menurut lingkungan kimianya.

Mangan adalah contoh klasik, dengan bilangan oksidasi umum dari +2 hingga +7.

Besi berpindah-pindah antara +2 (besi(II)) dan +3 (besi(III)). Pengangkutan oksigen oleh hemoglobin maupun perkaratan baja sama-sama bergantung pada perubahan bilangan oksidasi besi. Kemampuan berganti bilangan oksidasi dengan mudah ini juga menjadi dasar aktivitas katalitik, yang diuraikan di bawah.

Kompleks dan warna

Ion logam transisi mudah membentuk senyawa kompleks (koordinasi), mengelilingi dirinya dengan molekul atau ion yang membawa pasangan elektron bebas, seperti air, amonia, atau klorida. Spesi-spesi di sekelilingnya ini disebut ligan. Setiap ligan menyumbangkan sepasang elektron kepada ion logam, membentuk ikatan koordinasi. Kimiawan Swiss Alfred Werner menguraikan struktur senyawa semacam ini dan menerima Hadiah Nobel Kimia 1913.

Warna kompleks berasal dari pemisahan (splitting) orbital d. Pada atom yang terisolasi, kelima orbital d memiliki energi yang sama. Ketika ligan mendekat, orbital yang mengarah ke ligan terdorong ke energi lebih tinggi dan sisanya turun, sehingga perangkat itu terbagi menjadi kelompok atas dan bawah. Elektron di orbital bawah dapat menyerap cahaya tampak dengan energi tertentu dan melompat ke orbital atas. Yang kita lihat adalah cahaya sisanya, yaitu warna komplementer.

• Biru larutan tembaga(II) sulfat: ion tembaga menyerap cahaya jingga dan merah.
• Merah rubi: jejak ion kromium dalam kristal aluminium oksida.
• Hijau zamrud: lagi-lagi ion kromium, dan pada sebagian batu vanadium.

Mengganti ligan mengubah besar celah energi, sehingga mengubah warnanya. Menambahkan amonia ke larutan tembaga sulfat yang biru mengubahnya menjadi biru tua pekat. Ion dengan orbital d kosong (Sc³⁺, Ti⁴⁺) atau penuh (Zn²⁺) tidak dapat mengalami transisi ini dan biasanya tidak berwarna, itulah sebabnya senyawa seng umumnya putih.

Logam transisi sebagai katalis

Banyak katalis industri terpenting adalah logam transisi atau senyawanya. Logam-logam ini dapat bertukar elektron dengan berganti bilangan oksidasi, dan permukaannya dapat menjerap molekul serta melemahkan ikatannya.

• Besi: proses Haber–Bosch, yang membuat amonia dari nitrogen dan hidrogen. Pupuk yang dihasilkan dengan cara ini menopang sebagian besar pasokan pangan dunia.
• Vanadium: vanadium(V) oksida mengatalisis proses kontak untuk membuat asam sulfat.
• Nikel: hidrogenasi minyak nabati, yang dipakai untuk membuat margarin dan lemak padat lainnya.
• Platina, paladium, dan rodium: konverter katalitik pada gas buang mobil, mengubah karbon monoksida, hidrokarbon yang tidak terbakar, dan oksida nitrogen menjadi gas yang kurang berbahaya.
• Kobalt dan rodium: beragam katalis homogen dalam sintesis organik.

Makhluk hidup juga memakai logam transisi sebagai katalis. Besi, tembaga, seng, dan molibdenum di situs aktif enzim menggerakkan reaksi-reaksi kunci dalam respirasi, fotosintesis, dan fiksasi nitrogen.

Logam transisi yang menonjol

• Besi (Fe): unsur paling melimpah keempat di kerak Bumi dan komponen utama baja. Hanya sedikit bahan yang membentuk peradaban sebesar besi.
• Tembaga (Cu): penghantar listrik terbaik kedua setelah perak, dipakai untuk kabel, papan sirkuit, perunggu, dan kuningan.
• Titanium (Ti): ringan, kuat, dan tahan korosi. Dipakai pada pesawat terbang, implan medis, dan, sebagai titanium dioksida, pada pigmen putih.
• Kromium (Cr): ditambahkan pada baja untuk membuat baja tahan karat, tempat kromium membentuk lapisan oksida pelindung yang tipis. Juga dikenal sebagai pelapisan krom yang mengilap.
• Nikel (Ni) dan kobalt (Co): katoda baterai, paduan tahan panas, dan magnet.
• Perak (Ag), emas (Au), platina (Pt): logam mulia. Emas hampir tidak berkarat sama sekali, sehingga berharga untuk perhiasan dan kontak listrik.
• Wolfram (W): titik leleh tertinggi di antara semua logam, dulu dipakai untuk filamen bola lampu pijar dan masih dipakai pada alat potong.
• Raksa (Hg): satu-satunya logam yang berwujud cair pada suhu kamar. Karena toksisitasnya, raksa sedang dihapuskan secara bertahap dari termometer dan banyak produk lain.

Kemagnetan dan sifat fisik

Besi, kobalt, dan nikel bersifat feromagnetik pada suhu kamar, karena spin elektron d tak berpasangannya sejajar ke arah yang sama di seluruh wilayah logam. Sebagian besar logam transisi padat, keras, dan bertitik leleh tinggi, yang dikaitkan dengan keikutsertaan elektron d dalam ikatan logam. Osmium dan iridium adalah unsur terpadat: kubus dari salah satunya dengan sisi 10 cm akan berbobot jauh lebih dari 20 kg.

Logam transisi dalam tubuh, dan keselamatan

Tubuh manusia memerlukan beberapa logam transisi. Besi mengikat oksigen dalam hemoglobin dan mioglobin, seng menjadi bagian struktur dan fungsi ratusan enzim, tembaga menunjang metabolisme energi dan besi, dan kobalt berada di pusat vitamin B12. Semua ini unsur jejak: terlalu sedikit menimbulkan masalah, demikian pula terlalu banyak.

Logam transisi lain berbahaya bahkan dalam jumlah kecil, termasuk kadmium, raksa, dan senyawa kromium(VI). Kromium adalah contoh yang baik tentang betapa pentingnya bilangan oksidasi. Kromium(III) relatif tidak berbahaya, sedangkan senyawa kromium(VI) diketahui beracun dan karsinogenik serta diatur secara ketat.

Blok d adalah wilayah terbesar dalam tabel, dan unsur-unsurnya pun sangat beragam. Kliklah unsur-unsur blok d dan bandingkan bilangan oksidasi, titik leleh, dan massa jenisnya untuk melihat bagaimana sifat-sifatnya bergeser di sepanjang setiap periode.