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Metal de transición

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Los elementos o metales de transición son los elementos situados en los bloques d y f de la tabla periódica (grupos 3 a 12).

Los lantánidos y actínidos, en los cuales se comienza a llenar un orbital f se consideran también de transición, pero para distinguirlos de los del bloque d (de transición o de transición externa) se les suele denominar elementos de transición interna o tierras raras.

A veces se emplean otras definiciones más estrictas, para agrupar los elementos según sus propiedades físicas y químicas, por ejemplo, definiéndolos como los elementos que forman, al menos, un ión que tenga un orbital d (o f) parcialmente lleno de electrones. Según esta última definición, los elementos de transición son:

  • Elementos de transición interna:
    • Lantánidos: los elementos que van desde el número atómico 57 al 71; el escandio y el itrio (del grupo 3) tienen propiedades parecidas a los lantánidos y se suelen estudiar conjuntamente.
    • Actínidos: los elementos que van desde el número atómico 89 al 103.

Como puede observarse ni zinc ni escandio se consideran, según la definición anterior, elementos de transición aunque estén dentro del bloque d. El zinc sólo puede formar el ión Zn2+, estando el orbital d más externo completamente lleno: su configuración electrónica pasa de [Ar] 3d10 4s2 a [Ar] 3d10. Por otro lado, el escandio sólo forma el ión Sc3+, con lo cual no tiene nigún electrón que ocupe el orbital d más externo: pasa de tener como configuración electrónica [Ar] 3d1 4s2 a tener la configuración electrónica del argón por perder tres electrones. Lo mismo sucede con otros elementos del bloque d no incluidos en la clasificación anterior.

Las propiedades químicas de un elemento dependen en gran medida de cómo estén ocupados por los electrones los niveles de energía más externos. Por eso, los elementos de transición presentan cierto parecido entre sí, aunque se diferencian de los lantánidos y de los actínidos.

Véase lantánidos y actínidos

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 sus 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.

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 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.

Por el contrario, los elementos del grupo 1 no suelen perder más que un electrón, los del grupo 2 lo normal es que pierdan dos electrones, etc. Ello se debe a que en la serie de valores de los sucesivos potenciales de ionización extraído el primer o segundo electrón, se produce un salto cuantitativo importante que dificulta enormemente la extracción del segundo o tercer electrón del átomo; sin embargo, en los elementos de transición los electrones en los orbitales d y s más externos están bastante próximos en energía y el sato cualitativo en la serie de potenciales de ionización no se produce siendo relativamente fácil alcanzar 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 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 electromagnética 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.

Referencias