معرفی انواع فلزات واسطه و نحوه‌ی طبقه‌بندی آنها

آشنایی با ماهیت فلزات واسطه

عناصر واسطه یا فلزات واسطه، فلزاتی هستند که از گروه 3 تا 12 و تناوب‌های 4 تا 7 را شامل می‌شوند. این فلزات از نظر آرایش ابر الکترونی، برعکس فلزات گروه‌های قلیایی و قلیایی خاکی می‌باشند. الکترون‌های موجود در اوربیتال (n-1)d لایه‌ی ظرفیت این فلزات، از اوربیتال ns این لایه پایین‌تر است. به همین علت آخرین الکترون این فلزات در (n-1)d حضور دارد و اوربیتال p آنها هیچ الکترونی ندارد. بنابراین در تعریف آیوپاک، اوربیتال d این عناصر به صورت جزئی، پر در نظر گرفته می‌شود که این آرایش اوربیتالی ناقص، سبب وجود فلزات واسطه به شکل کاتیون‌های چند ظرفیتی شده است.

فلزات واسطه به دلیل ماهیت شگفت انگیز خود، می‌توانند ترکیبات رنگی تشکیل دهند. دارای اعداد اکسایش چندگانه هستند! به دلیل وجود الکترون‌های جفت نشده در لایه‌ی ظرفیت خود، می‌توانند ترکیبات پارامغناطیسی ایجاد کنند. نسبت به فلزات قلیایی خاکی واکنش‌پذیری کمتری دارند و به سختی پیوند برقرار می‌کنند. برخی از آنها عناصر ضروری ساختارهای بیولوژیکی بدن ما هستند(مانند روی، آهن و کرم). جالب اینجاست که در میان این دسته، عناصری مانند کادمیوم، جیوه و برخی عناصر دیگر وجود دارند که می‌توانند آثار زیانباری را برای سلامتی انسان در پی داشته باشند. اغلب این فلزات به رنگ نقره آبی یا نقره‌ای دیده می‌شوند و در این میان نیز تعداد کمی وجود دارند که رنگی هستند.

خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات واسطه

همانگونه که پیش‌تر نیز اشاره کردیم، برخی از فلزات واسطه به صورت رنگی مشاهده می‌شوند که به علت حالت گذار الکترونی آنهاست. حالت گذار الکترونی بر پایه‌ی دو اصل استوار است:

1. انتقال بار: در این حالت، الکترون از یک اوربیتال لیگاند، طی جهشی به یک اوربیتال فلزی دیگر، سبب انتقال بار لیگاند به فلز می‌شود. این پدیده ( LMCT)زمانی که فلز واسطه دارای عدد اکسایش بالایی باشد، اتفاق می‌افتد. به همین علت جیوه یدید به رنگ قرمز دیده می‌شود. این نوع حالت گذار، رنگ‌های شدیدتری نسبت به حالت گذار دوم ایجاد می‌کند.
2. حالت گذار اوربیتال‌های d: در حالت گذار d-d، الکترون از یک اوربیتال d به اوربیتال d دیگری جهش می‌کند. البته در این میان، عدد اکسایش و ماهیت لیگاندها نیز بی‌تاثیر نیستند.

این عناصر،‌ دارای اعداد اکسایشی متفاوت هستند. به طور مثال،‌ وانادیوم دارای عدد اکسایشی بین   −1و  +5؛ آهن، +2 و +3 می‌باشند. برخی ترکیبات این عناصر، به علت الکترون جفت نشده، به عنوان پارامغناطیس عمل می‌کنند  و برخی دیگر دیامغناطیس  هستند. دارای فعالیت‌های کاتالیستی همگن و ناهمگن می‌باشند. حتی این فرآیند کاتالیستی در برخی  فلزات واسطه به گونه‌ای است که فرآورده‌های واکنش، می‌توانند فعالیت خود کاتالیزوری داشته باشند. فلزات این گروه‌ها دارای دمای ذوب، دمای جوش، چگالی، گرمای نهان تبخیر، سختی و انرژی بستگی تقریبا بالایی هستند(به جز عناصر گروه II B یعنی کادمیم، روی و جیوه). این فلزات معمولا بسیار انعطاف‌پذیر و در مقابل فشار، کشش و ضربه مقاوم‌اند. در حالت گازی یا در ترکیبات کئوردیناسیونی، پارامغناطیسی‌؛ در حالت بلور، آنتی فرومغناطیس و در کمپلکس‌های قوی دارای خاصیت مغناطیسی می‌باشند. هادی جریان برق هستند و الکترونگاتیوی آنها در یک دوره از چپ به راست افزایش می‌یابد.

طبقه‌بندی فلزات واسطه

فلزات واسطه از نظر آرایش الکترونی دارای تفاوت‌هایی هستند. به همین علت در جدول مندلیف به دو گروه عمده تقسیم‌بندی می‌شوند. گروه اول عناصر واسطه‌ی خارجی یا عناصر بلوک d نام دارند. گروه دوم نیز به عناصر واسطه‌ی داخلی یا عناصر بلوک f مشهورند.

عناصر واسطه‌ی خارجی

فلزات واسطه خارجی برخلاف نامشان، درون جدول تناوبی قرار دارند. نسبت به گروه‌های 1 و 2 جدول میزانِ سختی، دمای ذوب، دمای جوش و چگالی بیشتری دارند. بجز جیوه، همگی جامدند. در فلزات واسطه دسته‌ی d یا عناصر واسطه‌ی خارجی، الکترون لایه‌ی ظرفیت در تراز (n-1)d قرار دارد و معمولا در حالت اکسایش صفر یا بالاتر، دارای یک یا چند تراز انرژی تک الکترونی می‌باشند(روی و کادمیوم استثنا هستند). عنصرهای واسطه‌ی تناوب 4، 5، 6 و 7 به ترتیب در اوربیتال d خود دارای 3، 4، 5 و 6 الکترون هستند. عناصر واسطه‌ی خارجی از گروه 3 و با آرایش s²d¹  آغاز و با آرایش s²d¹⁰ خاتمه می‌یابند.

برخی عناصر این گروه دارای نام‌های اختصاصی هستند. به عنوان مثال فلزات سکه‌ساز شامل طلا، نقره و مس؛ فلزات پلاتینی شامل ایریدیم، اوسمیم، پالادیوم، پلاتین و رودیوم؛ تریادها یا فلزات فرومانتیک نیز شامل کبالت، نیکل و آهن می‌باشند. در این گروه(به غیر از عناصر واسطه گروه II B) گرمای نهان تبخیر، دمای ذوب و جوش، سختی، چگالی، انرژی بستگی نسبتا بالاست. حتی شدت این خواص در میانه‌ی هر تناوب بیشتر می‌شود. اما جالب اینجاست که با نزدیک شدن به انتهای تناوب، انرژی بستگی بسیار کاهش می‌یابد. عناصر این گروه‌ها انعطاف‌پذیر، چکش‌خوار، صیقل‌پذیر و بسیار تورّق‌پذیر و قابل مفتول شدن، هستند. در برابر فشار، کشش و ضربه مقاوم‌اند. حتی می‌توانند با برخی نافلزات، آلیاژهای پرکاربردی ایجاد کنند. عموما در حالت گازی یا کئوردیناسیونی، دارای خاصیت پارامغناطیسی‌ یا دیامغناطیسی‌اند؛ در بلور، آنتی فرومغناطیس و در لیگاندهای قوی دارای خاصیت مغناطیسی هستند. الکترونگاتیو می‌باشند و می‌توانند جریان برق را به خوبی هدایت کنند.

عناصر واسطه‌ی داخلی

الکترون‌های لایه‌ی ظرفیت فلزات واسطه داخلی در ترازهای (n-2)f می‌باشند. این عناصر به دلیل نبود فضا در جدول تناوبی، در خارج از جدول تقسیم‌بندی می‌شوند. عناصر واسطه‌ی داخلی به دو دسته‌ی عمده‌ی اکتنیدها و لانتانیدها تفکیک می‌شوند. علت این نامگذاری نیز وجود فلز اکتینیم و لانتانیوم در آغاز این گروه‌ها و همچنین تشابه بین این عناصر به سر گروه خود می‌باشد.

1. لانتانیدها: در این عناصر ، زیرلایه‌ی 4f در حال پرشدن است. اعداد اتمی 57 تا 71 در این تناوب قرار می‌گیرند. لانتانیدها براق هستند، چگالی نسبتا زیاد و واکنش‌پذیری شیمیایی قابل توجهی دارند.
2. اکتینیدها: در این عناصر، زیرلایه‌ی 5f در حال پرشدن است. اعداد اتمی 90 تا 103 در این تناوب قرار دارند. به علت ماهیت شیمیایی خود، عناصر پر اهمیتی هستند. از مشهورترین این عناصر که در گروه اکتینیدها قرار دارد، می‌توان اورانیوم را نام برد. از آنجایی که اورانیوم می‌تواند در مصارف صلح‌آمیز و یا غیر صلح‌آمیز مورد استفاده قرار بگیرد، در علم، اقتصاد و سیاست بحث‌های زیادی را به خود اختصاص داده‌ است. در این دسته، بجز سه عنصر اول، تمامی عناصر رادیو اکتیو بوده، بسیاری در آزمایشگاه ساخته می‌شوند و چگالی بسیار زیادی دارند.