19.1: Los metales de transición: una encuesta

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Tenemos contacto diario con muchos metales de transición. El hierro ocurre en todas partes, desde los anillos de tu cuaderno de espiral y los cubiertos de tu cocina hasta automóviles, barcos, edificios y en la hemoglobina en tu sangre. El titanio es útil en la fabricación de productos livianos y duraderos como cuadros de bicicletas, caderas artificiales y joyas. El cromo es útil como revestimiento protector en accesorios de plomería y detalles automotrices.

Los metales de transición se definen como aquellos elementos que tienen (o forman fácilmente) orbitales d parcialmente llenos. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\), los elementos d -bloque en los grupos 3—11 son elementos de transición. Los elementos del bloque f, también llamados metales de transición internos (los lantánidos y actínidos), también cumplen con este criterio porque el orbital d está parcialmente ocupado antes de los orbitales f. Los orbitales d se llenan con la familia del cobre (grupo 11); por esta razón, la siguiente familia (grupo 12) técnicamente no son elementos de transición. Sin embargo, los elementos del grupo 12 muestran algunas de las mismas propiedades químicas y son comúnmente incluidos en discusiones sobre metales de transición. Algunos químicos sí tratan a los elementos del grupo 12 como metales de transición.

Esta figura contiene tres fotos. El primero es de un trozo mineral verde jade con regiones oscurecidas y una superficie mate. El segundo es de un fragmento mineral cristalino compuesto principalmente por cristales brillantes de color azul real brillante y algunas regiones cristalinas de color azul claro. El tercero es de cristales largos de color rojo. — Figura\(\PageIndex{1}\): Los metales de transición a menudo forman complejos de colores vibrantes. Los minerales malaquita (verde), azurita (azul) y proustita (rojo) son algunos ejemplos. (crédito restante: modificación de obra de James St. John; crédito medio: modificación de obra de Stephanie Clifford; derecho de crédito: modificación de obra de Terry Wallace)

Los elementos del bloque d se dividen en la primera serie de transición (los elementos Sc a Cu), la segunda serie de transición (los elementos Y a Ag) y la tercera serie de transición (el elemento La y los elementos Hf a Au). Actinium, Ac, es el primer miembro de la cuarta serie de transición, que también incluye Rf a Rg.

Figura\(\PageIndex{2}\): Los metales de transición se encuentran en los grupos 3—11 de la tabla periódica. Los metales de transición internos se encuentran en las dos filas debajo del cuerpo de la tabla.

Los elementos del bloque f son los elementos Ce a Lu, que constituyen la serie lantánido (o serie lantanoide), y los elementos Th a Lr, que constituyen la serie de actínidos (o series actinoides). Debido a que el lantano se comporta muy parecido a los elementos lantánidos, se le considera un elemento lantánido, aunque su configuración electrónica lo convierte en el primer miembro de la tercera serie de transición. De igual manera, el comportamiento del actinio significa que es parte de la serie de actínidos, aunque su configuración electrónica lo convierte en el primer miembro de la cuarta serie de transición

Propiedades y Tendencias en Metales de Transición

Los elementos de la segunda y tercera fila de la Tabla Periódica muestran cambios graduales en las propiedades a lo largo de la tabla de izquierda a derecha como se esperaba. Los electrones en las capas externas de los átomos de estos elementos tienen pocos efectos de blindaje, lo que resulta en un aumento de la carga nuclear efectiva debido a la adición de protones en el núcleo. En consecuencia, los efectos sobre las propiedades atómicas son: menor radio atómico, mayor energía de primera ionización, electronegatividad mejorada y más carácter no metálico. Esta tendencia continúa hasta que se alcanza el calcio (Z=20). Hay una ruptura abrupta en este punto. Los siguientes diez elementos llamados la primera serie de transición son notablemente similares en sus propiedades físicas y químicas. Esta similitud general en las propiedades se ha explicado en términos de su diferencia relativamente pequeña en la carga nuclear efectiva sobre la serie. Esto ocurre porque cada electrón adicional ingresa a la penúltima capa 3d proporcionando un escudo efectivo entre el núcleo y la capa exterior 4s.

¿Qué es un metal de transición?

Así, los elementos de transición pueden definirse como aquellos en los que se están llenando las capas de electrones d y así generalmente ignoramos Sc y Zn donde Sc (III) es d ⁰ y Zn (II) es d ¹⁰.

Es útil, al principio, identificar las propiedades físicas y químicas de los elementos de transición que difieren de los elementos del grupo principal (bloque s). Las propiedades de los elementos de transición incluyen:

tener una gran relación carga/radio;
son duros y tienen altas densidades;
tienen altos puntos de fusión y ebullición;
formar compuestos que a menudo son paramagnéticos;
muestran estados de oxidación variables;
formar iones y compuestos coloreados;
formar compuestos con actividad catalítica profunda;
formar complejos estables.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Resumen de propiedades físicas seleccionadas de elementos de transición:
Elemento	Grupo	densidad /g cm ^-3	m. p. /°C	b.p. /°C	radio /pm	configuración de átomo libre	energía de ionización /kJ mol ^-1	Usos
Sc	3	2.99	1541	2831	164	[Ar] 3d ¹ 4s ²	631
Ti	4	4.50	1660	3287	147	[Ar] 3d ² 4s ²	658	-La densidad de la industria de los motores/aviones es del 60% del hierro
V	5	5.96	1890	3380	135	[Ar] 3d ³ 4s ²	650	-acero inoxidable, 19% Cr, 9% Ni el resto Fe
Cr	6	7.20	1857	2670	129	[Ar] 3d ⁵ 4s ¹	653	-aleaciones por ejemplo con acero C, el uso más significativo
Mn	7	7.20	1244	1962	137	[Ar] 3d ⁵ 4s ²	717	-aleaciones por ejemplo con Cu
Fe	8	7.86	1535	2750	126	[Ar] 3d ⁶ 4s ²	759	-aleaciones por ejemplo con acero C, el uso más significativo
Co	9	8.90	1495	2870	125	[Ar] 3d ⁷ 4s ²	758	-aleaciones por ejemplo con Cr y W para brocas endurecidas
Ni	10	8.90	1455	2730	125	[Ar] 3d ⁸ 4s ²	737	-aleaciones de revestimiento de armadura de Fe/Ni, resiste la corrosión
Cu	11	8.92	1083	2567	128	[Ar] 3d ¹⁰ 4s ¹	746	-alta conductividad eléctrica (2da a Ag), cableado
Zn	12	7.14	420	907	137	[Ar] 3d ¹⁰ 4s ²	906

Densidades y radios metálicos

Los elementos de transición son mucho más densos que los elementos del bloque s y muestran un aumento gradual de la densidad del escandio al cobre. Esta tendencia en la densidad puede explicarse por la disminución pequeña e irregular de los radios metálicos junto con el aumento relativo de la masa atómica.

Figura\(\PageIndex{3}\): Variaciones de la densidad (leff) y radio metálico (derecha) en los metales de transición de la primera fila.

Puntos de fusión y ebullición

Los puntos de fusión y las entalpías molares de fusión de los metales de transición son altos en comparación con los elementos del grupo principal. Esto surge del fuerte enlace metálico en los metales de transición que se produce debido a la deslocalización de electrones facilitada por la disponibilidad de electrones d y s.

Figura\(\PageIndex{4}\): Variaciones del punto de fusión (curva azul) y puntos de ebullición (rojo) en los metales de transición de la primera fila.

Energías de ionización

Al moverse a través de la serie de metales desde el escandio hasta el zinc se observa un pequeño cambio en los valores de la primera y segunda energías de ionización. Esto se debe a la acumulación de electrones en las subconchas d inmediatamente subyacentes que blindan eficientemente los electrones 4s del núcleo y minimizan el aumento de la carga nuclear efectiva\(Z_{eff}\) de elemento a elemento. Los aumentos en los valores de energía de ionización tercera y cuarta son más rápidos. Sin embargo, las tendencias en estos valores muestran la discontinuidad habitual a mitad de camino a lo largo de la serie. La razón es que los cinco d electrones están todos desapareados, en orbitales ocupados individualmente. Cuando entran los electrones sexto y posteriores, los electrones tienen que compartir los orbitales ya ocupados dando como resultado repulsiones entre electrones, lo que requeriría menos energía para eliminar un electrón. De ahí que la tercera curva de energía de ionización para los últimos cinco elementos sea idéntica en forma a la curva de los primeros cinco elementos, pero desplazada hacia arriba en 580 kJ mol ^-1.

Figura\(\PageIndex{4}\): Variaciones de la primera energía de ionización en los metales de transición de la primera fila.

Estados de oxidación

Los metales de transición pueden formar compuestos con una amplia gama de estados de oxidación. Algunos de los estados de oxidación observados de los elementos de la primera serie de transición se muestran en la Figura\(\PageIndex{5}\). A medida que nos movemos de izquierda a derecha a través de la primera serie de transición, vemos que el número de estados de oxidación comunes aumenta al principio hasta un máximo hacia el centro de la tabla, luego disminuye. Los valores en la tabla son valores típicos; hay otros valores conocidos, y es posible sintetizar nuevas adiciones. Por ejemplo, en 2014, los investigadores lograron sintetizar un nuevo estado de oxidación del iridio (9+).

Se muestra una tabla con 10 columnas y 8 filas. La primera fila es el encabezado, que muestra símbolos de elementos con números atómicos como superíndices en la parte superior izquierda de los símbolos de elemento. De esta manera se muestran los siguientes símbolos y números de elementos; S c 21, T i 22, V 23, C r 24, M n 25, F e 26, C o 27, N i 28, C u 29, y Z n 30. La segunda fila muestra el valor 1 más bajo C u. La tercera fila muestra el valor 2 más bajo V, C r, M n, F e, C o, N i, C u y Z n. La cuarta fila muestra el valor 3 más bajo S c, T i, V, C r, M n, F e, C o, N i y C u. La quinta fila muestra el valor 4 más bajo T I, V, C r, y M n. La sexta fila muestra el valor 5 más solo bajo V. La séptima fila muestra el valor 6 más bajo C r, M n y F e. La octava fila muestra el valor 7 más bajo Mn. — \(\PageIndex{5}\)Figura:Los metales de transición de la primera serie de transición pueden formar compuestos con diferentes estados de oxidación.

Para los elementos escandio a través del manganeso (la primera mitad de la primera serie de transición), el estado de oxidación más alto corresponde a la pérdida de todos los electrones tanto en los orbitales s como d de sus conchas de valencia. El ion titanio (IV), por ejemplo, se forma cuando el átomo de titanio pierde sus dos electrones de 3 d y dos de 4 s. Estos estados de oxidación más altos son las formas más estables de escandio, titanio y vanadio. Sin embargo, no es posible continuar eliminando todos los electrones de valencia de los metales a medida que continuamos a través de la serie. Se sabe que el hierro forma estados de oxidación de 2+ a 6+, siendo el hierro (II) y el hierro (III) los más comunes. La mayoría de los elementos de la primera serie de transición forman iones con una carga de 2+ o 3+ que son estables en el agua, aunque los de los primeros miembros de la serie pueden ser fácilmente oxidados por el aire.

Los elementos de la segunda y tercera serie de transición generalmente son más estables en estados de oxidación más altos que los elementos de la primera serie. En general, el radio atómico aumenta hacia abajo un grupo, lo que lleva a que los iones de la segunda y tercera serie sean mayores que los de la primera serie. Eliminar electrones de los orbitales que se encuentran más lejos del núcleo es más fácil que eliminar electrones cercanos al núcleo. Por ejemplo, el molibdeno y el tungsteno, miembros del grupo 6, están limitados principalmente a un estado de oxidación de 6+ en solución acuosa. El cromo, el miembro más ligero del grupo, forma iones Cr ³⁺ estables en agua y, en ausencia de aire, iones Cr ²⁺ menos estables. El sulfuro con el estado de oxidación más alto para el cromo es Cr ₂ S ₃, el cual contiene el ion Cr ³⁺. El molibdeno y el tungsteno forman sulfuros en los que los metales presentan estados de oxidación de 4+ y 6+.

Configuraciones Electrónicas

La configuración electrónica de los átomos de los elementos de transición de la primera fila son básicamente la misma. Se puede ver en la Tabla anterior que hay un llenado gradual de los orbitales 3d a través de la serie a partir del escandio. Este relleno, sin embargo, no es regular, ya que en cromo y cobre la población de orbitales 3d aumenta por la adquisición de un electrón de la concha 4s. Esto ilustra una importante generalización sobre las energías orbitales de la serie de transición de la primera fila. En cromo, tanto los orbitales 3d como 4s están ocupados, pero ninguno se llena completamente con preferencia al otro. Esto sugiere que las energías de los orbitales 3d y 4s son relativamente cercanas para los átomos en esta fila.

En el caso del cobre, el nivel 3d está lleno, pero sólo un electrón ocupa el orbital 4s. Esto sugiere que en el cobre la energía orbital 3d es menor que la orbital 4s. Así, la energía orbital 3d ha pasado de mayor a menor a medida que avanzamos a lo largo del período de potasio a zinc. Sin embargo, toda la cuestión de la preferencia de un átomo para adoptar una configuración electrónica particular no está determinada únicamente por la energía orbital. En cromo se puede demostrar que la energía orbital 4s aún está por debajo de la 3d lo que sugiere una configuración [Ar] 3d ⁴ 4s ². Sin embargo, debido al efecto de la repulsión electrónica entre los electrones externos, la configuración real se convierte en [Ar] 3d ⁵ 4s ¹ donde todos los electrones en los orbitales externos están desapareados. Cabe recordar que los factores que determinan la configuración electrónica en este periodo son, en efecto, delicadamente equilibrados.

Pareja Redox	E °/ V
Mn ² ⁺ (aq.) /Mn (s)	-1.18
H ⁺ (aq.) /H ₂ (g)	0.00

Esto demuestra que el Mn elemental es un reductor más fuerte que el hidrógeno molecular y por lo tanto debería ser capaz de desplazar el gas hidrógeno de 1 mol dm ^-3 de ácido clorhídrico.

Electrones de valencia en metales de transición

Revisar cómo escribir configuraciones electrónicas, abordadas en el capítulo sobre estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos. Recordemos que para los metales de transición y transición interna, es necesario eliminar los electrones s antes que los electrones d o f. Luego, para cada ion, dar la configuración electrónica:

cerio (III)
plomo (II)
Ti ²⁺
Am ³⁺
Pd ²⁺

Para los ejemplos que son metales de transición, determinar a qué series pertenecen.

Solución

Para los iones, los electrones de valencia s se pierden antes que los electrones d o f.

Ce ³⁺ [Xe] 4 f ¹; Ce ³⁺ es un elemento de transición interior en la serie de lantánidos.
Pb ²⁺ [Xe] 6 s ² 5 d ¹⁰ 4 f ¹⁴; los electrones se pierden del orbital p. Este es un elemento del grupo principal.
titanio (II) [Ar] 3 d ²; primera serie de transición
americio (III) [Rn] 5 f ⁶; actínido
paladio (II) [Kr] 4 d ⁸; segunda serie de transición

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Comprueba tu aprendizaje Da un ejemplo de un ion de la primera serie de transición sin d electrones.

Responder

V ⁵⁺ es una posibilidad. Otros ejemplos incluyen Sc ³⁺, Ti ⁴⁺, Cr ⁶⁺ y Mn ⁷⁺.

Reactividad Química

Los metales de transición demuestran una amplia gama de comportamientos químicos. Como se puede observar a partir de sus potenciales de reducción (Cuadro P1), algunos metales de transición son agentes reductores fuertes, mientras que otros tienen una reactividad muy baja. Por ejemplo, todos los lantánidos forman cationes acuosos estables 3+. La fuerza impulsora para tales oxidaciones es similar a la de los metales alcalinotérreos como Be o Mg, formando Be ²⁺ y Mg ²⁺. Por otro lado, materiales como el platino y el oro tienen potenciales de reducción mucho mayores. Su capacidad para resistir la oxidación los convierte en materiales útiles para la construcción de circuitos y joyas.

Los iones de los elementos más ligeros del bloque d, como Cr ³⁺, Fe ³⁺ y Co ²⁺, forman iones hidratados coloridos que son estables en el agua. Sin embargo, los iones en el periodo justo por debajo de estos (Mo ³⁺, Ru ³⁺ e Ir ²⁺) son inestables y reaccionan fácilmente con el oxígeno del aire. La mayoría de los iones simples y estables al agua formados por los elementos más pesados del bloque d son oxianiones como\(\ce{MoO4^2-}\) y\(\ce{ReO4-}\).

El rutenio, el osmio, el rodio, el iridio, el paladio y el platino son los "metales del platino”. Con dificultad, forman cationes simples que son estables en el agua y, a diferencia de los elementos anteriores en la segunda y tercera serie de transición, no forman oxianiones estables.

Tanto los elementos del bloque d y f reaccionan con los no metales para formar compuestos binarios; a menudo se requiere calentamiento. Estos elementos reaccionan con halógenos para formar una variedad de haluros que varían en estado de oxidación de 1+ a 6+. Al calentar, el oxígeno reacciona con todos los elementos de transición excepto paladio, platino, plata y oro. Los óxidos de estos últimos metales se pueden formar usando otros reactivos, pero se descomponen al calentarse. Los elementos del bloque f, los elementos del grupo 3, y los elementos de la primera serie de transición excepto el cobre reaccionan con soluciones acuosas de ácidos, formando gas hidrógeno y soluciones de las sales correspondientes.

Actividad de los Metales de Transición

¿Cuál es el agente oxidante más fuerte en solución ácida: ion dicromato, que contiene cromo (VI), ion permanganato, que contiene manganeso (VII), o dióxido de titanio, que contiene titanio (IV)?

Solución

Primero, necesitamos buscar las medias reacciones de reducción (Cuadro P1) para cada óxido en el estado de oxidación especificado:

\[\ce{Cr2O7^2- + 14H+ + 6e- ⟶ 2Cr^3+ + 7H2O} \hspace{20px} \mathrm{+1.33\: V}\]

\[\ce{MnO4- + 8H+ + 5e- ⟶ Mn^2+ + H2O} \hspace{20px} \mathrm{+1.51\: V}\]

\[\ce{TiO2 + 4H+ + 2e- ⟶ Ti^2+ + 2H2O} \hspace{20px} \mathrm{−0.50\: V}\]

Un mayor potencial de reducción significa que es más fácil reducir el reactivo. El permanganato, con el mayor potencial de reducción, es el oxidante más fuerte bajo estas condiciones. El dicromato es el siguiente, seguido del dióxido de titanio como el agente oxidante más débil (el más difícil de reducir) de este conjunto.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Predecir qué reacción (si la hay) ocurrirá entre HCl y Co (s), y entre HBr y Pt (s). Deberá utilizar los potenciales de reducción estándar de (Cuadro P1).

Responder

\(\ce{Co}(s)+\ce{2HCl}⟶\ce{H2}+\ce{CoCl2}(aq)\); ninguna reacción porque Pt (s) no será oxidado por H ⁺

Colaboradores y Atribuciones

Paul Flowers (University of North Carolina - Pembroke), Klaus Theopold (University of Delaware) and Richard Langley (Stephen F. Austin State University) with contributing authors. Textbook content produced by OpenStax College is licensed under a Creative Commons Attribution License 4.0 license. Download for free at http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110).
Prof. Robert J. Lancashire (The Department of Chemistry, University of the West Indies)