ธาตุแทรนซิชัน
ธาตุแทรนซิชันตามความหมายใหม่ หมายถึง ธาตุที่ไอออนของมันอย่างน้อย 1 ไอออนมีอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย d ไม่ครบ
ถ้าจะถือว่าทุกธาตุที่อยู่ในหมู่ย่อย B เป็นธาตุแทรนซิชัน ก็พบว่ามีบางธาตุที่ไม่ได้เป็นไปตามนิยามใหม่ ธาตุเหล่านี้ได้แก่ Se และ Zn เป็นต้น ซึ่งมีโครงแบบอิเล็กตรอน ดังนี้
Se = 21 => [Ar] 3d1 4s2
Sc3+ = 18 => [Ar] หรือ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
Zn = 30 => [Ar] 3d10 4s2
Zn2+ = 28 => [Ar] 3d10
สำหรับ Cu มีโครงแบบเรียงอิเล็กตรอน ดังนี้
Cu = 29 => [Ar] 3d10 4s1
Cu+ = 28 => [Ar] 3d10
Cu2+ = 27 => [Ar] 3d9
จะเห็นได้ว่า Sc เมื่ออยู่ในสภาพเป็นไอออน ไม่มีอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานย่อย d เลย และไม่มีไอออนอื่นนอกจาก Sc3+ เพียงไอออนเดียว จึงไม่มีไอออนใดที่มีอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานย่อย d ดังนั้นตามนิยามใหม่ Sc จึงไม่จัดเป็นธาตุแทรนซิชันอีกเช่นกัน ส่วน Cu และ Cu2+ ก็มีลักษณะคล้ายคลึงกันกับ Zn และ Zn2+ คือมีอิเล็กตรอนเต็มในระดับพลังงานย่อยในออร์บิทัล d แต่ Cu มีไอออนอีกไออออนหนึ่ง คือ Cu2+ ซึ่งมีจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย d อยู่เพียง 9 อิเล็กตรอน จึงจัดเป็นธาตุแทรนซิชันได้ เพราะมีไอออนอย่างน้อย 1 ไอออนที่มีอิเล็กตรอนไม่ครบในระดับพลังงานย่อย d
เนื่องจากธาตุแทรนซิชันทุกธาตุเป็นโลหะ จึงเรียกธาตุแทรนซิชันว่า โลหะแทรนซิชัน ธาตุแทรนซิชันจำแนกออกเป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่ม d (d-block) และกลุ่ม f (f-block)
1. กลุ่ม d เป็นธาตุแทรนซิชันที่มีอิเล็กตรอนไม่ครบในระดับพลังงานย่อย d เรียกกลุ่มนี้ว่า ธาตุแทรนซิชันหลัก ธาตุกลุ่มนี้อยู่ระหว่าง
หมู่ IIA และ IIIA มี 3 คาบ ดังนี้
1. อนุกรมแทรนซิชันที่ 1 (first transition series) ประกอบด้วย ธาตุตั้งแต่ Sc ถึง Cu ซึ่งอะตอมหรือไอออนมีอิเล็กตรอน
ในออร์บิทัล 4d ไม่ครบ
2. อนุกรมแทรนซิชันที่ 2 (second transition series) ประกอบด้วย ธาตุตั้งแต่ Y ถึง Ag ซึ่งอะตอมหรือไอออนมีอิเล็กตรอน
ในออร์บิทัล 4d ไม่ครบ
3. อนุกรมแทรนซิชันที่ 3 (third transition series) ประกอบด้วย ธาตุตั้งแต่ La ถึง Au ซึ่งอะตอมหรือไอออนมีอิเล็กตรอน
ในออร์บิทัล 4d ไม่ครบ
2. กลุ่ม f เป็นธาตุแทรนซิชันที่มีอิเล็กตรอนไม่ครบในระดับพลังงานย่อย f เรียกกลุ่มนี้ว่า ธาตุแทรนซิชันเฉื่อย อยู่ในสองแถวล่าง ดังนี้
1. อนุกรมแลนทาไนด์ (lanthanide series) ประกอบด้วย ธาตุตั้งแต่ Ce ถึง Lu ซึ่งมีการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัล 4f
2. อนุกรมแอกทิไนด์ (actinide series) ประกอบด้วย ธาตุตั้งแต่ Th ถึง Lr ซึ่งมีการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัล 5f
ตารางที่ 8.1 ตารางธาตุแสดงกลุ่ม d และ กลุ่ม f
1. สมบัติทั่วไป
ธาตุแทรนซิชันมีสมบัติทั่วไปดังนี้
1. ธาตุแทรนซิชันทุกธาตุเป็นโลหะ
2. สารประกอบของธาตุแทรนซิชันหลายชนิดเป็นสารพาราแมกเนติก คือ ถูกดึงดูดอย่างอ่อนๆ ด้วยแม่เหล็ก ในขณะที่ สารประกอบของธาตุกลุ่ม s และกลุ่ม p เกือบทั้งหมดไม่มีสมบัตินี้ เพราะไม่มีอิเล็กตรอนเดี่ยว นอกจากนี้ธาตุอิสระบางตัวยัง ทำให้เป็นแม่เหล็กได้ เช่น เหล็กโคบอลต์ เป็นต้น ดังตารางที่ 8.2 แสดงค่าของแมกเนติกโมเมนต์ที่ได้จากการทดลอง
3. สารประกอบของธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่มีสี เพราะไอออนของธาตุแทรนซิชันเหล่านั้นมีสี ดังตารางที่ 8.3 ดังได้กล่าวมาแล้วว่าการเกิดสีของสารเนื่องมาจากสารนั้นดูดกลืนแสงที่ตามองเห็นไว้จำนวนหนึ่ง หรือที่ช่วงความยาวคลื่นหนึ่ง แสงส่วนที่เหลือจากการดูดกลืนจะปรากฏเป็นสีที่เข้าสู่ตา หรือที่ตามองเห็น ตัวอย่างเช่น ถ้าสารดูดกลืนแสงสีม่วง ซึ่งมีความยาวคลื่น 450 nm แสงที่ตามองเห็นคือ สีเหลืองแกมเขียว การดูดกลืนแสงเกิดจากอิเล็กตรอนโดยเฉพาะในออร์บิทัล d นำไปใช้ในการเปลี่ยนแปลง โยกย้ายตำแหน่งที่อยู่จากลักษณะหลฃนึ่งเป็นอีกลักษณะหนึ่ง หรือจากออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานหนึ่งไปสู่ออร์บิทัลที่มีระดับพลังงาน สูงกว่าในการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะมีอิเล็กตรอนอยู่ในออร์บิทัล d ไม่เต็ม หรือไม่ครบ 10 การทีสีไม่ปรากฏสี แสดงว่าสารไม่ได้ดูดกลืนแสง ในช่วงที่ตามองเห็น ไปดูดกลืนแสงในช่วงความยาวอื่นที่ตารับไม่ได้ เช่น แสงอินฟราเรด หรือแสดงว่าสารนั้นมีอิเล็กตรอนอยู่เต็มในออร์บิทัล d หรือไม่มีเลย
4. มีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า ถ้าสารประกอบใดมีธาตุแทรนซิชันเป็นองค์ประกอบ และธาตุเหล่านี้อยู่ในสภาพที่มีเลขออกซิเดชัน ค่าที่ไม่เสถียร สารประกอบนั้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลง คือ เกิดปฏิกิริยาทำให้ธาตุแทรนซิชันนั้นมีเลขออกซิเดชันที่เสถียร เช่น Mn ใน KMnO4 มีเลขออกซิเดชัน +7 แต่เลขออกซิเดชันที่เสถียรของ Mn คือ +2 สารนี้จึงถูกรีดิวซ์ได้ง่าย หรือเป็นตัวออกซิไดซ์ที่ดี เพื่อให้มีเลขออกซิเดชันเป็น +2 หรือโครเมตไอออน (CrO42-) และไดโครเมตไอออน (Cr2O72-) เลขออกซิเดชันของ Cr เป็น +6 แต่ค่าที่เสถียรคือ +3 ส่วนสารประกอบ ของ Fe ที่มีเลขออกซิเดชัน +2 เช่น FeSO4 ถูกออกซิไดซ์ได้ง่าย หรือเป็นตัวรีดิวซ์ที่ดี เพื่อให้มีเลขออกซิเดชันเป็น +3 ซึ่งเป็นค่าที่เสถียร
5. นำไฟฟ้า และนำความร้อนได้ดี
ตารางที่ 8.2 ค่าแมกเนติกโมเมนต์ของโลหะแทรนซิชันในสารละลาย
(ตัวเลขในวงเล็บ คือ จำนวนอิเล็กตรอนในออรืบิทัล d)
2. เลขออกซิเดชัน
โครงแบบอิเล็กตรอนเป็นสิ่งสำคัญในการใช้ศึกษาปฏิกิริยาเคมีของธาตุ เพราะเป็นตัวกำหนดสมบัติทางกายภาพ และทางเคมีของธาตุ สำหรับธาตุแทรนซิชันพวกกลุ่ม d อิเล็กตรอนในออร์บิทัล d และ s ในระดับพลังงานสูงสุดจะมีเกี่ยว ข้องในปฏิกิริยาเคมี ดังนั้น อะตอมของธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนก่อนในออร์บิทัล d และ s เข้าไปเกี่ยวข้องในปฏิกิริยาเคมีไม่เท่ากัน จึงมีสมบัติไม่เหมือนกัน การที่อิเล็กตรอนในออร์บิทัล d มีส่วนเกี่ยวข้องกับการเกิดพันธะเคมี จึงทำให้ธาตุแทรนซิชันแต่ละธาตุมี เลขออกซิเดชันได้หลายค่า
ข้อสังเกตเกี่ยวกับเลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชันชุดที่ 1
1. ทุกธาตุ ยกเว้น Sc ที่มีเลขออกซิเดชันหลายค่า จะมีค่าที่เป็น +2 อยู่ด้วยค่าหนึ่งที่เป็นดังนี้ เพราะต้องใช้อิเล็กตรอนในออร์บิทัล 4s ซึ่งมีอยู่ 2 อิเล็กตรอน และเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานนอกสุดออกไปเสียก่อน ดังนั้น เลขออกซิเดชันค่านี้เกิดจากการสูญเสียอิเล็กตรอนใน 4s นั่นเอง ยกเว้น Cr และ Cu ซึ่งมีอิเล็กตรอนใน 4s เพียง 1 อิเล็กตรอน จึงต้องใช้อิเล็กตรอนจาก 3d ด้วยอีก 1 อิเล็กตรอน เพื่อให้มีเลขออกซิเดชันเป็น +2
2. จำนวน 5 ธาตุแรกของชุดนี้ มีเลขออกซิเดชันค่าที่สูงสุดตรงกับเลขของหมู่นั้น เช่น เลขออกซิเดชันสูงสุดของ V คือ +5 ธาตุนี้อยู่ในหมู่ VB และเลขออกซิเดชันสูงสุดของ Mn คือ +7 ธาตุนี้อยู่ในหมู่ VIIB เป็นต้น
เลขออกซิเดชันของเลขแทรนซิชันชุดที่ 2 และ 3 แสดงไว้ในตารางที่ 8.5 และ 8.6 ตามลำดับ
ตารางที่ 8.5 แสดงเลขออกซิเดชันของเลขแทรนซิชันชุดที่ 2(เลขออกซิเดชันที่สามัญ คือ ค่าที่ขีดเส้นใต้)
ตารางที่ 8.6 แสดงเลขออกซิเดชันของเลขแทรนซิชันชุดที่ 3
(เลขออกซิเดชันที่สามัญ คือ ค่าที่ขีดเส้นใต้)
จากตารางธาตุ Hg ซึ่งมีโครงสร้างโครงแบอิเล็กตรอนป็น [Xe] 4f14 5d10 6s2 พบว่า Hg มีเลขออกวิเดชันเป็น +1 และ +2 การที่ Hg มีเลขออกซิเดชันเป็น +1 แสดงว่ามีการสูญเสียอิเล็กตรอนเพียง 1 อิเล็กตรอนจากระดับพลังงานย่อย 6s และมีอิเล็กตรอน เหลืออยู่ 1 อิเล็กตรอน ซึ่งนับว่าเป็นอิเล็กตรอนเดี่ยว Hg+ จึงน่าจะมีสมบัติเป็นพาราแมกเนติก แต่จากการทดลองพบว่าเป็นไดอะแมกเนติก อธิบายได้จากข้อมูลที่ได้จากการทดลองพบว่าสารประกอบที่มี Hg+ เป็นองค์ประกอบอยู่ในรูปของไดเมอร์ กล่าวคือ สองโมเลกุลรวมเข้า ด้วยกันเป็นโมเลกุลเดียว เช่น Hg2Cl2 เกิดจาก HgCl สองโมเลกุลรวมกัน ดังนั้น Hg+ สองไอออนรวมกันอยู่ในรูปของ Hg22+ แสดงว่าอิเล็ก ตรอนเดี่ยวในโมเลกุล s ของแต่ละระดับพลังงานย่อย 6s รวมเข้าด้วยกันเป็นคู่ ทำให้ไม่มีอิเล็กตรอนเดี่ยว จึงมีสมบัติเป็นไดอะแมกเนติก
3 รัศมีของอะตอม
ขนาดของอะตอมของธาตุแทรนซิชันลดลงจากซ้ายไปขวาในคาบเดียวกันของธาตุทำนองเดียวกันกับธาตุทั่วไป เพียงแต่การเพิ่มขึ้น หรือลดลงของขนาดอะตอมมีไม่มากนัก กล่าวคือ อะตอมมีขนาดใกล้เคียงกัน แม้ว่าอะตอมที่มีเลขเชิงอะตอมสูงขึ้น ซึ่งหมายถึงจำนวนโปรตอนจะเพิ่มมากขึ้นด้วย ขนาดอะตอมก็ลดลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทั้งนี้ เป็นเพราะอะตอมที่เพิ่มขึ้นถูกกำบัง หรือถูกผลักโดยอิเล็กตรอนที่อยู่ถัดเข้าไป ทำให้การดึงดูดกับนิวเคลียสเป็นไปได้ไม่ดีเท่าที่ควร รัศมีของอะตอมของาตุแทรนซิชัน
4. พลังงานการแตกตัวเป็นไอออน
พลังงานการแตกตัวเป็นไอออน หรือพลังงานไอออไนเซชัน (ionization energy) ของธาตุแทรนซิชัน สัมพันธ์กับขนาดของอะตอม ถ้าอะตอมมีขนาดเล็กลง พลังงานไอออนไนเซชันจะเพิ่มขึ้น แต่ถ้าอะตอมมีขนาดเพิ่มขึ้น พลังงานไอออไนเซชันจะลดลง สำหรับธาตุเรพรีเซนเตตีฟ ค่านี้จะลดลงจากบนลงล่าง เมื่อเปรียบเทียบภายในคาบเดียวกัน แต่ธาตุแทรนซิชันการเพิ่มขึ้น หรือลดลงไม่มาก เนื่องจากขนาดอะตอมแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย
5. ธาตุแทรนซิชันหมู่ต่างๆ
5.1 ธาตุหมู่ IIIB หรือธาตุตระกูลสแคนเดียม (scandium family) (Sc, Y, la….Lu, Ac……Lr)
สแคนเดียม มาจากคำว่า สแคนดิเนเวีย ซึ่งเป็นแหล่งค้นพบธาตุส่วนใหญ่ในหมู่นี้ ได้แก่ สแคนเดียม อิตเทรียม แลนทานัม และอนุกรมแลนาไนด์ แอกทิเนียม และอนุกรมแอกทิไนด์
ธาตุสแคนเดียม อิตเทรียม และแลนทานัม มีการจัดเวเลนซ์อิเล็กตรอนในแบบ (n-1) d1 ns2 ธาตุเหล่านี้เกิดไอออน +3 เท่านั้น โดยมีโครงแบบอิเล็กตรอนในแบบ (n-1) d1 ns2 ซึ่งไม่ควรแสดงสมบัติเหมือนไอออนของธาตุเรพรีเซนเตตีฟมากกว่า สารประกอบ ส่วนใหญ่ไม่มีสี สแคนเดียมมีสมบัติทั่วไปคล้ายอะลูมิเนียมมมาก เช่น ทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำ Sc(H2O)3 หรือ Sc2O3.xH2O ไม่ละลายน้ำ และมีสมบัติเป็นทั้งกรดและเบส (amphoteric) สำหรับอิตเทรียม และแลนทานัมมีสมบัติคล้ายกัน แต่ว่องไวต่อปฏิกิริยามากกว่าสแคนเดียม
ธาตุในอนุกรมแลนทาไนด์มีสมบัติต่างไปจากพวกที่ได้กล่าวข้างต้น ธาตุพวกนี้มีอิเล็กตรอนใน 4f - ออร์บิทัลไม่เต็ม มีสมบัติทั่วไป เช่นเดียวกับโลหะแทรนซิชัน และมีความคล้ายคลึงกันมากดังจะเห็นได้จากค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน และรัศมีไอออน ซึ่งแสดงในตารางที่ 8.1 ธาตุในอนุกรมนี้จะมีขนาดเล็กลงเป็นลำดับเมื่อเลขเชิงอะตอมสูงขึ้น และสามารถแสดงเลขออกซิเดชันได้หลายค่า เมื่อเกิดสารประกอบซึ่งรวม ทั้งสารประกอบเชิงซ้อนด้วย แต่เลขออกซิเดชันที่สำคัญ คือ +3 ในธรรมชาติธาตุเหล่านี้มักเกิดรวมๆ กัน เช่น แร่โมนาไซด์ (monozite) การแยก ธาตุเหล่านี้ออกจากกันให้บริสุทธิ์ทำได้ยาก ปกติใช้วิธีผ่านเรซินแลกเปลี่ยนไอออน (ion exchange resin) ในสภาวะที่เหมาะสม โดยทั่วไปแล้ว ธาตุพวกนี้มีอยู่บนผิวโลกในปริมาณค่อนข้างน้อย จึงจัดเป็นธาตุที่หายาก
ธาตุในอนุกรมแอกทิไนด์ทุกธาตุเป็นธาตุกัมมันตรังสี และมีหลายธาตุที่ไม่พบในธรรมชาติ แต่สร้างขึ้นได้ ธาตุเหล่านี้แสดงเลขออกซิเดชัน ได้หลายค่าเช่นเดียวกัน
5.2. ธาตุหมู่ IVB หรือธาตุตระกูลไทเทเนียม (Ti, Zr, Hf)
ธาตุหมู่นี้ประกอบด้วยธาตุไทเทเนียม เซอร์โคเนียม และแฮฟเนียม สำหรับสองธาตุแรกนั้นอาจมีเลขออกซิเดชันได้ทั้ง +2, +3 และ +4 แต่แฮฟเนียมมีได้เพียง +4 เท่านั้น ซึ่งก็เป็นไปตามแนวโน้มของเลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชัน น่าสังเกตว่าในกรณีที่มีเลขออกซิเดชันเป็น +4 ก็แสดงว่าไม่มีอิเล็กตรอนใน d - ออร์บิทัลเลย เช่นเดียวกับ Sc (III) นั่นเอง สมบัติทั่วไปของธาตุหมู่นี้จะคล้ายของหมู่ IVA คือ มีลักษณะโคเวเลนซ์สูง บางสารประกอบอยู่เป็นโมเลกุลเดี่ยว เช่น TiCl4 บางสารประกอบก็อยู่เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่แบบโครงร่างตาข่าย เช่น TiO2
ธาตุไทเทเนียมจัดป็นโลหะแทรนซิชันที่มีสมบัติของโลหะแทรนวิชันครบถ้วน กล่าวคือ มีลักษณะขาววาวคล้ายเงิน จุดหลอมเหลวและจุดเดือดเหลวสูง แข็ง เหนียว ดึงให้เป็นเส้นได้ เป็นโลหะแทรนซิชันที่มีความหนาแน่นต่ำที่สุด ส่วนมากใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องบินไอพ่น และถ้าผสมกับโลหะอื่นเล็กน้อย เช่น 5% Al และ Fe, Cr และ Mo อย่างละ 2% จะได้โลหะเจือที่ทนความร้อนดีมากขึ้น และใช้ประโยชน์ได้ดีกว่าโลหะเจือใดๆ ของอะลูมิเนียม ที่สภาวะปกติไทเทเนียมค่อนข้างเฉื่อยมาก ทนได้แม้แต่แก๊สคลอรีนแห้ง แต่ถ้าอุณหภูมิสูงมากๆ (สูงกว่า 500 °C) ก็จะสามารถทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับอโลหะได้สารประกอบโคเวเลนซ์ เช่น TiO และ TiCl2 เป็นต้น นอกจากนี้ยังทำปฏิกิริยากับไอน้ำให้แก๊สไฮโดรเจนได้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น