Chimica generale ed inorganica + chimica nucleare

METALLI DI TRANSIZIONE

Ai metalli di transizione non viene applicata la regola dell’ottetto; in generale hanno caratteristiche

molto simili, per cui si possono trattare in maniera generale.

Sono rilevanti dal punto di vista biologico: seppure presenti in piccole quantità, hanno delle funzioni

importantissime, in particolare come componenti degli enzimi, i cui siti attivi molto spesso contengono

un metallo di transizione; altro punto importante è il fatto che alcuni di essi sono utilizzati in ambito

medico.

Caratteristiche generali

Gli elementi di transizione hanno una configurazione elettronica esterna che riempie gli orbitali d

(abbiamo 10 colonne gli orbitali d sono 5, ognuno con 2 elettroni per il principio di esclusione di

→

Pauli; per quel che riguarda le righe sono 3, ce n’è poi una quarta che è quella degli elementi

recentemente nominati, tutti artificiali); le tre righe non sono chiamate periodi, ma serie.

Gli elementi più noti e rilevanti, nonché quelli più leggeri, si trovano nella prima serie.

Carattere metallico

Sono tutti dei metalli, ma con un carattere metallico meno evidente degli elementi del blocco s: questo

perché, spostandosi verso destra, aumenta l’energia di ionizzazione e quindi sono sempre meno

reattivi rispetto agli elementi del blocco s; nei loro composti il carattere ionico dei legami diventa meno

evidente.

Raggio atomico

Gli elementi di transizione hanno raggio atomico (e ionico) molto simile, in particolare quelli della

seconda e della terza serie, anche se non dovrebbe essere così, perché scendendo lungo i gruppi

aumentiamo il numero di livelli di orbitali: non succede così (nei metalli di transizione) perché sotto ci

sono gli orbitali f, che sono 7 orbitali costituiti da 8 zone di probabilità, quindi ben distribuiti nello

spazio di conseguenza la densità elettronica è bassa gli orbitali f hanno una capacità schermante

→ →

molto bassa, il che fa sì che gli elettroni esterni, quelli che determinano dalla dimensione dell’atomo,

vengano attratti maggiormente: si ha cioè una contrazione del raggio atomico. Messi insieme questi

atomi, sono più piccoli, la massa è maggiore, la densità è maggiore: gli elementi della seconda e della

terza serie sono caratterizzati da un’elevata densità da qui deriva il termine “metalli pesanti”, perché

→

sono molto densi.

Numero di ossidazione

Sono caratterizzati da stati di ossidazione positivi gli elementi all’estremità del blocco d ne hanno

→

pochi (a volte anche solo uno, come scandio e zinco), ma quelli centrali ne hanno tantissimi, in

particolare cromo e manganese (considera quelli comuni, segnati in tabella); gli stati di ossidazione più

alti (come 6 o 7 di Cromo e manganese, rispettivamente) esistono in composti nei quali questi elementi

si comportano da non metalli.

Essendo elementi che hanno stati di ossidazione positivi, sono anche elementi che hanno potenziali di

riduzione bassi, cioè tendono ad ossidarsi, anche se alcuno di essi, come il Platino o l’Oro hanno

potenziali positivi sono i metalli nobili, preferiscono stare allo stato elementare.

→

Configurazione elettronica

Per quanto riguarda la configurazione elettronica (particolarità), alcuni di questi elementi preferiscono

avere gli orbitali d pieni, a scapito degli s, semipieni: in particolare sono il gruppo del Cromo e il

gruppo del Rame quando abbiamo una situazione di orbitale semipieni o pieni, abbiamo una

→

maggiore stabilità: l’energia degli orbitali s e d, in questo caso, è abbastanza simile quella del d è

→

leggermente più bassa, dunque l’elettrone va sul d; quando si genera uno ione, nei metalli di

transizione, viene rimosso prima l’elettrone ( o gli elettroni) dell’orbitale s.

Composti di coordinazione

Altra caratteristica degli elementi di transizione è la loro capacità di dare composti particolari, i

composti di coordinazione, che vedono alla base lo ione complesso, un metallo di transizione legato a

un numero variabile (da 2 a 6) leganti, specie chimiche neutre o cariche che possiedono un doppietto

elettronico: il legame che si forma è il legame coordinativo.

Tutti i metalli di transizione, in soluzione, danno degli ioni complessi con l’acqua, quindi si dice che

sono coordinati con essa.

I composti di coordinazione sono colorati, e questa è la ragione per cui ai metalli di transizione è

generalmente associato un colore (non a tutti, dipende dalla presenza all’interno di questi composti di

salti elettronici che corrispondono al visibile).

Stato elementare

Gli elementi di transizione sono metalli, quindi allo stato elementare sono solidi (tranne il mercurio

che è liquido), lucenti, di colore normalmente grigio (alcune eccezioni tipo Rame o Oro), sono

lavorabili, in quanto il legame che lega gli atomi è il legame metallico, non direzionale; sono inoltre

tutti conduttori di corrente elettrica, a causa della presenza, all’interno del solido, di elettroni mobili,

che si possono spostare da un atomo all’altro.

Pochi esistono in natura allo stato elementare, quasi tutti si producono in maniera abbastanza

semplice: il processo di produzione di metalli prevede un’estrazione dai minerali, una purificazione e

un’ulteriore purificazione che chiamiamo raffinazione in questi processi si parte da un composto,

→

che va ridotto allo stato elementare per fare ciò si utilizza un metodo chimico (carbone, monossido

→

di carbonio o elettrolisi).

Titanio

È un metallo diffuso in natura (ci sono dei minerali abbastanza abbondanti che lo contengono) ed è

piuttosto importante, poiché è leggero ed è un metallo che, nonostante abbia un potenziale negativo, in

realtà non è reattivo, perché passiva: sulla sua superficie si trova uno strato di ossido che protegge il

metallo sottostante (il metallo interno è reattivo, ma lo strato di ossido è così resistente che possiamo

tenerlo per tutta la vita nei nostri tessuti)

Viene normalmente utilizzato per le protesi, poiché è leggero ed ha un’elasticità simile a quella

dell’osso.

Per quanto riguarda i composti, si ricordano il tetracloruro di titanio TiCl4 (catalizzatore nella sintesi

del polietilene) e il biossido di titanio TiO2, utilizzato come filtro solare nelle creme solari viene

→

inserito come polvere molto fine; viene inoltre usato come pigmento (è bianco) in vernici, piastrelle,

prodotti farmaceutici…

Stato di ossidazione: +4

Cromo

Due stati di ossidazione: +3 e +6 il +3 è quello più stabile: in questa forma è un tipico metallo, lo

→

utilizziamo nei composti come metallo; il +6 è invece uno stato meno stabile, ma comunque

importante, perché esiste in alcune sostanza: ossido di cloro (VI), ione cromato e ione dicromato gli

→

ultimi due sono due ioni in equilibrio tra di loro e usati come ossidanti, in quanto il cromo tende ad

ossidarsi a +3.

I composti del cromo VI sono arancioni, mentre quelli del cromo III sono verdi; il cromo III viene

infatti usato come pigmento: per esempio le bottiglie di vetro verde contengono cromo III o ferro II

(anch’esso verde).

Il Cromo (VI), essendo una sostanza molto reattiva, è anche una sostanza tossica, è un cancerogeno.

Allo stato elementare è utilizzato come metallo per le cromature.

Manganese

Ha tanti stati di ossidazione, quelli più comuni sono +2, +4 e +7.

Allo stato elementare viene utilizzato per esempio come componente degli acciai.

Come composti ha due ossidi: ossido di manganese (II) e (bi)ossido di manganese (IV).

L’ossido di manganese (II) è un solido bruno, utilizzato come pigmento; il biossido di manganese ha

applicazioni industriali ma lo incontreremo sostanzialmente in una delle due semireazioni del

permanganato in particolare si forma quando il permanganato di potassio viene usato come

→

ossidante in ambiente non acido.

Il permanganato di potassio KMnO4 è un solido viola; quando sciolto si hanno soluzioni che possono

essere usate come disinfettanti e in laboratorio come ossidanti.

Gli ossidi dei metalli di transizione in generale non sono sostanze reattive, sono sostanze insolubili:

possiamo scrivere le reazioni in maniera formale, ma non avvengono.

il manganese lo ricordiamo anche a livello biologico perché è presente in piccole quantità in alcuni

enzimi; in grandi quantità può dare tossicità.

Ferro

Ha due stati di ossidazione: +2 e +3 il +3 è il più stabile, in quanto ha 5 elettroni nel d.

→

È l’elemento più abbondante della Terra ed è in molti materiali, come l’ematite (ossido ferrico), la

magnetite e la pirite nella pirite sono presenti, oltre allo ione solfuro, sia il Ferro 2+, sia il Ferro 3+

→

(è un ossido misto).

Il ferro ha un potenziale negativo, infatti diventa ruggine se lo esponiamo all’aria in presenza di acqua.

Altra proprietà del Ferro (che hanno anche Cobalto e Nichel) è il ferromagnetismo: capacità di questi

elementi di generare dei magneti permanenti, dovuti all’allineamento degli elettroni tanti elettroni

→

insieme generano un campo magnetico.

I composti del ferro sono gli ossidi e gli idrossidi: l’idrossido di Ferro (III) è quello più comune è

→

quello che chiamiamo “ruggine”, è un solido bruno ed insolubile, di conseguenza quindi non è una

base forte, in quanto precipita, non si dissocia; i sali di ferro si distinguono perché i sali di Ferro (III)

sono giallo-bruni e quelli di Ferro (II) sono giallo-verdi. Ci sono poi i composti di coordinazione: uno

di questi è il blu di prussia, che viene utilizzato come pigmento.

La produzione di ferro

Il ferro viene prodotto negli altoforni: si prendono i minerali di ferro e li si portano ad altissima

temperatura, in presenza di monossido di carbonio CO, che può ossidarsi e quindi agire da riducente;

quello che si ottiene è un ferro non totalmente puro che chiamiamo ghisa, la quale viene ancora

trattata eliminando le impurezze, dando origine al ferro.

Il ferro viene utilizzato ampiamente come tale, ma anche per la produzione di acciai l’acciaio è una

→

sostanza un po’ particolare, perché è una soluzione solida: nell’acciaio si ha carbonio disciolto dentro al

ferro; la presenza del carbonio conferisce al ferro durezza e resistenza, che può essere accentuata

andando a inserire altri metalli esistono infatti diversi tipi di acciaio, che contengono differenti

→

metalli.

Ferro e sistemi biologici