أسئلة: العناصر الانتقالية

الإجابة الصحيحة: في القسم الأوسط من الجدول الدوري (المجموعات من الثالثة إلى الثانية عشرة)

العناصر الانتقالية فلزات تقع في القسم الأوسط من الجدول الدوري، وتتميز بأن ذرّاتها أو أيوناتها الشائعة تحتوي على مدار d غير ممتلئ بالكامل.

الإجابة الصحيحة: السكانديوم Sc (العدد الذرّي 21)

تبدأ سلسلة الفترة الرابعة الانتقالية من السكانديوم (Sc، العدد الذرّي 21) وتنتهي عند الزنك (Zn، العدد الذرّي 30).

الإجابة الصحيحة: الزنك Zn (العدد الذرّي 30)

تنتهي سلسلة الفترة الرابعة الانتقالية عند الزنك (Zn، العدد الذرّي 30)، وإن كان لا يُصنَّف كيميائيًا ضمن الفلزات الانتقالية النموذجية.

الإجابة الصحيحة: $[Ar]3d^5 4s^1$

توزيع الكروم شاذ عن الترتيب المتوقع 3d^4 4s^2؛ إذ يكون [Ar]3d^5 4s^1 لأن نصف امتلاء مدار d يمنح استقرارًا أعلى.

الإجابة الصحيحة: $[Ar]3d^{10}4s^1$

توزيع النحاس شاذ عن الترتيب المتوقع 3d^9 4s^2؛ إذ يكون [Ar]3d^{10}4s^1 لأن الامتلاء الكامل لمدار d يمنح استقرارًا مماثلًا.

الإجابة الصحيحة: نصف امتلاء مدار d (في الكروم) أو امتلاؤه الكامل (في النحاس) يمنح الذرّة استقرارًا أعلى

نصف امتلاء مدار d بخمسة إلكترونات منفردة (كما في الكروم) أو امتلاؤه الكامل بعشرة إلكترونات (كما في النحاس) يمنح الذرة استقرارًا أعلى من الترتيب المتوقع.

الإجابة الصحيحة: إلكترونات المدار 4s

تُفقَد إلكترونات المدار 4s أولًا قبل إلكترونات المدار 3d، لأن مستوى طاقة 4s يصبح أعلى من 3d بمجرد بدء امتلاء الأخير.

الإجابة الصحيحة: $[Ar]3d^6$

يُفقَد إلكترونا 4s أولًا لتكوين Fe2+، فيصبح التوزيع [Ar]3d^6.

الإجابة الصحيحة: $[Ar]3d^5$

يُفقَد إلكترون إضافي من مدار 3d بعد إلكترونَي 4s، فيصبح توزيع Fe3+ هو [Ar]3d^5، وهو توزيع نصف ممتلئ مستقر نسبيًا.

الإجابة الصحيحة: لأن توزيعه $3d^5$ نصف ممتلئ، وهو توزيع مستقر نسبيًا

توزيع $Fe^{3+}$ هو $[Ar]\,3d^5$، وفيه نصف امتلاء للمستوى الفرعي d، وهو توزيع مستقر نسبيًا، لذلك تشيع حالة الأكسدة $+3$.

الإجابة الصحيحة: وجود إلكترونات حرة الحركة يسهل انتقالها عبر الشبكة البلورية

تحتوي العناصر الانتقالية على إلكترونات حرة الحركة في شبكتها الفلزية، فتنقل الشحنة والطاقة الحرارية بسهولة وتعكس الضوء فتلمع.

الإجابة الصحيحة: مشاركة إلكترونات مدار d -بجانب إلكترونات 4s- في تكوين الرابطة الفلزية فتزداد قوتها

تشارك إلكترونات مدار d -بجانب إلكترونات 4s- في تكوين الرابطة الفلزية، فتزداد قوة الترابط بين الأيونات الموجبة وبحر الإلكترونات، مما يرفع درجتَي الانصهار والغليان ويزيد الصلادة.

الإجابة الصحيحة: من $+2$ إلى $+7$

توزيع المنجنيز $[Ar]\,4s^2 3d^5$، فيمكنه فقد إلكترونين أو أكثر حتى السبعة، لذلك تتراوح حالات أكسدته الشائعة من $+2$ إلى $+7$ (كما في $KMnO_4$).

الإجابة الصحيحة: أيون البرمنجنات $MnO_4^-$

يظهر المنجنيز بحالة الأكسدة +7 في أيون البرمنجنات MnO4-، وهو أيون شديد اللون البنفسجي.

الإجابة الصحيحة: تركيبه $3d^5$ نصف ممتلئ فهو أكثر استقرارًا

بينما $\text{Fe}^{2+}$ ($3d^6$) يسهل تأكسده إلى $3d^5$.

الإجابة الصحيحة: المنجنيز

وتتناقص حالات التأكسد بعده حتى الخارصين.

الإجابة الصحيحة: مستوى $3d$ ممتلئ في ذرته وفي أيونه $\text{Zn}^{2+}$

فلا يتحقق شرط وجود $d$ مشغول غير ممتلئ.

الإجابة الصحيحة: $3d$ غير ممتلئ في أيونه $\text{Cu}^{2+}$

فيتحقق التعريف في إحدى حالات تأكسده.

الإجابة الصحيحة: النيازك

أما في القشرة فيوجد في خامات أكسيدية وكربوناتية.

الإجابة الصحيحة: المجنتيت

أما الهيماتيت فـ $\text{Fe}_2\text{O}_3$ والسيدريت $\text{FeCO}_3$.

الإجابة الصحيحة: أول أكسيد الكربون الناتج من فحم الكوك

$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \to 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$.

الإجابة الصحيحة: الغاز المائي الناتج من الغاز الطبيعي

وهو خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين.

الإجابة الصحيحة: كبريتات الحديد ($\text{II}$) وهيدروجين

لأن الهيدروجين الناتج يختزل أي أملاح حديد ($\text{III}$).

الإجابة الصحيحة: يكوّن طبقة رقيقة من الأكسيد تمنع استمرار التفاعل

وتُزال بالحك أو بحمض الهيدروكلوريك المخفف.

الإجابة الصحيحة: أملاح حديد ($\text{II}$) وحديد ($\text{III}$) معًا

لأنه أكسيد مختلط.

الإجابة الصحيحة: أكسيد الحديد ($\text{III}$) وماء

$2\text{Fe(OH)}_3 \to \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$.

الإجابة الصحيحة: 5

فهو بارامغناطيسي.

الإجابة الصحيحة: $\text{ZnSO}_4$

لأن $\text{Zn}^{2+}$ ($3d^{10}$) كل إلكتروناته مزدوجة.

الإجابة الصحيحة: ثبات نصف قطرها الذري نسبيًا

لتأثير عاملين متعاكسين في الحجم الذري.

التوزيع الإلكتروني لذرّة الزنك هو $[Ar]3d^{10}4s^2$، وأيونه الوحيد الشائع $Zn^{2+}$ توزيعه $[Ar]3d^{10}$ الممتلئ بالكامل بمدار d. ونتيجة لهذا الامتلاء الكامل: لا يظهر الزنك بأكثر من حالة أكسدة موجبة متغيّرة (بخلاف بقية العناصر الانتقالية)، ولا تظهر محاليل أيوناته أي لون لعدم إمكان حدوث انتقال إلكتروني من نوع d-d (إذ لا يوجد مستوى d فرعي فارغ جزئيًا لينتقل إليه إلكترون). ولذلك، رغم أن الزنك يقع موضعيًا ضمن سلسلة الفترة الرابعة الانتقالية (من Sc إلى Zn)، فإنه لا يُصنَّف كيميائيًا ضمن الفلزات الانتقالية النموذجية.

التوزيع الإلكتروني لذرّة الحديد المتعادلة هو $[Ar]3d^6 4s^2$. عند تكوّن الأيون الموجب، تُفقَد إلكترونات المدار 4s أولًا لأن مستوى طاقته يصبح أعلى من 3d بمجرد بدء امتلاء الأخير؛ فبفقد إلكترونَي 4s يتكوّن $Fe^{2+}$ بتوزيع $[Ar]3d^6$. ولتكوين $Fe^{3+}$، يُفقَد إلكترون ثالث إضافي من مدار 3d، فيصبح التوزيع النهائي $[Ar]3d^5$. وهذا التوزيع نصف ممتلئ (خمسة إلكترونات منفردة، كل منها في مدار فرعي مستقل)، مما يمنح الأيون استقرارًا نسبيًا، ولهذا يُعَدّ $Fe^{3+}$ حالة أكسدة شائعة ومستقرة للحديد.

لأن المستوى الفرعي $d$ ممتلئ في الحالة الذرية لكنه يصبح غير ممتلئ في حالة التأكسد $+2$ أو $+3$ (كـ $\text{Cu}^{2+}$: $3d^9$)، فيتحقق تعريف العنصر الانتقالي في إحدى حالات تأكسده.

من أبرز الخواص الفيزيائية المشتركة بين العناصر الانتقالية: (1) اللمعان الفلزي والتوصيل الكهربي والحراري المرتفع. (2) الصلادة وارتفاع درجتَي الانصهار والغليان مقارنة بفلزات المجموعتين الأولى والثانية. (3) الكثافة العالية نسبيًا. (4) قابلية التطريق والسحب، مما يجعلها صالحة للتشكيل الميكانيكي في الصناعة. ويرجع هذا جميعًا إلى طبيعة الرابطة الفلزية القوية في هذه العناصر: فوجود إلكترونات حرة الحركة يفسّر اللمعان والتوصيل، بينما مشاركة إلكترونات مدار d -بجانب إلكترونات 4s- في تكوين الرابطة الفلزية يزيد من قوة الترابط بين الأيونات الموجبة وبحر الإلكترونات، فترتفع درجتا الانصهار والغليان وتزداد الصلادة.

$\text{C} + \text{O}_2 \to \text{CO}_2$ ثم $\text{CO}_2 + \text{C} \to 2\text{CO}$ ثم $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \to 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$. وفحم الكوك وقود ومصدر لأول أكسيد الكربون المختزل.

الهيماتيت $\text{Fe}_2\text{O}_3$ أحمر، والليمونيت $\text{Fe}_2\text{O}_3\cdot\text{H}_2\text{O}$ أصفر، والمجنتيت $\text{Fe}_3\text{O}_4$ أسود مغناطيسي، والسيدريت $\text{FeCO}_3$ رمادي.

من أشهر الأمثلة على استخدام العناصر الانتقالية ومركّباتها كعوامل حفّازة: (1) الحديد Fe، يُستخدم عاملًا حفّازًا في تحضير الأمونيا صناعيًا (عملية هابر). (2) أكسيد الفاناديوم $V_2O_5$، يُستخدم عاملًا حفّازًا في تحضير حمض الكبريتيك (عملية التلامس)، وذلك لأكسدة ثاني أكسيد الكبريت إلى ثالث أكسيد الكبريت. (3) النيكل Ni، يُستخدم عاملًا حفّازًا في هدرجة الزيوت النباتية السائلة لتحويلها إلى دهون صلبة.

البينية: تدخل ذرات صغيرة في المسافات البينية للشبكة فتعيق الانزلاق (الحديد والكربون). الاستبدالية: تحل ذرات فلز محل ذرات آخر مماثل في القطر والخواص (الحديد–الكروم). البينفلزية: اتحاد كيميائي بصيغة لا تخضع للتكافؤ العادي (الألومنيوم–النحاس).

يرجع تعدد حالات الأكسدة الموجبة للعناصر الانتقالية إلى تقارب مستويَي الطاقة 3d و4s في ذرّاتها؛ فهذا التقارب يسمح للذرّة بفقد أعداد متفاوتة من الإلكترونات (من كلا المستويين) دون وجود فرق كبير في الطاقة بين الحالات الناتجة، فتصبح أكثر من حالة أكسدة ممكنة الحدوث نسبيًا وبطاقات متقاربة. مثال: عنصر المنجنيز Mn يظهر بحالات أكسدة تتراوح من $+2$ إلى $+7$؛ فيظهر بحالة الأكسدة $+2$ على هيئة أيون $Mn^{2+}$ في كبريتات المنجنيز، ويظهر بحالة الأكسدة $+7$ في أيون البرمنجنات $MnO_4^-$ شديد اللون البنفسجي.

الخاصية البارامغناطيسية هي انجذاب الذرّة أو الأيون بضعف إلى مجال مغناطيسي خارجي، وتنشأ هذه الخاصية عندما يحتوي الأيون أو الذرّة على إلكترون مفرد واحد على الأقل (غير مزدوج مع إلكترون آخر) في مداراته d؛ وكلما زاد عدد هذه الإلكترونات المفردة زادت قوة الخاصية البارامغناطيسية. وأيون $Mn^{2+}$ توزيعه الإلكتروني في مدار d هو $3d^5$، أي خمسة إلكترونات، يوجد كل منها بمفرده في مدار فرعي منفصل من مدارات d الخمسة دون أي ازدواج بينها، وهذا أكبر عدد ممكن من الإلكترونات المفردة في توزيعات d لسلسلة الفترة الرابعة الانتقالية. ولهذا السبب، يُظهر $Mn^{2+}$ خاصية بارامغناطيسية قوية نسبيًا مقارنة بأيونات أخرى تحتوي على عدد أقل من الإلكترونات المفردة، أو لا تحتوي على أي إلكترون مفرد كأيون $Zn^{2+}$ الدايامغناطيسي بتوزيعه الممتلئ $3d^{10}$.

فحم الكوك يحترق ويكوّن أول أكسيد الكربون المختزل لأكسيد الحديد. الغاز الطبيعي (الميثان) يتفاعل مع $\text{CO}_2$ والماء لإنتاج الغاز المائي (أول أكسيد الكربون والهيدروجين) المختزل.

التكسير للحجم المناسب، والتلبيد لتجميع الحبيبات الدقيقة، والتركيز لزيادة نسبة الحديد بفصل الشوائب (بالتوتر السطحي أو الفصل المغناطيسي)، والتحميص لتجفيف الخام وأكسدة الكبريت والفوسفور.

(أ) $2\text{FeSO}_4 \xrightarrow{\Delta} \text{Fe}_2\text{O}_3 + \text{SO}_2 + \text{SO}_3$. (ب) $\text{FeC}_2\text{O}_4 \to \text{FeO} + \text{CO} + \text{CO}_2$.

لأن الهيدروجين الناتج من التفاعل يختزل أي أيونات حديد ($\text{III}$) إلى حديد ($\text{II}$) فيتكون $\text{FeCl}_2$ فقط.

لين نسبيًا قابل للسحب والطرق، له خواص مغناطيسية، ينصهر عند $1538^\circ\text{C}$ وكثافته $7.87\ \text{g/cm}^3$. لا يُستخدم نقيًا لأنه ليس شديد الصلابة، وتعتمد خواصه على نقائه وشوائبه، ويصنع منه الصلب وسبائك كثيرة ذات صفات مناسبة.

هو تجميع الحبيبات الدقيقة من الخام (الناتجة عن التكسير والطحن وتنظيف غازات الأفران) في أحجام أكبر متجانسة؛ لأن الخام الناعم لا يصلح استخدامه مباشرة في الفرن العالي.

$\text{Zn}^{2+}$ ($3d^{10}$، صفر) ثم $\text{Cu}^{2+}$ ($3d^9$، واحد) ثم $\text{Cr}^{3+}$ ($3d^3$، ثلاثة) ثم $\text{Fe}^{3+}$ ($3d^5$، خمسة).