Elementi di transizione: caratteristiche, numeri di ossidazione

Gli elementi di transizione formano una grande varietà di complessi che vanno dai composti ionici come [FeF₆]^3- ai complessi idrati come [Ti(H₂O)₆]³⁺.Tale varietà di comportamenti dipende dalla caratteristica principale degli elementi di transizione, ovvero, quella di possedere tutti elettroni d.

Gli orbitali d sono cinque e precisamente d_xz, d_xy, d_yz, d_x2-y2,d_z2 , sono caratterizzati dal numero quantico secondario uguale a due (l=2) e non possono accogliere più di dieci elettroni . Essi non sono uguali per orientazione spaziale, ma in un atomo isolato possiedono la stessa energia. L’orbitale d_z2 è diretto lungo l’asse z e l’orbitale d_x2-y2 possiede dei lobi orientati lungo gli assi x e y. I rimanenti tre orbitali possiedono lobi che si estendono in regioni poste tra gli assi ortogonali x,y e z.

Nel primo grande periodo dallo scandio allo zinco, si riempie progressivamente il sottolivello 3d.

Tabella

La tabella sottostante indica la distribuzione degli elettroni degli elementi di transizione quando l’atomo è allo stato fondamentale:

Se si tiene presente il riempimento dei livelli elettronici degli elementi di transizione si può notare che i sottolivelli d sono occupati, dopo che sono stati già riempiti sottolivelli s aventi un numero quantico maggiore.

Dalla tabella si può notare che, ad eccezione dello scandio e del titanio, si registra una piccola variazione dei raggi atomici lungo la serie e pertanto non vi sono grandi differenze nelle dimensioni atomiche, specie nella parte centrale della serie.

Caratteristiche 

Le configurazioni elettroniche degli elementi della prima serie di transizione hanno le seguenti caratteristiche:

1) un nocciolo interno di elettroni aventi la stessa configurazione elettronica dell’argon;

2) due elettroni nell’orbitale 4s per otto dei membri e un elettrone nel 4s nei restanti due ( Cr e Cu)

3) un numero di elettroni 3d che varia da uno nello scandio a dieci nel rame e nello zinco.

Questi elementi hanno più di un numero di ossidazione anche se spesso presentano un numero di ossidazione preferenziale. Ad esempio il titanio che ha una configurazione [Ar] 3d²4s² può usare tutti e quattro gli elettroni esterni al nocciolo dell’argon nella formazione di composti e presenta un numero di ossidazione +4. Il titanio, tuttavia, può usare un numero di elettroni minore ad esempio cedendo i soli elettroni 4s²  e formare lo ione Ti²⁺. Nel caso preso ad esempio si notano due caratteristiche:

a)      Diversi stati di ossidazione possibili

b)      Uno stato di ossidazione massimo corrispondente al numero del Gruppo che per il titanio è 4B

Queste caratteristiche continuano con il vanadio, il cromo e il manganese per i quali gli stati di ossidazione massimi sono rispettivamente +5, +6 e +7. Un comportamento diverso si verifica per il ferro, cobalto e nichel. Anche se tali elementi possono esistere in più di uno stato di ossidazione essi non presentano la varietà di stati di ossidazione dei precedenti membri e il loro stato di ossidazione massimo non corrisponde al numero del gruppo di appartenenza.

Stati di ossidazione

Nella seguente tabella sono riportati gli stati di ossidazione della prima serie degli elementi di transizione:

Si noti che gli stati di ossidazione più comuni sono evidenziati in grassetto. Anche se tali elementi hanno diversi stati di ossidazione, quelli accessibili differiscono nella facilità con cui possono essere ottenuti e nelle loro stabilità.