Кіріспе

Химияда өтпелі металл (немесе өтпелі элемент) – периодтық кестедегі d блоктағы (3-тен 12-ге дейінгі топтар) химиялық элемент, бірақ 12-топтағы элементтер (және кейде 3-топ) кейде есепке алынбайды. Лантанидтер мен актинидтер элементтері (f блогы) ішкі өтпелі металдар деп аталады және кейде олар да өтпелі металдар саналады. Олар металл болғандықтан, жылтыр және жақсы электр және жылу өткізгіштігіне ие. Көбі (11- және 12-топтарды қоспағанда) қатты әрі берік, сондай-ақ жоғары балқу және қайнау температурасына ие. Олар екі немесе одан көп түрлі тотығу күйінде қосылыстар түзетін болып келеді және әртүрлі лигандтармен байланысып, көбінесе боялған координациялық кешендер құрайды. Олар көптеген пайдалы қорытпалар құрайды және катализатор ретінде элементтік күйде немесе координациялық кешендер мен оксидтер сияқты қосылыстарда жиі қолданылады. Көпшілігі, олардың көптеген қосылыстары сияқты, жұпталмаған d электрондарының болуына байланысты күшті парамагниттік қасиет көрсетеді. Бөлме температурасына жуық ферромагниттік қасиет көрсететін барлық элементтер – өтпелі металдар (темір, кобальт және никель) немесе ішкі өтпелі металдар (гадолиний). Ағылшын химигі Чарльз Ругели Бьюри (1890–1968) алғаш рет 1921 жылы осы контексте «өтпелі» деген сөзді қолданды, ол элементтердің ішкі электрондық қабатының өзгеруі кезінде (мысалы, n = 3 периодтық кестедегі 4-қатарда) 8-ден 18-ге немесе 18-ден 32-ге ауысу кезіндегі элементтердің өтпелі қатарын білдірді. Бұл элементтер қазір d блогы деп белгілі.

Анықтама және сыныптау

2011 жылғы IUPAC химиялық номенклатура қағидалары "өткінші металл" деп периодтық кестедегі 3-12 топтардағы кез келген элементті сипаттайды. Бұл d-блоктық элементтерге дәл сәйкес келеді және көптеген ғалымдар осы анықтаманы қолданады. Іс жүзінде f-блокты лантаноидтар мен актиноидтар сериясы "ішкі өтпелі металдар" деп аталады. 2005 жылғы Қызыл кітап 12-топ элементтерін алып тастауға мүмкіндік береді, бірақ 2011 жылғы қағидалар мұны қарастырмайды. IUPAC Алтын кітабы өтпелі металл деп "атомында ішінара толтырылған d қосалқы қабығы бар, немесе толық емес d қосалқы қабығы бар катиондарға айнала алатын элемент" деп анықтайды, бірақ бұл анықтама Қызыл кітаптың ескі басылымынан алынған және қазіргі басылымда жоқ. Лантан мен актинийдің осы орындарға орналасуы физикалық, химиялық және электрондық деректермен расталмайды, олар лютеций мен лоренцийді осы орындарға орналастыруды қолдайды. Кейбір авторлар иттрийдің астындағы орындарды үшінші нұсқа ретінде бос қалдыруды ұсынады, бірақ бұл формат 3-топқа тек скандий мен иттрий ғана кіретінін, әлде барлық лантаноидтар мен актинидтерді де қамтитынын түсініспеушілік тудырады; сонымен қатар, ол 15 элементтен тұратын f-блокты құрайды, ал кванттық механика f-блоктың 14 элементтен тұруын талап етеді. 2021 жылғы IUPAC алдын ала есебінде де осы мәселе шешілді, себебі бұл форма бір мезгілде (1) атомдық сандар тізбесін сақтауға, (2) 14 элементтен тұратын f-блокты қамтамасыз етуге және (3) d-блогында бөлінуді болдырмауға мүмкіндік береді. Қазіргі әдебиетте 3-топта лантан мен актинийді қорғайтын аргументтер кездеседі, бірақ көптеген авторлар оны логикалық тұрғыдан дұрыс емес деп санайды (әсіресе актиниум мен торийді әртүрлі қарастыру, екеуі де 5f орбиталын валенттік орбиталь ретінде пайдалана алады, бірақ жеке атомдар ретінде 5f орбитасы толмайды); мәселені зерттейтін көптеген ғалымдар лютеций мен лоренцийді қамтитын жаңартылған формамен келіседі. Себебі олардың электрондық конфигурациясы [ ]d10s2, онда d қабығы толық, және олардың барлық белгілі тотығу күйлерінде d қабығы толық болып қалады. Сондықтан, белгілі бір критерийлерге сәйкес, 12-топ элементтері Zn, Cd және Hg осы жағдайда постөтпелі металдар ретінде жіктелуі мүмкін. Дегенмен, осы элементтерді өтпелі элементтерді талқылау кезінде қарастыру жиі ыңғайлы. Мысалы, бірінші қатардағы өтпелі элементтердің кристалдық өріс тұрақтандыру энергиясын талқылау кезінде кальций мен мырыш элементтерін де қарастыру ыңғайлы, өйткені олардың екеуінің де мәні нөлге тең, бұл басқа өтпелі металл иондарының мәнімен салыстыруға мүмкіндік береді. Тағы бір мысал - кешендердің тұрақтылығының Ирвинг-Уильямс сериясы. Сонымен қатар, Zn, Cd және Hg өздерінің d орбиталарын байланыс үшін пайдалана алады, тіпті олар формалды түрде d қосалқы қабығын ашуды талап ететін тотығу күйлерінде танылмаса да, бұл оларды p-блокты элементтерден ерекшелейді. Жақында (бірақ әлі даулы және тәуелсіз түрде қайта шығарылмаған) сынап(IV) фторидінің синтезі 12-топ элементтерін өтпелі металдар деп қарастыру қажеттігін көрсетеді, бірақ кейбір авторлар бұл қосылысты ерекше деп санайды. Коперницийдің химиялық реакцияларда d электрондарын пайдалана алатыны күтілуде, себебі оның 6d қосалқы қабығы өте жоғары атомдық санына байланысты күшті релятивистік әсерлермен тұрақсызданады, сондықтан ол өтпелі металға ұқсас мінез-құлық танытады және +2-ден жоғары тотығу күйлерін көрсетеді (бұл жеңіл 12-топ элементтері үшін нақты белгісіз). Тіпті жалаңаш дикацияларда Cn2+ 6d87s2 болады деп болжанады, ал Hg2+ 5d106s0 болады. Мейтнерий, дармстадий және роентгений d-блогында орналасқан және иридий, платина және алтын сияқты жеңіл элементтерге ұқсас өтпелі металдар ретінде әрекет етуі мүмкін, бірақ бұл әлі тәжірибе жүзінде расталмаған. Коперницийдің сынап сияқты әрекет ететіні немесе асыл газ радонның қасиеттеріне ұқсас екені белгісіз. Cn-нің салыстырмалы инерттілігі салыстырмалы түрде кеңейтілген 7s–7p1/2 энергиялық саңылаудан туындайды, ол Hg-дің 6s–6p1/2 саңылауында байқалады, бұл металл байланысын әлсіретеді және оның төмен балқу және қайнау нүктелерін анықтайды. Тобтық саны төмен немесе жоғары өтпелі металдар тиісінше "ерте" немесе "кейінгі" деп сипатталады. Екі бағытты сыныптау схемасында ерте өтпелі металдар d-блогының сол жағында 3-топтан 7-топқа дейін орналасады. Кейінгі өтпелі металдар d-блогының оң жағында, 8-11 топтарда (немесе 12-топта, егер олар өтпелі металдар ретінде саналса) орналасады. Балама үш бағытты схемада 3, 4 және 5 топтар ерте өтпелі металдар, 6, 7 және 8 топтар орташа өтпелі металдар, ал 9, 10 және 11 (кейде 12-топ) топтары кейінгі өтпелі металдар болып жіктеледі. Ауыр 2-топ элементтері кальций, стронций және барий жеке атомдар ретінде толтырылмаған d орбиталарына ие болмаса да, кейбір қосылыстарда d орбиталық байланысқа қатысады, сондықтан оларды "құрметті" өтпелі металдар деп атаған. Радийге де осы қағида қолданылуы мүмкін. f-блокты элементтер La–Yb және Ac–No (n−1)d қабығының химиялық белсенділігіне ие, бірақ маңыздысы, d-блокты элементтерде жоқ (n−2)f қабығының химиялық белсенділігіне де ие. Сондықтан оларды көбінесе ішкі өтпелі элементтер ретінде қарастырады.

Түсті қосылыстар

Өту сериясы металл қосылыстарының түсі, әдетте, екі негізгі типтегі электрондық ауысуларға байланысты болады: зарядты ауыстыру ауысулары. Электрон басым лиганд орбиталынан басым металл орбиталына секіруі мүмкін, бұл лигандтан металға зарядтың ауысуына (LMCT) әкеледі. Бұл металл жоғары тотығу күйінде болғанда оңайрақ жүреді. Мысалы, хромат, дихромат және перманганат иондарының түсі LMCT ауысуларына байланысты. Тағы бір мысал, сынап (II) иодиді HgI2, LMCT ауысуының нәтижесінде қызыл түсті болады. Металдан лигандқа зарядтың ауысуы (MLCT) метал төмен тотығу күйінде болғанда және лиганд оңай тотығуға ұшырағанда болуы мүмкін. Жалпы, зарядты ауыстыру ауысулары d–d ауысуларына қарағанда күштірек түстерге әкеледі. d–d ауысулары. Электрон бір d орбиталынан екіншісіне секіреді. Өту металдарының кешендерінде d орбиталдарының барлығы бірдей энергияға ие емес. d орбиталдарының бөліну схемасын кристалл өріс теориясын қолдану арқылы есептеуге болады. Бөліну мөлшері нақты металға, оның тотығу күйіне және лигандтардың табиғатына байланысты. Нақты энергия деңгейлері Танабе-Сугано диаграммаларында көрсетілген. Октаэдрлік кешендер сияқты центросимметриялық кешендерде d–d ауысулары Лапорт ережесімен тыйым салынған және тек молекулалық дірілдеу d–d ауысуымен бірге болатын виброникалық байланыс арқасында ғана жүреді. Тетраэдрлік кешендердің түсі біршама күштірек болады, себебі симметрия центрі болмағанда d және p орбиталдары араласуы мүмкін, сондықтан ауысулар таза d–d ауысулары емес. d–d ауысуларынан туындаған жолақтың молярлық сіңіру қабілеті (ε) салыстырмалы түрде төмен, шамамен 5 500 М−1см−1 (мұнда М = моль дм−3). Кейбір d–d ауысулары спин бойынша тыйым салынған. Мысалы, октаэдрлік, жоғары спинді марганец(II) кешендерінде, онда d5 конфигурациясы бар, онда барлық бес электроны параллель спиндерге ие; мұндай кешендердің түсі спинге рұқсат етілген ауысулары бар кешендерге қарағанда әлдеқайда әлсіз. Марганец(II) қосылыстарының көптеген түрлері дерлік түссіз болып көрінеді. Көрінетін спектрде максималды молярлық сіңіру қабілеті шамамен 0,04 М−1см−1 құрайды.

Тотықтандыру күйлері

Өтпелі металдардың ерекшелігі – олардың екі немесе одан көп тотығу күйін көрсетуі, әдетте біреуімен ерекшеленеді. Мысалы, ванадийдің қосылыстары -1, сияқты, және +5, VO43 сияқты, барлық тотығу күйлерінде белгілі. 13-тен 18-ге дейінгі топтардағы негізгі элементтер де бірнеше тотығу күйін көрсетеді. Бұл элементтердің «жалпы» тотығу күйлері әдетте біреуінен екіге өзгеше болады. Мысалы, галлийдің +1 және +3 тотығу күйіндегі қосылыстары бар, онда бір галлий атомы бар. Ga(II) қосылыстары жұпсыз электронға ие болады және еркін радикал ретінде әрекет етеді және көбінесе тез жойылады, бірақ Ga(II) тұрақты радикалдары белгілі. Галлий сондай-ақ, әр Ga атомындағы жұпсыз электроннан пайда болған Ga–Ga байланысын қамтитын, Ga–Ga сияқты димерлік қосылыстарда +2 формальды тотығу күйіне ие. Осылайша, өтпелі элементтер мен басқа элементтер арасындағы тотығу күйлерінің басты айырмашылығы – элементтің бір атомы және бір немесе бірнеше жұпсыз электроны бар тотығу күйлерінің болуы. Бірінші қатардағы өтпелі металдардың ең жоғары тотығу күйі титаннан (+4) марганецке (+7) дейінгі валентті электрондардың санына тең, бірақ кейінгі элементтерде төмендейді. Екінші қатарда рутенийде (+8) ең жоғары, ал үшінші қатарда иридийде (+9) ең жоғары. және сияқты қосылыстарда элементтер ковалентті байланыс арқылы тұрақты конфигурацияға жетеді. Ең төменгі тотығу күйлері металл карбонил кешендерінде, мысалы, (тотығу күйі нөл) және (тотығу күйі -2) көрсетіледі, онда 18 электрон ережесі сақталады. Бұл кешендер де ковалентті. Иондық қосылыстар көбінесе +2 және +3 тотығу күйлерінде түзіледі. Сулы ерітіндіде иондар (әдетте) сегіз қырлы түрде орналасқан алты су молекуласымен гидратталады.

Магнетизм

Өтпелі металл қосылыстары, егер оларда бір немесе бірнеше жұпталмаған d электроны болса, парамагниттік болады. Төрттен жетіге дейінгі d электрондары бар октаэдрлік кешендерде жоғары спинді және төмен спинді күйлердің болуы мүмкін. Тетраэдрлік өтпелі металл кешендері жоғары спинді болады, себебі кристалдық өрістің айырылуы шағын, сондықтан электрондардың төменгі энергиялық орбитальдарда болуынан пайда болатын энергия, спиндерді жұптастыруға қажетті энергиядан әрқашан кем болады. Кейбір қосылыстар диамагниттік. Оларға октаэдрлік, төмен спинді d6 және шаршы жазықтық d8 кешендері жатады. Бұл жағдайларда кристалдық өрістің айырылуы соншалық, барлық электрондар жұптасады. Ферромагнетизм жеке атомдар парамагниттік болғанда және спин векторлары кристалдық материалда бір-біріне параллель бағытталғанда пайда болады. Металл темір және алнико қорытпасы – өтпелі металдарды қамтитын ферромагниттік материалдардың мысалдары. Антиферромагнетизм – қатты күйдегі жеке спиндердің нақты бір реттелуінен туындайтын тағы бір магниттік қасиет.

Каталитикалық қасиеттері

Өтпелі металдар мен олардың қосылыстары біртекті және әртүрлі каталитикалық белсенділіктерімен белгілі. Бұл белсенділік олардың көптеген тотығу күйлерін қабылдау және кешендер құру қабілеттерімен байланысты. Ванадий(V) оксиді (контакттік процесте), ұсақ дисперсті темір (Хабер процесінде) және никель (каталитикалық гидрлеуде) – осыған мысалдар. Қатты беттегі катализаторлар (наноматериалдарға негіделген катализаторлар) реакцияға түсетін молекулалар мен катализатор бетінің атомдары арасында байланыс түзетін процесті қамтиды (бірінші қатардағы өтпелі металдар байланыс үшін 3d және 4s электрондарын қолданады). Бұл катализатор бетіндегі реактивтердің концентрациясын арттырып, сондай-ақ реакцияға түсетін молекулалардағы байланыстарды әлсіретеді (активация энергиясы төмендейді). Сонымен қатар, өтпелі металл иондары тотығу күйлерін өзгерте алатындықтан, олар катализатор ретінде тиімдірек болады. Катализдің қызықты түрі – реакция өнімдері көбірек катализатор өндіретін реакцияны катализдейтін жағдайда (автокатализ) пайда болады. Оксил қышқылының қышқылданған калий перманганатымен (немесе манганат(VII)пен) реакциясы осыған мысал. Аз мөлшерде Mn2+ пайда болғаннан кейін, ол MnO4−-мен реакцияласып, Mn3+ құрайды. Бұл, өз кезегінде, C2O4− иондарымен реакцияласып, қайтадан Mn2+ құрайды.

Физикалық қасиеттері

Атауынан көрініп тұрғандай, барлық өтпелі металдар металдар болып табылады және электр тоғын өткізеді. Жалпы алғанда, өтпелі металдардың тығыздығы жоғары, балқу және қайнау нүктелері жоғары. Бұл қасиеттер металл байланысының делокализацияланған d электрондары арқасында пайда болады, бұл ортақ электрондардың саны артуымен күшейетін байланысқа (когезияға) әкеледі. Дегенмен, 12-топ металдарының балқу және қайнау нүктелері әлдеқайда төмен, себебі олардың толық d қосалқы қабықтары d–d байланысын қалыптастыруға мүмкіндік бермейді, бұл оларды дәстүрлі өтпелі металдардан ерекшелендіреді. Сынаптың балқу температурасы -38,83 °C және бөлме температурасында сұйық күйде болады.