فلزهای واسطه و طبقه بندی آن ها

علت اینکه به این عناصر فلزهای واسطه می‌گویند، خاصیت فلزی آنهاست. سطح انرژی تراز این عناصر d(n-1) می‌باشد که از نظر آرایش الکترونی برعکس فلزات قلیایی و قلیایی خاکی هم دوره خود هستند. به همین دلیل اتم آنها از الکترون خالی است و آخرین الکترون اتم آنها در d(n-1) وارد می‌شود.

دسته‌بندی فلزهای واسطه

تقسیم‌بندی این عناصر بر اساس محل قرار گرفتن الکترون متمایزکننده اتم آنهاست. آنها می‌توانند در دو تراز قرار بگیرند؛ یا تراز d(n-1) و یا در تراز f(n-2)

عناصر واسطه دسته d

معمولاً این فلزات (به جز روی و کادمیوم) در حالت اکسایش صفر یا در یکی از حالت‌های اکسایش بالاتر از صفر، در تراز لایه ظرفیت اتم خود یک یا چند اوربیتال تک الکترونی دارند. تک الکترون شاخص آنها در تراز d(n-1) قرار گرفته است.

از جمله این فلزات می‌توان به عناصر واسطه دوره چهارم (ردیف 3d)، دوره پنجم (ردیف 4d)، دوره ششم (ردیف 5d) و دوره هفتم (ردیف 6d) اشاره کرد.

عناصر واسطه دسته f

این فلزات به عناصر واسطه داخلی معروفند و به نام‌های مشخصی شناخته می‌شوند: اکتینیدها و لانتانیدها

تک الکترون شاخص اتم آنها در تراز f(n-2) قرار دارد که عموماً ترازهای درونی لایه ظرفیت هستند. این فلزات جزء عنصرهای گروه III B در جدول تناوبی می‌باشند.

این دو دسته از عناصر واسطه به نام‌های فلزات واسطه داخلی و خارجی شناخته می‌شوند که در ادامه به شرح مختصری از آنها می‌پردازیم:

فلزات واسطه خارجی

این فلزات داخل جدول تناوبی هستند که در آنها زیرلایه d در حال پر شدن است. از ویژگی آنها می‌توان به سختی، چگالی، دمای ذوب و جوش بالا نسبت به فلزات گروه اول و دوم، اشاره کرد. تمامی فلزات جدول تناوبی شامل: فلزات قلیایی، قلیایی خاکی، واسطه و فلزات اصلی دسته p جامد هستند، به جز جیوه که در دمای اتاق مایع است. این عناصر آرایش الکترونی بی‌نظمی دارند.

گروه یازدهم به نام فلزات سکه شهرت دارند که سه عنصر مس، نقره و طلا را شامل می‌شوند. ناگفته نماند که در بین فلزات واسطه خارجی نام‌گذاری‌های دیگری نیز به چشم می‌خورد:

فلزات پلاتینی: پالادیوم، پلاتین، رودیم، ایریدیم، روتنیم و اوسمیم در این دسته قرار دارند.

تریادها یا فلزات فرومانتیک یا دسته سه‌تایی‌ها: آهن، کبالت و نیکل را شامل می‌شود.

زمانی که ترکیبات آلی با فلزات واسطه خارجی ترکیب می‌شوند، ترکیبات آلی فلزی مهمی ساخته می‌شود که کاربردهای فراوانی دارند.

فلزات واسطه داخلی

همان دو دسته عنصر که جدا از جدول تناوبی و در پایین آن قرار گرفته‌اند. عناصر دسته اول، به لانتانیدها معروف هستند و خواصی شبیه به فلز لانتان دارند. عناصر دسته دوم که اکتینیدها نام گرفتند و خواصی مشابه فلز اکتینیوم دارند.

لانتانیدها: در آنها زیرلایه 4f در حال پر شدن است و عناصر آنها از عدد اتمی 57 تا 71 را شامل می‌شود.

اکتینیدها: در آنها زیرلایه 5f در حال پر شدن است و عناصر آنها از عدد اتمی 90 تا 103 را شامل می‌شود. اورانیوم مشهورترین اکتینید می‌باشد که از آن در ساخت سلاح‌های شیمیایی استفاده می‌شود.

خواص فلزات واسطه

این عناصر شامل چند دسته از خواص می‌شوند که در ادامه آنها را شرح خواهیم داد:

خاصیت فیزیکی

به دلیل اینکه این عناصر تعداد زیادی اوربیتال‌های تک‌الکترونی در تراز d دارند، شرایط مناسبی برای همپوشانی این اوربیتال‌ها، تشکیل پیوند کووالانسی در شبکه بلور و افزایش انرژی بستگی بلور فلزی به وجود آمده است.

به همین علت دمای ذوب و جوش، گرمای نهان تبخیر، سختی، چگالی و انرژی بستگی نسبتاً بالایی دارند. البته 3 عنصر از این ویژگی مستثنا هستند: روی، کادمیوم، جیوه؛ که در بین آنها فقط جیوه در درمای معمولی مایع است.

این ویژگی‌ها در عنصرهای واسطه میانی هر ردیف شدت بیشتری پیدا می‌کند اما در آخرین فلز واسطه هر ردیف، انرژی بستگی به پایین‌ترین حد خود می‌رسد.

خاصیت مکانیکی

از خواص مکانیکی این فلزات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

انعطاف‌پذیرند و قابلیت تغییر شکل دارند.

خاصیت چکش‌خواری و صیقل‌پذیری بالایی دارند.

خاصیت تورق و مفتول شدن بالایی دارند.

مقاوم در برابر ضربه، فشار و کشش هستند.

این ویژگی‌ها در مورد تمامی فلزات واسطه صدق می‌کند به جز جیوه که مایع است و روی و کروم که شکننده‌اند.

مس، طلا و نقره بسیار نرم می‌باشند. اما ترکیب این فلزات با برخی نافلزات منجر به تشکیل آلیاژهای بسیار مهمی می‌شود که کاربردهای زیادی در پژوهش و علم و صنعت دارند. یکی از این کاربردها استفاده از این آلیاژها در ساخت موتور جت هواپیما می‌باشد.

خاصیت مغناطیسی

همانطور که اشاره شد، این فلزات عموماً دارای اوربیتال‌های تک‌الکترونی هستند به ویژه زمانی که در حالت خنثی و آزاد باشند یا حداقل در یکی از حالت اکسایش خود در ترکیبات قرار داشته باشند؛ ناگفته نماند که روی و کادمیوم از این قاعده مستثنا هستند.

بنابراین در بسیاری از ترکیبات کوئوردیناسیون خود به خصوص با لیگاندهای ضعیف و در حالت گازی دارای خاصیت پارامغناطیسی می‌باشند.

روی و کادمیوم که حتی در حالت گازی هم الکترون جفت‌نشده ندارند؛ دارای خاصیت دیامغناطیسی هستند. اما کروم دارای یک حالت دیگر نیز می‌باشد: این فلز با داشتن الکترون‌های جفت‌نشده در بلور خود ممکن است دارای خاصیت آنتی فرومغناطیس باشد یا در ترکیبات کمپلکس یا لیگاندهای قوی یا مغناطیس باشد.

خاصیت الکترونگاتیوی

خاصیت الکترونگاتیوی و انرژی یونش فلزات واسطه نسبت به عناصر اصلی هم‌دوره خود بیشتر است. این ویژگی به دلیل کوچک بودن اندازه اتم و زیاد بودن بار مؤثر هسته می‌باشد.

خاصیت رسانایی برق و گرما

معمولاً عناصر واسطه رسانای جریان برق هستند. به دلیل پر بودن اوربیتال‌های تراز d و وجود اوربیتال تک الکترونی s لایه ظرفیت در عناصر گروه IB، خاصیت رسانایی در آنها بالاتر است.

هرچه خاصیت رسانایی الکتریکی در این عناصر بیشتر شود، رسانایی گرمایی بیشتری نیز خواهند داشت. در این بین، وانادیوم رسانایی الکتریکی کمتری دارد.

بیشتر بخوانید: بهترین فلز رسانای گرما کدام است؟