遷移元素 (遷移金属とも呼ばれます) は、部分的に満たされた d 軌道を持つ元素であり、遷移金属とも呼ばれます。 International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) は、遷移元素を電子で部分的に満たされた d サブシェルを持つ元素、または不完全に満たされた d 軌道を持っているにもかかわらず安定したカチオンを形成する能力を持つ元素として定義しています。
一般的に言えば、現在の周期表の d ブロック (3 ～ 12 族で構成される) に対応する元素は、その化学組成に関係なく、遷移元素と見なされます。ランタニドとアクチニドを含む f ブロック元素でさえ、その金属特性から遷移金属として分類できます。
fブロック元素は部分的にしか満たされていないf軌道を持っているため、それぞれ内部遷移元素または内部遷移金属と呼ばれることがよくあります。
水銀、カドミウム、および亜鉛の元素は、(n-1)d10 ns2 に対応する電子配置のため、遷移元素とは見なされないことに注意することが重要です。
基底状態と一部の酸化状態では、これらの元素は完全に d 軌道を満たしています。例として、(n-1)d10 の電子配置に対応する水銀の +2 酸化状態を考えてみましょう。
移行要素の基本的な特徴:
それらの電子配置が他の遷移金属の電子配置とは異なるという事実に照らして、元素亜鉛、カドミウム、および水銀は、前述のように遷移元素とは見なされません。一方、残りの d ブロック要素は、やや類似した特性を持ち、この類似性は、周期表の特定の各行に沿って観察できます。これらの遷移要素のプロパティは、次の段落にリストされています:
- これらの物質によって、着色化合物やイオンが形成されます。電子の d-d 遷移がこの色の原因です。
- これらの元素では、可能な酸化状態間のエネルギー差はわずかです。その結果、遷移元素には多数の酸化状態が存在します。
- d 軌道に不対電子があるため、これらの元素は多数の常磁性化合物を形成できます。
- それらは膨大な数の配位子でこれらの要素に結合できます。その結果、遷移元素は多数の異なる安定した複合体を形成する可能性があります。
- これらの元素の半径に対する電荷の比率は非常に高いです。
- 一般的に、遷移金属は硬く、他の元素と比較すると密度が比較的高いです。
- これは、非局在化した d 電子が金属結合に関与し、これらの元素の沸点と融点が非常に高くなるためです。
- 非局在化した d 電子のこの金属結合は、遷移元素の良好な電気伝導にも寄与します。
- いくつかの遷移金属の触媒特性は、特定の化学物質の工業生産に非常に役立ちます。たとえば、アンモニアを製造する場合、ハーバー法では鉄が触媒として使用されます。さらに、硫酸の工業生産では、五酸化バナジウムが反応を加速する触媒として使用されます。
原子イオン半径
３族から６族までの遷移元素では、遷移元素のｄ電子の数が少ないために遮蔽が不十分であるため、遷移元素の原子半径およびイオン半径が減少する。グループ 7 と 10 の間に配置された原子半径は多少似ていますが、グループ 11 と 12 の間に配置された原子半径はより大きくなっています。これは、電子間の反発が核電荷を打ち消し、正味の中性電荷が生じるためです。
グループを下っていく過程で、元素の原子半径とイオン半径の増加を観察することができます。この半径の増加は、シェルの構造内により多くのサブシェルが存在することで説明できます。
イオン化エンタルピー
価電子が除去されるために要素に供給されなければならないエネルギーの量は、イオン化エンタルピーと呼ばれます。電子に作用する実効核電荷が増加すると、元素のイオン化ポテンシャルは実効核電荷の増加に比例して増加します。その結果、遷移元素のイオン化エンタルピーは通常、s ブロック元素のイオン化エンタルピーよりも高くなります。また、遷移要素は、s ブロック要素よりも反応的です。
興味深いことに、元素のイオン化エネルギーは、元素の原子半径に反比例します。半径が小さい原子は、半径が比較的大きい原子よりもイオン化エンタルピーが高くなります。これは一般的な経験則です。遷移金属の行を下に移動すると、遷移金属のイオン化エネルギーが増加します (原子番号の増加による)。
結論:
遷移金属は、1 つではなく 2 つの価電子を持つ化学元素です。価電子は、化学結合の生成に関与できる電子です。遷移という用語には化学的価値はありませんが、原子構造の類似性と、そのように名付けられた元素のその後の属性を区別するための有用なモニカです。左側のグループと右側のグループの間で、元素の周期表の長周期の中心領域を占めています。それらはグループ 3 (IIIb) から 12 (特に IIb) までを形成します。
