الباب الأول - الدرس 2: الخواص العامة لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى (الكتلة والحجم والكثافة والمغناطيسية والنشاط الحفزي وتنوع الألوان)
تُبدي عناصر السلسلة الانتقالية الأولى تدرجاً نموذجياً فريداً في خواصها الفيزيائية والكيميائية ناتجاً عن طبيعة التوزيع الإلكتروني في المستويين الفرعيين 4s و 3d. تتزايد الكتلة الذرية تدريجياً عبر السلسلة مع شذوذ علمي لافت عند عنصر النيكل (28Ni) نظراً لوجود خمسة نظائر مستقرة له بمتوسط حسابي قدره 58. 7 u. ويظهر نصف القطر الذري ثباتاً نسبياً ملحوظاً بدءاً من الكروم وحتى النحاس بفعل التعادل الدقيق بين عاملين متعاكسين: زيادة شحنة النواة الفعالة الجاذبة وقوى التنافر المتزايدة بين إلكترونات 3d، مما يجعلها مثالية لتكوين السبائك الاستبدالية. كما تبرز الخواص المغناطيسية الفاصلة بين المواد البارامغناطيسية التي تنجذب للمجال المغناطيسي لاحتوائها على إلكترونات مفردة والمواد الدايامغناطيسية التي تتنافر مع المجال لازدواج جميع إلكتروناتها. وتكتمل المنظومة بالنشاط الحفزي الفائق بفضل إلكترونات 4s و 3d وتنوع ألوان الأيونات التي تمتص أطوالاً موجية محددة من الضوء المرئي وتظهر باللون المتمم.
1. تدرج الخواص الذرية وشذوذ كتلة النيكل
- الكتلة الذرية: تزداد تدريجياً بزيادة العدد الذري، ويشذ النيكل (28Ni) لأن له 5 نظائر مستقرة متوسطها الحسابي 58.7 u.
-
نصف القطر الذري (الثبات النسبي): يقل نصف القطر قليلاً من Sc إلى Cr، ثم يثبت نسبياً من Cr (1.17 Å) إلى Cu (1.17 Å). والسبب تعادل عاملين:
• عامل النقص: زيادة شحنة النواة الفعالة فيزداد جذبها لإلكترونات التكافؤ.
• عامل الزيادة: زيادة عدد إلكترونات 3d فتزداد قوى التنافر بينها وتدفع للخارج. - الكثافة: تزداد بانتظام من السكانديوم إلى النحاس؛ لزيادة الكتلة الذرية مع ثبوت الحجم الذري تقريباً (الكثافة = الكتلة / الحجم).
2. الخواص المغناطيسية والعزم المغناطيسي
| المادة | الشرط الإلكتروني | التأثير مع المجال المغناطيسي | العزم المغناطيسي (μ) |
|---|---|---|---|
| البارامغناطيسية | وجود إلكترونات مفردة في أوربيتالات d |
تنجذب للمجال الخارجي | يتناسب طردياً مع عدد الإلكترونات المفردة |
| الدايامغناطيسية | جميع الإلكترونات في أوربيتالات d مزدوجة (d⁰ أو d¹⁰) |
تتنافر مع المجال الخارجي | يساوي صفراً (μ = 0) لتعاكس العزوم المغناطيسية المزدوجة |
3. النشاط الحفزي وتنوع الألوان (الألوان المتممة)
النشاط الحفزي النموذج المعتمد
تعتبر الفلزات الانتقالية عوامل حفز نموذجية؛ لأن إلكترونات 4s و 3d تكون روابط ضعيفة بين جزيئات المواد المتفاعلة وذرات سطح الحفاز، مما يرفع تركيز المتفاعلات على السطح، ويضعف روابطها، ويقلل طاقة التنشيط ويزيد سرعة التفاعل.
تنوع ألوان الأيونات
تتلون مركبات العناصر الانتقالية إذا كان المستوى الفرعي 3d يحتوي على إلكترونات مفردة (من d¹ إلى d⁹)؛ حيث تمتص طاقة الضوء المرئي اللازمة لإثارة هذه الإلكترونات، وتظهر المادة باللون المتمم (مثلاً: مركبات الكروم الثلاثي Cr³⁺ تمتص اللون الأحمر فتظهر باللون الأخضر المتمم له).
تمرين 1: مقارنة العزم المغناطيسي لأيونين
المسألة: أيهما أكبر في العزم المغناطيسي: أيون الحديد الثنائي (Fe²⁺) أم أيون الحديد الثلاثي (Fe³⁺)؟ فسر إجابتك بالتوزيع الإلكتروني (العدد الذري للحديد 26).
• ذرة الحديد Fe: [Ar] 4s² 3d⁶.
• أيون Fe²⁺: يفقد إلكتروني 4s فيكون [Ar] 3d⁶ (يحتوي على 4 إلكترونات مفردة).
• أيون Fe³⁺: يفقد إلكتروني 4s وإلكتروناً من 3d فيكون [Ar] 3d⁵ (يحتوي على 5 إلكترونات مفردة).
• العزم يتناسب مع عدد الإلكترونات المفردة، إذن عزم Fe³⁺ أكبر من عزم Fe²⁺.
تمرين 2: شذوذ الكتلة الذرية للنيكل
المسألة: علل علمياً: يشذ النيكل عن التدرج المنتظم في الكتلة الذرية لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى.
• بسبب وجود خمسة نظائر مستقرة لعنصر النيكل في الطبيعة.
• المتوسط الحسابي لكتل هذه النظائر الخمسة يساوي 58.7 وحدة كتل ذرية (u)، وهو أقل من المتوقع في مسار التدرج.
تمرين 3: تفسير اللون الأخضر لمركبات الكروم الثلاثي
المسألة: علل علمياً: تظهر محاليل مركبات الكروم الثلاثي (Cr³⁺) دائماً باللون الأخضر للعين المجردة.
• يحتوي أيون Cr³⁺ على 3 إلكترونات مفردة في المستوى 3d: [Ar] 3d³.
• تمتص هذه الإلكترونات طاقة فوتونات اللون الأحمر من الضوء الأبيض الساقط لإثارتها.
• تنعكس باقي ألوان الطيف التي تتجمع لتعطي اللون المتمم للون الأحمر وهو اللون الأخضر.
تمرين 4: تمييز المواد الدايامغناطيسية
المسألة: بين بالمعادلات أو التوزيع الإلكتروني أي المركبات الآتية بارامغناطيسي وأيها دايامغناطيسي: TiO₂ ، FeCl₂ ، ScCl₃ ، ZnSO₄.
• TiO₂: التيتانيوم Ti⁴⁺ توزيعه [Ar] 3d⁰ ⇐ دايامغناطيسي وعديم اللون.
• FeCl₂: الحديد Fe²⁺ توزيعه [Ar] 3d⁶ به 4 إلكترونات مفردة ⇐ بارامغناطيسي وملون.
• ScCl₃: السكانديوم Sc³⁺ توزيعه [Ar] 3d⁰ ⇐ دايامغناطيسي وعديم اللون.
• ZnSO₄: الخارصين Zn²⁺ توزيعه [Ar] 3d¹⁰ ⇐ دايامغناطيسي وعديم اللون.
تمرين 5: أثر العامل الحفاز على طاقة التنشيط
المسألة: تفاعل كيميائي طاقة تنشيطه بدون عامل حفاز 180 kJ، وعند استخدام فلز انتقالي كحفاز انخفضت طاقة التنشيط بمقدار 40 kJ. احسب طاقة التنشيط للتفاعل المحفز، ووضح هل تتغير حرارة التفاعل (ΔH)؟
• طاقة التنشيط المحفزة = 180 - 40 = 140 kJ.
• حرارة التفاعل (ΔH): تظل ثابتة تماماً دون تغيير؛ لأن العامل الحفاز يغير فقط مسار التفاعل ويقلل طاقة التنشيط ولا يغير طاقتي النواتج والمتفاعلات.
تمرين 6: الثبات النسبي لنصف القطر وتكوين السبائك
المسألة: ما الأهمية الصناعية المترتبة على الثبات النسبي لنصف القطر الذري من الكروم إلى النحاس؟
• يتيح الثبات النسبي لأنصاف الأقطار تقارب الحجوم الذرية لهذه العناصر بدرجة كبيرة.
• يمثل ذلك الشرط البنيوي الأساسي لتكوين السبائك الاستبدالية (Substitutional Alloys) حيث تحل ذرات الفلز المضاف محل ذرات الفلز الأصلي في شبكته البلورية دون تشويه بنيتها.
تمرين 7: تفسير تدرج الكثافة الصاعد
المسألة: علل علمياً: تزداد كثافة عناصر السلسلة الانتقالية الأولى بزيادة العدد الذري من السكانديوم إلى النحاس.
• الكثافة تساوي الكتلة الذرية مقسومة على الحجم الذري: ρ = Mass / Vol.
• الكتلة الذرية تزداد بانتظام بزيادة العدد الذري، بينما يظل الحجم الذري ثابتاً نسبياً.
• وبالتالي تتناسب الكثافة طردياً مع الكتلة الذرية وتزداد بانتظام عبر السلسلة.
تمرين 8: جدول الألوان الممتصة والمتممة
المسألة: إذا امتصت مادة انتقالية اللون البنفسجي، فبأي لون تظهر للعين؟ وإذا امتصت اللون الأصفر فما لونها المتمم؟
• المتمم للبنفسجي (Violet) هو الأصفر (Yellow)، فتظهر المادة بلون أصفر.
• المتمم للأصفر هو البنفسجي، فتظهر المادة بلون بنفسجي.
• قاعدة الألوان المتممة: أحمر ↔ أخضر، برتقالي ↔ أزرق، أصفر ↔ بنفسجي.
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً: