ธาตุแทรนซิชัน (transition elements)

              ตำแหน่งของธาตุแทรนซิชันในตารางธาตุ  อยู่ระหว่างหมู่ IIA และ IIIA ประกอบด้วยธาตุหมู่  IB ถึงหมู่VIIIB รวม ทั้งกลุ่มแลนทาไนด์กับกลุ่มแอกทิไนด์ ดังรูป 

สมบัติของธาตุแทรนซิชัน 

ธาตุแทรนซิชันทุกธาตุเป็นโลหะ แต่มีความแข็งแรง  เหนียวและทนทานกว่าโลหะหมู่  A  ในที่นี้จะศึกษาสมบัติของธาตุแทรนซิชันเฉพาะคาบที่  4  เป็นธาตุคาบแรกที่มีธาตุแทรนซิชัน  ประกอบด้วยธาตุที่มีเลขเชิงอะตอม  19  ถึง  36  ธาตุแทรนซิชันที่อยู่ในคาบนี้คือธาตุที่มีเลขเชิงอะตอมตั้งแต่  21-30  ธาตุสแกนเดียม  (Sc) เป็นธาตุแทรนซิชันที่มีเลขเชิงอะตอมต่ำสุด  ดังรูป

ตารางเปรียบเทียบสมบัติของโลหะหมู่  A กับโลหะแทรนซิชันคาบที่ 4 

สมบัติของโลหะแทรนซิชันเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะหมู่  1A  IIA  มีความแตกต่างกันดังนี้ 

1.  โลหะแทรนซิชันส่วนใหญ่มีจุดหลอมเหลว จุดเดือด และความหนาแน่นสูงกว่าโลหะหมู่   IA , IIA 
  
                               (คลิ้กชมวีดีทัศน์แสดงอุตสาหกรรมการถลุงเหล็กตั้งแต่ต้นจนจบ)

2.   โลหะแทรนซิชันมีค่า  IE₁ สูงกว่าโลหะหมู่  IA , IIA  ทำให้ความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาน้อยกว่า
      โลหะหมู่  IA , IIA
3.   โลหะแทรนซิชันมีรัศมีอะตอมใกล้เคียงกัน   แต่รัศมีอะตอมสั้นกว่าธาตุหมู่  IA , II A  และแนวโน้มใน
       การเพิ่มขึ้นหรือลดลงไม่แน่นอน 

4.   โลหะแทรนซิชันมีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงกว่าโลหะหมู่  1A  2A  จึงเสียอิเล็กตรอนยากกว่า  ทำให้
       ความไวในการเกิดปฏิกิริยาน้อยกว่าธาตุหมู่  1A  2A

การจัดอิเล็กตรอนของธาตุแทรนซิชัน 

          ธาตุแทรนซิชันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนไม่เกิน  1  หรือ  2  ไม่ว่าจะอยู่หมู่ใด    ถ้าดูเฉพาะเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะเหมือนธาตุหมู่  1A  หรือ  2A  แต่ต่างกันที่จำนวนอิเล็กตรอนชั้นที่อยู่ถัดเข้าไป  คือถ้าเป็นโลหะหมู่  1A  หรือ  2A  อิเล็กตรอนชั้นที่ถัดจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนเข้าไปจะเท่ากับ  8  แต่ถ้าเป็นโลหะแทรนซิชันจำนวนอิเล็กตรอนของชั้นที่ถัดจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนเข้าไปจะมีจำนวนไม่แน่นอน  การจัดอิเล็กตรอนของโลหะแทรนซิชันคาบที่  4  เป็นดังนี้

ตารางแสดงการจัดอิเล็กตรอนเปรียบเทียบระหว่างธาตุ  IA , II A , (K,Ca) กับธาตุแทรนซิชันคาบที่ 4

สารประกอบของโลหะแทรนซิชัน 

          สารประกอบของโลหะแทรนส่วนใหญ่จะมีสี  (คลิ้กชมภาพแสดงสีของสารละลายของสารประกอบของโลหะแทรนซิชัน)  ในขณะที่สารประกอบของโลหะหมู่  A  และสารละลายของสารประกอบของโลหะหมู่  A  จะใสไม่มีสี ยกเว้นสารประกอบของ  Pb  เป็นโลหะหมู่  4A  แต่มีทั้งชนิดที่มีสีและไม่มีสี   (คลิ้กชมภาพเปรียบเทียบสีของสารละลายของสารละลายของโลหะแทรนซิชันกับโลหะหมู่ A)  พบว่าสีของธาตุแทรนซิชันจะสัมพันธ์กับเลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชันนั้น ๆ   ดังตัวอย่าง  

ตัวอย่างสีของสารประกอบและ ไอออนของธาตุแทรนซิชันบางชนิดกับเลขออกซิเดชัน

* ไม่ละลายน้ำ 

เราไม่สามารถสรุปได้ว่าธาตุแทรนซิชันชนิดเดียวกัน  เมื่ออยู่ในสารประกอบต่างชนิดแต่มีเลขออกซิเดชันเท่ากัน  จะต้องมีสีเหมือนกันเสมอไป  เช่น  ScCl₃  กับ  Sc₂S₃  เลขออกซิเดชันของ  Sc  ในสารประกอบทั้ง  2 ชนิด = +3  แต่สีของสารประกอบไม่เหมือนกัน 
                แต่อย่างไรก็ตามมีธาตุแทรนซิชันจำนวนมากที่อยู่ในสารประกอบต่างชนิด  แต่มีเลขออกซิเดชันเท่ากัน  พบว่ามีสีเหมือนกัน  เช่น  CuSO₄   Cu(NO₃)₂   กรณีนี้  Cu  มีเลขออกซิเดชัน  = +2  เท่ากันและพบว่ามีสีน้ำเงินเหมือนกัน (คลิ้กชมได้)  ( Cu  ถ้ามีเลขออกซิเดชัน  = +1  จะไม่มีสี)   (คลิ้ก ดูรูปสีของสารประกอบของธาตุแทรนซิชัน)

•  สีของสารประกอบของธาตุแทรนซิชันคาบที่  4  เกิดจากการที่อิเล็กตรอนในระดับพลังงาน  3d  มีไม่เต็ม

การที่ธาตุแทรนซิชันมีสีต่าง ๆ กันเมื่อมีเลขออกซิเดชันเปลี่ยนไป   ทำให้ทราบขั้นตอนในการเกิดปฏิกิริยาของธาตุแทรนซิชัน  โดยสังเกตจากการเปลี่ยนสี   เช่น  โครเมียม  (Cr)  เมื่อมีเลขออกซิเดชัน  +6  จะมีสีส้ม  แต่ถ้ามีเลขออกซิเดชัน  +3  จะมีสีเขียว   ถ้าเราต้องการเปลี่ยน  Cr₂O₇^2-  ซึ่ง  Cr  มีเลขออกซิเดชัน  +6  (สีส้ม)  ให้เป็น  Cr³⁺  (สีเขียว)    โดยให้  Cr₂O₇^2-  ทำปฏิกิริยากับ  H₂O₂  ดังสมการ

     Cr₂O₇^2- (aq)  +  H₂O₂(aq)                 →        Cr³⁺(aq)  +  H₂O(g)  +  ….

      สีส้ม                 ไม่มีสี                                   สีเขียว          ไม่มีสี

   ในการเกิดปฏิกิริยานี้ถ้าสารละลายเปลี่ยนจากสีส้มเป็นสีเขียวอย่างสมบูรณ์  ย่อมแสดงว่า  Cr₂O₇^2- เปลี่ยนเป็น  Cr³⁺ ตามต้องการ

           แมงกานีส (Mn)  เป็นธาตุแทรนซิชันที่เกิดสารประกอบได้หลายชนิด  มีเลขออกซิเดชันหลายค่าและมีสีต่าง  ๆ  กันไป  เช่น 

                  ถ้าเรามีสารละลาย  KMnO₄  สารละลายจะเป็นสีม่วง  จากนั้นเติมสารละลายอื่น ๆ เพื่อให้ทำปฏิกิริยากัน  มีผลให้   KMnO₄    กลายเป็นสารประกอบชนิดใหม่ที่เลขออกซิเดชันไม่เท่าเดิม  สีจึงเปลี่ยนไป  เราสังเกตจากสีที่เปลี่ยนจะทราบว่าปฏิกิริยาก้าวหน้าไปถึงขั้นใด  เช่น  เติมสารละลาย  NaOH  กับสารละลาย  C₁₂H₂₂O₁₁  ลงในสารละลาย  KMnO₄  แล้วสังเกตการณ์เปลี่ยนสี  จะพบว่ามีการเปลี่ยนสีจากสีม่วงเป็รนสีเขียวและสีเหลืองตามลำดับ  แสดงว่ามีปฏิกิริยาเกิดขึ้น  2  ขั้นตอน  ทำให้สารประกอบของ  Mn  เปลี่ยนจาก  KMnO₄  เป็น  K₂MnO₄  และ  MnO₂  ตามลำดับ

 (คลิ้ก ชมวีดีทัศน์แสดงปฏิกิริยาของ  KMnO₄ กับ NaOH + C₁₂H₂₂O₁₁)

การที่ธาตุแทรนซิชันมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า  เป็นเพราะการจัดอิเล็กตรอนมีลักษณะพิเศษต่างจากธาตุหมู่  A  ถ้าเป็นธาตุแทรนซิชันคาบที่  4  ความพิเศษอยู่ที่  3d  กับ  4s  (คาบ 5 อยู่ที่  4d  กับ  5s  และต่อ ๆ ไป ) เช่น โครเมียม   ( Cr )   เมื่ออยู่ในภาวะปกติและเมื่ออยู่ในสารประกอบต่าง ๆ จะมีการจัดอิเล็กตรอนดังนี้ 

จากตาราง จะเห็นว่า โครเมียมมีเลขออกซิเดชันได้ตั้งแต่  0  ถึง +6   อะตอมจะเสียอิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุดก่อน คือ 4s ก่อน  จากนั้นจึงเสียอิเล็กตรอนที่ระดับพลังงาน 3d  ทำให้โครเมียมมีเลขออกซิเดชันหลายค่า   ธาตุแทรนซิชันอื่น ๆ ก็จะมีสมบัติทำนองเดียวกันนี้  จึงมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่าและเกิดสารประกอบได้หลายชนิดเช่นกัน

แม้ว่าธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่จะมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า  แต่ก็มีธาตุแทรนซิชันบางธาตุมีเลขออกซิเดชันค่าเดียว  ดังตารางต่อไปนี้  แสดงเลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชันคาบที่  4 

• เลขออกซิเดชันที่มีวงกลมล้อมรอบเป็นค่าที่พบได้มากในสารประกอบของธาตุนั้น ๆ

สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชัน (complex compound)   หรือประกอบโคออร์ดิเนชัน (coordination compounds)

สารประกอบของธาตุแทรนซิชันมี  2  แบบ  คือสารประกอบทั่วไป  เช่น  CuSO₄  และสารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชันหรือประกอบโคออร์ดิเนชัน  เช่น  [ Cu ( NH₃ ) ₄]SO₄    

สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชันประกอบด้วย  ไอออนเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชัน (complex ion)  ร่วมกับไอออนอื่น ๆ หรือไอออนเชิงซ้อนร่วมกับไอออนเชิงซ้อนด้วยกันก็ได้   ไอออนเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชันประกอบด้วย  อะตอมหรือไอออนของโลหะแทรนซิชันอยู่ตรงกลาง   เรียกว่า  central atom  หรือ  central ion มีกลุ่มของไอออนหรือโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวล้อมรอบ  เรียกว่า  ligands   ระหว่างอะตอมกลางกับอะตอมที่ล้อมรอบจะสร้างพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ซึ่งกันและกัน  (เป็นลักษณะของกรด-เบส  ตามทฤษฎีของลิวอิส  ซึ่งกล่าวว่า  กรดคืออนุภาคที่รับคู่อิเล็กตรอนจากสารอื่น  เบสคืออนุภาคที่ให้คู่อิเล็กตรอนแก่สารอื่น  )  จำนวนลิแกนด์ที่สร้างพันธะกับอะตอมหรือไอออนกลาง  (ล้อมรอบอะตอมกลาง)  เรียกว่า เลขโคออร์ดิเนชัน

( coordination number)  เช่น  Co³⁺ ถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของ  NH₃  จำนวน  6  โมเลกุล  ดังรูป

สารประกอบเชิงซ้อนต่าง ๆ อะตอมกลางจะเป็นไอออนบวกของโลหะ  จึงเป็นฝ่ายรับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลหรือไอออนที่ล้อมรอบ  ฉะนั้นโลหะที่เป็นอะตอมกลางจึงมีสมบัติเป็นกรดตามทฤษฎีของลิวอิส  ในขณะที่อนุภาคที่ล้อมรอบทำหน้าที่เป็นเบส   อนุภาคที่ล้อมรอบอะตอมกลางในไอออนเชิงซ้อน มี  2 ประเภทคือ 

1. ไอออนที่มีประจุลบ ได้แก่ เฮไลด์ไอออน  เช่น  F^-, Cl^-, Br^- , I^- และไอออนอื่น ๆ  เช่น
   OH^-, CN^-, SCN^-  เป็นต้น  ให้สังเกตว่าไอออนเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชันที่เกิดจากไอออนของธาตุ
   แทรนซิชันถูกล้อมรอบด้วยไอออนลบ  ไอออนเชิงซ้อนดังกล่าวจะเป็นไอออนลบ  เช่น  [Fe(CN)₆]^3-  MnO₄^-  CrO₄^2-  Cr₂O₇^2- 
2. โมเลกุลที่เป็นกลางที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว   เช่น  H₂O , NH₃ , CO, NO  ให้สังเกตว่าไอออนเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชัน  ที่เกิดจากไอออนของธาตุแทรนซิชันถูกล้อมรอบด้วยอะตอมที่เป็นกลาง  ไอออนเชิงซ้อนจะมีประจุบวก  เช่น   Cu(NH₃)₄²⁺

ตัวอย่าง  ไอออนเชิงซ้อนที่มีประจุเป็นลบ  จะมีกลุ่มไอออนที่มีประจุลบล้อมรอบ   และไอออนเชิงซ้อนที่มีประจุเป็นบวกจะมีโมเลกุลที่เป็นกลางล้อมรอบ

ตัวอย่างสารประกอบเชิงซ้อน 

1. สารประกอบเชิงซ้อนที่เกิดจากไอออนเชิงซ้อนบวกกับไอออนลบ เช่น 

        [ Co ( NH ₃ ) ₆ ]Cl₃    ประกอบด้วย  [ Co ( NH ₃ ) ₆ ]³⁺  +  3Cl^- 

1. สารประกอบเชิงซ้อนที่เกิดจากไอออนเชิงซ้อนลบกับไอออนบวก เช่น K₃ [ Fe (CN) ₆ ]     ประกอบด้วย  3 K⁺ +  [ Fe (CN) ₆ ]^3- 
2.  สารประกอบเชิงซ้อนที่เกิดจากไอออนเชิงซ้อนบวกกับไอออนเชิงซ้อนลบ เช่น              
    [ Cu( NH₃ )₄ ] [ Ni ( CN ) ₄ ]   ประกอบด้วย   [ Cu ( NH₃ ) ₄ ]²⁺ + [ Ni (CN) ₄ ]²⁺ 

การเตรียมสารประกอบเชิงซ้อนของธาตุทองแดง 

                การเตรียมสารประกอบเชิงซ้อนของทองแดง เช่น เฮกซะแอมมีนคอปเปอร์ (II) ซัลเฟต เตรียมโดยนำ CuSO₄ .5H₂O ซึ่งเป็นผลึกสีฟ้าละลายน้ำ แล้วเติม  NH₃ และเอทานอลจะได้ผลึกสีครามเข้ม ดังสมการ     CuSO₄ .5H₂O + 4NH₃     →      Cu ( NH₃ )₄SO₄ . H₂O + 4H₂O

          คอปเปอร์ (II) ซัลเฟต                       เตตระแอมมีนคอปเปอร์(II) ซัลเฟต
                     (สีฟ้า)                                                    (สีครามเข้ม)

         เมื่อเก็บผลึกเตตระแอมมีนคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตไว้ข้ามคืน สารนี้จะเปลี่ยนเป็นสารสีเขียวแกมฟ้า เพราะที่อุณหภูมิ 30 ^oC เตตระแอมมีนคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตจะแยกสลายให้น้ำ และแอมโมเนียอย่างละ 1 โมเลกุล ได้สารใหม่ คือ

Cu( NH₃ )₄SO₄ . H₂O      →   Cu( NH₃ )₃SO₄ + NH₃ + H₂O

       สีครามเข้ม                         สีเขียวแกมฟ้า
      (คลิ้กชมได้)                        (คลิ้กชมได้)

         ถ้าพิจารณาเลขออกซิเดชันของทองแดงในสารประกอบทั้ง 3 ชนิดจะพบว่ามีค่า +2 เท่ากัน แต่จำนวนลิแกนที่ล้อมรอบ  Cu²⁺  มีไม่เท่ากัน  ตัวอย่างสารประกอบเชิงซ้อนของธาตุอื่น ๆ แสดงในตาราง

ตัวอย่างสารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชันบางชนิดและไอออนองค์ประกอบ 

ลำดับที่	สารประกอบเชิงซ้อน	สีของสารประกอบ	ไอออนลบ	ไอออนบวก
1	KMnO4	ม่วง (คลิ้กชมได้)	MnO4 -	K +
2	K2MnO4	เขียว (คลิ้กชมได้)	MnO4 2-	K +
3	K2Cr2O7	ส้ม (คลิ้กชมได้)	Cr2O7 2-	K +
4	K2CrO4	เหลือง (คลิ้กชมได้)	CrO42-	K +
5	PbCrO4	เหลือง (คลิ้กชมได้)	CrO42-	Pb 2+
6	K3 [ Fe (CN) 6 ]	เหลือง (คลิ้กชมได้)	[ Fe (CN) 6 ] 3-	K +
7	K4 [ Fe (CN) 6 ]	เหลืองส้ม (คลิ้กชมได้)	[ Fe (CN) 6 ] 4-	K +
8	Cu2 [ Fe (CN) 6 ]	น้ำตาลแดง (คลิ้กชมได้)	[ Fe (CN) 6 ] 4-	Cu 2+
9	[Co ( NH3 ) 6 ] Cl3	ส้ม (คลิ้กชมได้)	รูปภาพที่เกี่ยวข้อง Size : 32.63 KBs Upload : 2013-08-30 04:56:09 ติชม กำลังแสดงหน้า 1/0 << 1 >> ต้องการให้คะแนนบทความนี้่ ? 0 คะแนนโหวด สร้างโดย : K-Me สถานะ : ผู้ใช้ทั่วไป วิทยาศาสตร์