المجموعات 3–12 — المستوى الفرعي d، ومعظم الفلزات التي لمستها في حياتك

الفلزات الانتقالية

الحديد والنحاس والذهب والفضة والتيتانيوم والكروم والنيكل والزنك. العناصر الثمانية والثلاثون في المستوى الفرعي d صلبة وكثيفة وعالية الانصهار وموصلة، وقادرة — على نحو فريد — على تكوين أيونات بشحنات مختلفة عدة. ولهذه المرونة دور في تحفيزها للتفاعلات وتلوينها وامتلاكها خواص مغناطيسية.

العناصر
38
المجموعة
3–12
التكوين
(n−1)d¹⁻¹⁰ ns¹⁻²
مشعة
10

مُظلَّل في الجدول الدوري

كل عضو

الـ38 من الفلزات الانتقالية

21 Sc سكانديوم 44.956 u فلز قريب من العناصر الأرضية النادرة يجعل سبائك الألومنيوم أقوى بكثير، بسعر يبقيه نادراً. صلب 22 Ti تيتانيوم 47.867 u قوي كالصلب، وأخف منه بنسبة 45%، ومحصّن ضد مياه البحر — فلز الغرسات والطائرات والغواصات العميقة. صلب 23 V فاناديوم 50.942 u فلز انتقالي يتحول إلى أربعة ألوان مختلفة في المحلول تبعاً لحالة الأكسدة. صلب 24 Cr كروم 51.996 u العنصر الذي يمنح الكروم لمعانه، ويمنح الفولاذ المقاوم للصدأ صفة «المقاومة للصدأ». صلب 25 Mn منغنيز 54.938 u أساسي بكميات ضئيلة، وهش بكميات كبيرة، وهو السبب في أن فولاذك لا يتحطم في البرد. صلب 26 Fe حديد 55.845 u أكثر العناصر شيوعاً على الأرض من حيث الكتلة، والنهاية التي يصل إليها الاندماج النجمي، والفلز الذي سمّى عصراً. صلب 27 Co كوبالت 58.933 u اللون الأزرق في الزجاج الملوّن من العصور الوسطى وخزف أسرة Ming، ونصف المغناطيسات التي تُبقي الأقراص الصلبة متماسكة. صلب 28 Ni نيكل 58.693 u متين ومقاوم للتآكل ومغناطيسي — وثاني أكبر مكوّن في الفولاذ المقاوم للصدأ. صلب 29 Cu نحاس 63.546 u أول فلز صهره البشر، ولا يزال الجهاز العصبي للعالم المكهرب. صلب 30 Zn زنك 65.38 u الفلز المضحي: يتآكل الزنك كي لا يتآكل الفولاذ الذي يغطيه. صلب 39 Y إتريوم 88.906 u «أرض نادرة» ليست نادرة فعلًا، وهي السبب في توهج شاشة هاتفك بالألوان الصحيحة. صلب 40 Zr زركونيوم 91.224 u شفاف فعليًا أمام النيوترونات، ولذلك يُبطّن قضبان الوقود في كل مفاعل نووي تقريبًا. صلب 41 Nb نيوبيوم 92.906 u فلز فائق التوصيل يحمل التيار في كل مغناطيس للتصوير بالرنين المغناطيسي على الأرض. صلب 42 Mo موليبدنوم 95.95 u العنصر الأساسي المقاوم للحرارة: يحافظ موليبدنوم على قوته عند درجات حرارة تُليّن كل شيء آخر تقريبًا. صلب 43 Tc تكنيشيوم 98 u أول عنصر صنعه البشر بدلًا من العثور عليه، وهو الأخف وزنًا من بين العناصر التي لا نظير مستقرًا لها على الإطلاق. مشعة اصطناعي صلب 44 Ru روثينيوم 101.07 u فلز من مجموعة البلاتين يقسّي العناصر المجاورة له ويحفّز تخليق الأمونيا. صلب 45 Rh روديوم 102.906 u أغلى فلز ثمين على الأرض حسب الوزن، وهو السبب في أن عادم سيارتك غير سام. صلب 46 Pd بلاديوم 106.42 u الفلز الذي يمتص الهيدروجين كالإسفنجة، بما يصل إلى 900 ضعف حجمه. صلب 47 Ag فضة 107.868 u أفضل موصل كهربائي وحراري بين جميع العناصر، ومضاد ميكروبي معروف منذ العصور القديمة. صلب 48 Cd كادميوم 112.414 u فلز لين سام، منح العالم خلايا NiCd القابلة لإعادة الشحن واللون الأصفر الزاهي للطلاء القديم. صلب 72 Hf هافنيوم 178.49 u مطابق تقريبًا للزركونيوم كيميائيًا، لكنه نقيضه تمامًا في المفاعل؛ إذ يلتهم النيوترونات. صلب 73 Ta تانتالوم 180.948 u فلز يتحدى جميع الأحماض تقريبًا، ومتوافق حيويًا بما يكفي للزرعات الجراحية. صلب 74 W تنغستن 183.84 u أعلى نقطة انصهار بين جميع الفلزات، وهي 3,422 درجة C، وهو فتيل عصر المصابيح المتوهجة. صلب 75 Re رينيوم 186.207 u أحد أندر العناصر في القشرة الأرضية، وهو الفلز الذي يسمح لتوربينات الطائرات النفاثة بالعمل عند درجات حرارة أعلى. صلب 76 Os أوزميوم 190.23 u أكثف عنصر يحدث طبيعيًا: يزن لتر من أوزميوم 22.6 kg. صلب 77 Ir إريديوم 192.217 u أكثر الفلزات مقاومة للتآكل المعروفة، وهو البصمة الكيميائية للكويكب الذي أنهى عصر الديناصورات. صلب 78 Pt بلاتين 195.084 u فلز التحفيز: يجعل البلاتين تفاعلاتٍ تحدث رغم أنها كانت ستحتاج إلى ظروف مستحيلة لولا ذلك. صلب 79 Au ذهب 196.967 u خامل كيميائيًا تقريبًا، قابل للطرق والسحب بلا نهاية، وقدّرته كل حضارة عثرت عليه. صلب 80 Hg زئبق 200.592 u الفلز الوحيد السائل عند درجة حرارة الغرفة، وهو سم عصبي قوي. سائل 104 Rf رذرفورديوم 267 u أول عنصر عابر للأكتينيدات — وهو كيميائيًا قريب أثقل من الهافنيوم، وليس أكتينيدًا على الإطلاق. مشعة اصطناعي صلب 105 Db دوبنيوم 268 u سُمّي نسبةً إلى دوبنا، البلدة الروسية التي شهدت ريادة جانب كبير من كيمياء العناصر فائقة الثقل. مشعة اصطناعي صلب 106 Sg سيبورجيوم 271 u سُمّي نسبةً إلى غلين سيبورغ وهو لا يزال حيًا — في سابقة أولى في الجدول الدوري. مشعة اصطناعي صلب 107 Bh بوريوم 272 u عنصر فائق الثقل، تتصرف كيمياؤه، التي اختُبرت ذرةً واحدةً في كل مرة، وفق ما هو متوقع للمجموعة 7. مشعة اصطناعي صلب 108 Hs هاسيوم 270 u أثقل عنصر تأكدت خصائصه الكيميائية تجريبيًا. مشعة اصطناعي صلب 109 Mt مايتنريوم 276 u سُمّي نسبةً إلى ليزه مايتنر، التي فسّرت الانشطار النووي، لكنها استُبعدت من جائزة نوبل. مشعة اصطناعي صلب 110 Ds دارمشتاتيوم 281 u أُنشئ في دارمشتات عام 1994 بدمج نوى النيكل والرصاص. مشعة اصطناعي صلب 111 Rg رونتجينيوم 280 u سُمّي نسبةً إلى مكتشف الأشعة السينية، ويُتوقع أن يكون شبيهًا بالذهب كيميائيًا. مشعة اصطناعي صلب 112 Cn كوبرنيسيوم 285 u يُتوقع أن يكون سائلًا متطايرًا — معدنًا يتصرف تقريبًا مثل غاز نبيل. مشعة اصطناعي سائل

ما الذي يميزها

ثلاثة أشياء تميز الفلزات الانتقالية

01

مستوى فرعي d ممتلئ جزئياً

السمة المميزة. نظرًا إلى أن مدارات d قريبة في الطاقة من المدار s الخارجي، تستطيع الفلزات الانتقالية فقد عدد متغير من الإلكترونات — يفقد الحديد إلكترونين أو ثلاثة، بينما يفقد المنغنيز أي عدد من إلكترونين إلى سبعة. وكل حالة شحنة تمثل كيمياء مختلفة.

02

ينشأ اللون من انقسام مدارات d

أحِط أيون فلز انتقالي بالربيطات، فتنقسم مداراته d الخمسة إلى مجموعات ذات طاقات مختلفة قليلًا. يرفع الضوء المرئي الإلكترونات عبر فجوة الطاقة تلك، واللون الذي تراه هو كل ما يتبقى. ولهذا يكون كبريتات النحاس أزرق، والياقوت أحمر، ويمكن للعنصر نفسه أن يعطي عدة ألوان مختلفة.

03

التحفيز والمغناطيسية

تجعل المستويات الفرعية d الممتلئة جزئياً عناصرَ ممتازة للترابط المؤقت — وهذا أساس التحفيز الصناعي، من تصنيع الأمونيا فوق الحديد إلى المحولات الحفازة فوق البلاتين. وتمنح إلكترونات d غير المزدوجة نفسها الحديد والكوبالت والنيكل مغناطيسيتها الحديدية.

الاتجاهات الدورية

كيف تتغير عبر العائلة

عبر الصف، يتغير نصف القطر الذري تغيراً طفيفاً بصورة ملحوظة — فالبروتونات المضافة تسحب إلى الداخل، بينما تحجب إلكترونات d المضافة إلى الخارج، فيلغي أحدهما الآخر تقريباً. تبلغ الكثافات ونقاط الانصهار ذروتها في منتصف كل صف، حيث يتاح أكبر عدد من الإلكترونات للترابط الفلزي: ينصهر التنغستن عند 3,695 K، وهي أعلى نقطة انصهار لأي فلز.

في العالم

فيما تُستخدم

حديد

الفولاذ — أكثر الفلزات استخداماً بفارق كبير، والأساس البنيوي للعالم الصناعي.

نحاس

الأسلاك الكهربائية، والسباكة، والدوائر المطبوعة في كل جهاز تملكه. لا يسبقه في التوصيل سوى الفضة، وهو أرخص منها بكثير.

تيتانيوم

تطبيقات الطيران والفضاء، والمعدات البحرية، والزرعات الطبية: متين كالفولاذ، وأخف وزناً بنسبة 45%، ومحصّن عملياً ضد مياه البحر وسوائل الجسم.

كروم ونيكل

معًا يصنعان الفولاذ المقاوم للصدأ. يكوّن الكروم طبقة أكسيد غير مرئية تصلح نفسها، ويضيف النيكل المتانة ومقاومة التآكل.

مجموعة البلاتين

التحفيز. ينقّي البلاتين والبلاديوم والروديوم عادم المركبات؛ والروديوم هو أغلى فلز على الأرض في بعض الفترات.

ذهب وفضة

العملة، والمجوهرات، و — لأن الذهب لا يتآكل أبدًا — طلاء نقاط التلامس في الإلكترونيات عالية الاعتمادية.

التعامل

السلامة

متنوعة للغاية. الحديد والزنك والنحاس والكوبالت والمنغنيز والموليبدنوم والكروم(III) مغذيات أثرية أساسية؛ أما الكروم(VI) فهو مادة مسرطنة قوية. الكادميوم والزئبق سُمّان تراكميان. النيكل هو أكثر مسببات حساسية التلامس شيوعاً في العالم. مساحيق المعادن الدقيقة لكثير من الفلزات الانتقالية قابلة للاشتعال الذاتي.

من المفيد معرفته

  • كان التكنيشيوم (43) أول عنصر صُنع بدلًا من العثور عليه، ولا يزال أخف عنصر لا يملك نظيرًا مستقرًا.
  • الزئبق هو المعدن الوحيد السائل عند درجة حرارة الغرفة — نتيجة للتأثيرات النسبية على إلكترونات 6s الخاصة به.
  • يمكن أن يتسع كل الذهب الذي استُخرج على الإطلاق داخل مكعب طول ضلعه نحو 22 متراً.

الأسئلة الشائعة

حول الفلزات الانتقالية

ما الذي يجعل العنصر فلزًا انتقاليًا؟

التعريف الصارم وفق IUPAC هو عنصر تمتلك ذراته مستوى فرعي d مشغولًا جزئيًا، أو يمكنه تكوين كاتيون يمتلك ذلك. وهذا يستبعد تقنيًا الزنك والكادميوم والزئبق، إذ تكون مستويات d الفرعية فيها ممتلئة دائمًا — لكنها تقع في المستوى الفرعي d، وتُدرَّس دائمًا تقريبًا مع المجموعة. يتبع هذا الموقع convention الشائع ويضمها.

لماذا تكوّن الفلزات الانتقالية مركبات ملوّنة؟

لأن مدارات d لديها تنقسم إلى طاقات مختلفة قليلًا بفعل الربيطات المحيطة، ولأن الفجوة تصادف أنها تطابق طاقات فوتونات الضوء المرئي. يمتص إلكترون فوتونًا ليقفز عبر الفجوة؛ فترى اللون المكمّل. وتكون مركبات الزنك عديمة اللون تحديدًا لأن غلاف d في الزنك ممتلئ، فلا توجد فجوة للقفز عبرها.

لماذا تفوق كثافتها بكثير كثافة فلزات المجموعتين 1 و2؟

يتاح عدد أكبر من الإلكترونات لكل ذرة للترابط المعدني — يصل إلى اثني عشر إلكتروناً — ولذلك تتجاذب الذرات معاً بقوة أكبر بكثير. ويمنحها هذا الترابط القوي نفسه نقاط انصهارها المرتفعة وصلادتها. أوزميوم، في منتصف الصف 6، هو أكثف عنصر موجود، بكثافة 22.6 g/cm³.

تابع

العائلات التسع الأخرى

6 الفلزات القلوية Li Na K Rb Cs Fr 6 الفلزات القلوية الترابية Be Mg Ca Sr Ba Ra 12 الفلزات بعد الانتقالية Al Ga In Sn Tl Pb Bi 7 أشباه الفلزات B Si Ge As Sb Te At 7 اللافلزات H C N O P S Se 5 الهالوجينات F Cl Br I Ts 7 الغازات النبيلة He Ne Ar Kr Xe Rn Og 15 اللانثانيدات La Ce Pr Nd Pm Sm Eu 15 الأكتينيدات Ac Th Pa U Np Pu Am