Gruppen 3–12 – der d-Block und die meisten Metalle, die Sie je berührt haben

Übergangsmetalle

Eisen, Kupfer, Gold, Silber, Titan, Chrom, Nickel, Zink. Die achtunddreißig Elemente des d-Blocks sind hart, dicht, hochschmelzend und leitfähig und können – einzigartig – Ionen mit mehreren verschiedenen Ladungen bilden. Diese Flexibilität erklärt, warum sie als Katalysatoren wirken, Farben hervorbringen und magnetisch sind.

Mitglieder
38
Gruppe
3–12
Konfiguration
(n−1)d¹⁻¹⁰ ns¹⁻²
Radioaktiv
10

Im Periodensystem hervorgehoben

Jedes Mitglied

Die 38 Übergangsmetalle

21 Sc Scandium 44.956 u Ein Metall aus der Nähe der Seltenen Erden, das Aluminiumlegierungen deutlich stärker macht — zu einem Preis, der es exotisch hält. Fest 22 Ti Titan 47.867 u So stark wie Stahl, 45 % leichter und unempfindlich gegenüber Meerwasser — das Metall für Implantate, Jets und Tiefsee-Tauchfahrzeuge. Fest 23 V Vanadium 50.942 u Ein Übergangsmetall, das in Lösung je nach Oxidationsstufe vier verschiedene Farben annimmt. Fest 24 Cr Chrom 51.996 u Das Element, das Chrom seinen Glanz und rostfreiem Stahl das "rostfrei" verleiht. Fest 25 Mn Mangan 54.938 u In Spurenmengen lebenswichtig, in größeren Mengen spröde und der Grund, warum Ihr Stahl in der Kälte nicht zerbricht. Fest 26 Fe Eisen 55.845 u Das häufigste Element der Erde nach Masse, der Endpunkt der Sternfusion und das Metall, das einer Epoche ihren Namen gab. Fest 27 Co Cobalt 58.933 u Das Blau mittelalterlicher Buntglasfenster und chinesischen Porzellans der Ming-Zeit sowie die Hälfte der Magnete, die Festplatten zusammenhalten. Fest 28 Ni Nickel 58.693 u Zäh, korrosionsbeständig und magnetisch — und der zweitgrößte Bestandteil von rostfreiem Stahl. Fest 29 Cu Kupfer 63.546 u Das erste Metall, das Menschen verhütteten, und noch immer das Nervensystem der elektrifizierten Welt. Fest 30 Zn Zink 65.38 u Das Opfermetall: Zink korrodiert, damit der Stahl, den es beschichtet, es nicht tut. Fest 39 Y Yttrium 88.906 u Eine „seltene Erde“, die tatsächlich nicht selten ist, und der Grund, warum Ihr Handybildschirm in den richtigen Farben leuchtet. Fest 40 Zr Zirconium 91.224 u Für Neutronen praktisch durchsichtig, weshalb es die Brennstäbe in fast jedem Kernreaktor ummantelt. Fest 41 Nb Niob 92.906 u Ein supraleitendes Metall, das in jedem MRT-Magneten auf der Erde den Strom leitet. Fest 42 Mo Molybdän 95.95 u Das hochtemperaturfeste Arbeitspferd: Molybdän behält seine Festigkeit bei Temperaturen, die fast alles andere weich machen. Fest 43 Tc Technetium 98 u Das erste Element, das von Menschen hergestellt und nicht gefunden wurde – und das leichteste ohne ein einziges stabiles Isotop. Radioaktiv synthetisch Fest 44 Ru Ruthenium 101.07 u Ein Metall der Platingruppe, das seine Nachbarn härtet und die Ammoniaksynthese katalysiert. Fest 45 Rh Rhodium 102.906 u Das nach Gewicht teuerste Edelmetall der Erde und der Grund, warum die Abgase Ihres Autos nicht giftig sind. Fest 46 Pd Palladium 106.42 u Das Metall, das Wasserstoff wie ein Schwamm aufsaugt – bis zum 900-Fachen seines eigenen Volumens. Fest 47 Ag Silber 107.868 u Der beste elektrische und thermische Leiter aller Elemente und ein seit der Antike bekanntes antimikrobielles Mittel. Fest 48 Cd Cadmium 112.414 u Ein weiches, giftiges Metall, das der Welt wiederaufladbare NiCd-Zellen und das leuchtende Gelb alter Farben bescherte. Fest 72 Hf Hafnium 178.49 u Chemisch fast identisch mit Zirconium, im Reaktor jedoch sein genaues Gegenteil – es verschluckt Neutronen. Fest 73 Ta Tantal 180.948 u Ein Metall, das fast jeder Säure trotzt und für chirurgische Implantate biokompatibel genug ist. Fest 74 W Wolfram 183.84 u Der höchste Schmelzpunkt aller Metalle – 3.422 °C – und der Glühfaden des Zeitalters der Glühlampen. Fest 75 Re Rhenium 186.207 u Eines der seltensten Elemente der Erdkruste und das Metall, mit dem Flugzeugturbinen heißer laufen können. Fest 76 Os Osmium 190.23 u Das dichteste natürlich vorkommende Element: Ein Liter Osmium wiegt 22,6 kg. Fest 77 Ir Iridium 192.217 u Das korrosionsbeständigste bekannte Metall und der Fingerabdruck des Asteroiden, der die Dinosaurier auslöschte. Fest 78 Pt Platin 195.084 u Das Katalysatormetall: Platin ermöglicht Reaktionen, die sonst unmögliche Bedingungen erfordern würden. Fest 79 Au Gold 196.967 u Chemisch nahezu inert, unbegrenzt duktil und von jeder Zivilisation geschätzt, die es je entdeckt hat. Fest 80 Hg Quecksilber 200.592 u Das einzige Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist – und ein starkes Nervengift. Flüssig 104 Rf Rutherfordium 267 u Das erste Transactinoid – chemisch ein schwereres Gegenstück zu Hafnium und überhaupt kein Actinoid. Radioaktiv synthetisch Fest 105 Db Dubnium 268 u Benannt nach Dubna, der russischen Stadt, in der ein großer Teil der Chemie superschwerer Elemente entwickelt wurde. Radioaktiv synthetisch Fest 106 Sg Seaborgium 271 u Benannt nach Glenn Seaborg, als dieser noch lebte – eine Premiere im Periodensystem. Radioaktiv synthetisch Fest 107 Bh Bohrium 272 u Ein superschweres Element, dessen Chemie, Atom für Atom untersucht, sich wie für Gruppe 7 vorhergesagt verhält. Radioaktiv synthetisch Fest 108 Hs Hassium 270 u Das schwerste Element, dessen chemische Eigenschaften experimentell bestätigt wurden. Radioaktiv synthetisch Fest 109 Mt Meitnerium 276 u Benannt nach Lise Meitner, die die Kernspaltung erklärte, aber beim Nobelpreis übergangen wurde. Radioaktiv synthetisch Fest 110 Ds Darmstadtium 281 u 1994 in Darmstadt durch die Fusion von Nickel- und Blei-Atomkernen erzeugt. Radioaktiv synthetisch Fest 111 Rg Roentgenium 280 u Benannt nach dem Entdecker der Röntgenstrahlen und vermutlich chemisch ähnlich wie Gold. Radioaktiv synthetisch Fest 112 Cn Copernicium 285 u Vermutlich eine flüchtige Flüssigkeit – ein Metall, das sich fast wie ein Edelgas verhält. Radioaktiv synthetisch Flüssig

Was sie definiert

Drei Dinge, die Übergangsmetalle ausmachen

01

Eine teilweise besetzte d-Unterschale

Das entscheidende Merkmal. Weil d-Orbitale energetisch nahe am äußeren s-Orbital liegen, können Übergangsmetalle unterschiedlich viele Elektronen abgeben — Eisen gibt zwei oder drei ab, Mangan zwischen zwei und sieben. Jeder Ladungszustand entspricht einer anderen Chemie.

02

Farbe entsteht durch die Aufspaltung von d-Orbitalen

Umgibt man ein Übergangsmetallion mit Liganden, spalten sich seine fünf d-Orbitale in Gruppen mit geringfügig unterschiedlicher Energie auf. Sichtbares Licht regt Elektronen über diese Energielücke hinweg an, und die Farbe, die Sie sehen, ist das, was übrig bleibt. Deshalb ist Kupfersulfat blau, Rubine sind rot und dasselbe Element kann mehrere verschiedene Farben hervorbringen.

03

Katalyse und Magnetismus

Teilbesetzte d-Schalen bilden ausgezeichnete vorübergehende Bindungspartner — die Grundlage der industriellen Katalyse, von der Ammoniaksynthese über Eisen bis zu Katalysatoren aus Platin. Dieselben ungepaarten d-Elektronen verleihen Eisen, Cobalt und Nickel ihren Ferromagnetismus.

Periodische Trends

Wie sie sich innerhalb der Familie verändern

Innerhalb einer Reihe ändert sich der Atomradius bemerkenswert wenig – hinzugefügte Protonen ziehen nach innen, während zusätzliche d-Elektronen nach außen abschirmen, was sich ungefähr aufhebt. Dichten und Schmelzpunkte erreichen in der Mitte jeder Reihe ihren Höchstwert, wo die maximale Anzahl an Elektronen für die metallische Bindung verfügbar ist: Wolfram schmilzt bei 3.695 K, dem höchsten Wert aller Metalle.

In der Welt

Wofür sie verwendet werden

Eisen

Stahl — mit großem Abstand das meistverwendete Metall und die strukturelle Grundlage der industriellen Welt.

Kupfer

Elektrische Leitungen, Rohrleitungen und die Leiterplatten in jedem Gerät, das Sie besitzen. Als Leiter nur von Silber übertroffen und deutlich günstiger.

Titan

Luft- und Raumfahrt, Schiffsausrüstung und medizinische Implantate: so stark wie Stahl, 45 % leichter und praktisch unempfindlich gegenüber Meerwasser und Körperflüssigkeiten.

Chrom und Nickel

Zusammen bilden sie Edelstahl. Chrom bildet eine unsichtbare, sich selbst reparierende Oxidschicht; Nickel sorgt für Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Platingruppe

Katalyse. Platin, Palladium und Rhodium reinigen Fahrzeugabgase; Rhodium ist zeitweise das teuerste Metall der Erde.

Gold und Silber

Währung, Schmuck und — weil Gold niemals korrodiert — Kontaktbeschichtungen in hochzuverlässiger Elektronik.

Handhabung

Sicherheit

Außerordentlich vielfältig. Eisen, Zink, Kupfer, Cobalt, Mangan, Molybdän und Chrom(III) sind essenzielle Spurennährstoffe; Chrom(VI) ist ein starkes Karzinogen. Cadmium und Quecksilber sind kumulative Gifte. Nickel ist das häufigste Kontaktallergen der Welt. Feine Metallpulver vieler Übergangsmetalle sind pyrophor.

Wissenswertes

  • Technetium (43) war das erste Element, das hergestellt und nicht gefunden wurde, und ist weiterhin das leichteste ohne stabiles Isotop.
  • Quecksilber ist das einzige Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist – eine Folge relativistischer Effekte auf seine 6s-Elektronen.
  • Alles jemals geförderte Gold würde in einen Würfel mit etwa 22 Metern Seitenlänge passen.

Häufige Fragen

Über die Übergangsmetalle

Was macht ein Element zu einem Übergangsmetall?

Die strenge IUPAC-Definition lautet: ein Element, dessen Atome eine teilweise besetzte d-Unterschale haben oder ein Kation mit einer solchen bilden können. Dadurch werden Zink, Cadmium und Quecksilber technisch ausgeschlossen, deren d-Schalen immer vollständig besetzt sind – sie stehen jedoch im d-Block und werden fast immer zusammen mit der Gruppe gelehrt. Diese Website folgt der gängigen Konvention und schließt sie ein.

Warum bilden Übergangsmetalle farbige Verbindungen?

Weil ihre d-Orbitale durch die umgebenden Liganden in geringfügig unterschiedliche Energien aufgespalten werden und die Energiedifferenz zufällig den Energien sichtbarer Lichtphotonen entspricht. Ein Elektron absorbiert ein Photon und springt über die Lücke; Sie sehen die Komplementärfarbe. Zinkverbindungen sind gerade deshalb farblos, weil die d-Schale von Zink vollständig besetzt ist und keine Lücke zum Überspringen lässt.

Warum sind sie viel dichter als die Metalle der Gruppen 1 und 2?

Pro Atom stehen mehr Elektronen für die metallische Bindung zur Verfügung – bis zu einem Dutzend –, sodass die Atome wesentlich stärker zusammengezogen werden. Dieselbe starke Bindung verleiht ihnen ihre hohen Schmelzpunkte und ihre Härte. Osmium ist in der Mitte der 6. Reihe mit 22.6 g/cm³ das dichteste Element überhaupt.

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Die anderen neun Familien

6 Alkalimetalle Li Na K Rb Cs Fr 6 Erdalkalimetalle Be Mg Ca Sr Ba Ra 12 Nachübergangsmetalle Al Ga In Sn Tl Pb Bi 7 Halbmetalle B Si Ge As Sb Te At 7 Nichtmetalle H C N O P S Se 5 Halogene F Cl Br I Ts 7 Edelgase He Ne Ar Kr Xe Rn Og 15 Lanthanoide La Ce Pr Nd Pm Sm Eu 15 Actinoide Ac Th Pa U Np Pu Am