العناصر الانتقالية في الجدول الدوري الحديث وفي الطبيعة

Contents

العناصر الانتقالية في الجدول الدوري الحديث

يشتمل الجدول الدوري الحديث على أربع فئات :

الفئة s , والفئة p والفئة d  والفئة   f ,و سوف ندرس الفئة d

• العناصر الانتقالية

  1- تحتل المنطقة الوسطى من الجدول الدورى بين الفئتين s , p.

  2- تحتوى على اكثر من 60 عنصر اى اكثر من نصف عدد العناصر المعروفة.

  3- تبدأ فى الظهور من الدورة الرابعة.:

   تقسم العناصر الانتقالية

  1-العناصر الانتقالية الرئيسية الفئة d

  2-العناصر الانتقالية الداخلية الفئة f 

   وسوف نكتفي بدراسة العناصر الانتقالية الرئيسية فقط هذا العام.

  تسمي بعناصر الفئة d  لأنها عناصر يتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعى( d )  الذى يتسع لعشرة الكترونات 

  تتكون من عشرة أعمدة رأسية .

  يبدأ العمود الأول منها بعناصر تركيبها الإلكترونى ns²(n-1)d¹

   ثم يتتابع إمتلاء المستوى الفرعى( d ) حتى نصل إلى العمود الأخير و يكون التركيب الإلكترونى لعناصره ns²(n-1)d¹⁰

   ترتيب هذه الأعمدة من اليسار إلى اليمين هو :

• 

  المجموعة الثامنة تتكون من 3 أعمدة رأسية هى( 8  ,  9  ,  10  )   و هى تختلف عن بقية المجموعات . (B )  …. علل   ؟   لوجود تشابه بين عناصرها الأفقية اكبر من التشابه بين العناصر الرأسية  .

يمكن تقسيم عناصرها أفقيا إلى 4 سلاسل أفقية.   

  السلسلة الانتقالية الأولى:

يتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعى3d

تقع فى الدورة الرابعة بعد الكالسيوم

تشمل  10   عناصر من السكانديوم (₂₁Sc)الى  الخارصين

السلسلة الانتقالية الثانية

يتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعى4d

تقع فى الدورة الخامسة بعد الإسترانشيوم

تشمل  10 عناصر من اليتريوم (₃₉Y) الى  الكادميوم (₄₈Cd)

السلسلة الانتقالية الثالثة

 يتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعى5d

تقع فى الدورة السادسة

تشمل  10  عناصر من اللانثانيوم(₅₇La) الى الزئبق (₈₀Hg)

السلسلة الانتقالية الرابعة

يتتابع امتلاء المستوى الفرعى 6d

تقع فى الدورة السابعة بعد الراديوم

 السلسلة الانتقالية الاولي:

تمثل عناصر السلسلة الإنتقالية الرئيسية الأولى مجتعمة  حوالى 7 % من وزن القشرة الأرضية

الأهمية الأقتصادية لعناصر السلسلة الأنتقالية الأولى:

السكانديوم   ₂₁Sc:(Ar) 4s² , 3d¹

السكانديوم: يوجد بكميات صغيرة جدا موزعة علي نطاق واسع من القشرة الأرضية

الأهمية:

1- يستخدم في صناعة طائرات الميج المقاتلة …. علل …؟ لأنه عند إضافة نسبة ضئيلة منه إلي الألومنيوم تتكون سبيكة تمتاز بخفتها وصلابتها .

2- يضاف إلي مصابيح ابخرة الزئبق لإنتاج ضوء عالي الكفاءة يشبه ضوء الشمس لذا تستخدم هذه المصابيح في التصوير التلفزيوني أثناء الليل .

التيتانيوم ₂₂Ti:(Ar) 4s² , 3d²

الوصف:عنصر شديد الصلابة كالصلب و لكنه أقل منه الكثافة .

الأهمية والأستخدام:

1-ستخدم سبائكه مع الالومنيوم فى صناعة الطائرات و المركبات الفضائية ……….. ( علل ) ؟

لأنه يحافظ على متانته فى درجات الحرارة المرتفعة  فى الوقت الذى تنخفض فيه متانة الالومنيوم.

2-يستخدم فى عمليات زرع الاسنان و المفاصل الصناعية ( علل ) لأن

الجسم لا يلفظه و لا يسبب اى نوع من التسمم  .

أهم مركبات التيتانيوم:ثانى أكسيد التيتانيوم( TiO₂ ) الذى يدخل فى تركيب مستحضرات الحماية من أشعة الشمس ….. ( علل ) ؟

• حيث تعمل دقائقه النانوية على منع وصول الاشعة فوق البنفسجية للجلد

الكروم  ₂₄Cr:(Ar) 4s¹ , 3d⁵

الوصف :عنصر على درجة عالية من النشاط الكيميائى لكنه يقاوم فعل العوامل الجوية …… ( علل )؟

الأهمية:يستخدم الكروم ف طلاء المعادن ودباغة الجلود .

أهم مركبات الكروم :

1-  أكسيد الكروم III( Cr₂O₃ )الذى يستخدم فى عمل الاصباغ 

2- ثانى كرومات البوتاسيوم K₂Cr₂O₇التى تستخدم كمادة مؤكسدة  .

الفانديوم ₂₃V:(Ar) 4s² , 3d³

الوصف:مركباته ألوانها جميلة ومتعددة .

الأهمية:

1-تضاف نسبة ضئيلة منه الى الصلب فتتكون سبيكة تستخدم فى صناعة زنبركات السيارات   .. ( علل ) ؟

لأنها تتميز بقساوة عالية و قدرة كبيرة على مقاومة التأكل.

أهم مركبات الفانديوم:

-خامس أكسيد الفانديوم V2O5 الذى يستخدم :

كعامل حفازفى صناعة المغناطيسات فائقة التوصيل .

كصبغ فى صناعة السيراميك  و الزجاج  .

المنجنيز ₂₅Mn:(Ar) 4s² , 3d⁵

الوصف:لا يستخدم و هو فى حالته النقية  و انما يستخدم فى صورة
 سبائك أو مركبات ( علل ) لهشاشته الشديدة 

الأهمية:

1-    تستخدم  سبائك الحديد مع المنجنيز فى صناعة خطوط السكك الحديدية …( علل ) ؟   لأنها أصلب من الصلب.

2- تستخدم سبائك الالومنيوم  مع المنجنيز فى صناعة المشروبات الغازية ( الكانز ) … ( علل ) ؟          لمقاومتها للتأكل

3- ثانى أكسيد المنجنيز( MnO2 )   : و هو عامل مؤكسد قوى و يستخدم       فى صناعة العمود الجاف ( حجر البطارية )  .

4- برمنجانات البوتاسيوم ( KMnO4 ): تستخدم كمادة مطهرة و مؤكسدة.

5-كبريتات المنجنيزII( MnSO4 ) : تستخدم  كمبيد للفطريات   .

الحديد ₂₆Fe:(Ar) 4s², 3d⁶

الأهمية

1-يستخدم فى الخرسانات المسلحة و أبراج الكهرباء .

2-يستخدم صناعة السكاكين و مواسير البنادق و المدافع و الادوات الجراحية 

3-يستخدم كعامل حفاز فى تحضير النشادر بطريقة ( هابر – بوش  )

4-يستخدم كعامل حفاز فى تحويل الغاز المائى( CO + H2 ) الى وقود سائل بطريقة ( فيشر – تروبش )

الكوبلت ₂₇Co:(Ar) 4s² , 3d⁷ 

الوصف:يشبه الحديد فى أن كلاهما قابل للتمغنط ويستخدما فىصناعة  المغناطيسات .

الأهمية:

1-يستخدم الكوبلت فى البطاريات الجافة فى السيارات الحديثة  .

2-له 12 نظير مشع  وأهم نظائره الكوبلت 60   الذى تصدر  عنه أشعة جاما التى تمتاز بقدرة عالية على النفاذ  و لذلك يستخدم فى :

  أ  – حفظ المواد الغذائية  .

ب – التاكد من جودة المنتجات حيث يكشف عن مواقع الشقوق و لحام الوصلات

ج- يستخدم فى الطب فى الكشف عن الاورام الخبيثة و علاجها .

النيكل ₂₈Ni:(Ar) 4s² , 3d⁸

الأهمية:

1- يستخدم النيكل فى صناعة بطاريات  النيكل – كادميوم القابلة لإعادة الشحن

2-طلى به معادن كثيرة لحمايتها من الأكسدة و الصدأ و يعطيها شكلاً أفضل  .

3- يستخدم النيكل المجزأ فى هدرجة الزيوت  .

4-تتميز سبائك النيكل مع الصلب  بالصلابة و مقاومة الصدأ و مقاومة  الاحماض.

5- تستخدم سبائك النيكل مع الكروم فى صناعة ملفات

النحاس ₂₉Cu:(Ar) 4s¹ , 3d¹⁰

الوصف:

1- أول فلز عرفه الانسان في التاريخ

2-  سبيكته مع القصدير تعرف باسم البرونز .

الأهمية:ستخدم في صناعة الكابلات وسبائك العملات المعدنية وذلك لأنه موصل جيد للكهرباء

أهم مركباته:

1-كبريتات النحاس CuSO₄(  II )

و الذى يستخدم :-  كمبيد حشرى و كمبيد للفطريات فى عملية تنقية مياه الشرب .

2- تكوين محلول فهلنج  . وهو من مركبات النحاس و يستخدم فى الكشف عن سكر الجلوكوز  حيث يتحول من اللون الازرق الى اللون البرتقالى 

الخارصين₃₀Zn:(Ar)4s², 3d¹⁰

الأهمية:تتركز معظم إستخدامات الخارصين فىجلفنة الفلزات ….( علل )   لحمايتها من الصدأ 

أهم مركبات الخارصين:

1-أكسيد الخارصين  ZnO  الذى يدخل فى صناعة الدهانات و المطاط و مستحضرات التجميل 

2- كبريتيد الخارصين ZnS   الذى يستخدم فى صناعة الدهانات المضيئة و شاشات الاشعة السينية 

تدريب

1. تختلف المجموعة VIII عن باقي مجموعات الجدول الدوري الحديث ؟؟

ج: لأنها تتكون من ثلاثة أعمدة رأسية يكون التشابه بين عناصرها الأفقية أكثر من التشابه بين عناصرها الرأسية .

2. تستخدم سبيكة السكانديوم مع الالومنيوم فى صناعة طائرات الميج المقاتلة   ؟؟.

ج :لأنها تتماز بخفتها و شدة صلابتها  .

3. يضاف السكانديوم الى مصابيح أبخرة الزئبق ؟؟.

ج :لأنها تستخدم لإنتاج ضوءعالى الكفاءة يشبه ضوءالشمس .

4. تستخدم مصابيح أبخرة الزئبق المضاف إليها السكانديوم  فى  التصوير التلفزيونى أثناء الليل  ؟؟ .

ج :لأنها تستخدم لإنتاج ضوءعالى الكفاءة يشبه ضوء الشمس لذلك تستخدم في التصوير التلفزيونى الليلى  .

5. تستخدم سبائك التيتانيوم مع الألومنيوم فى صناعة الطائرات و المركبات الفضائية ؟؟.

ج :لأنه يحافظ على متانته فىدرجات الحرارة المرتفعة فىالوقت الذى تنخفض فيه متانة الألومنيوم.

6. يستخدم التيتانيوم فى عمليات زراعة الأسنان و المفاصل الصناعية ؟؟ .

ج :لأن الجسم لايلفظه ولايسبب اى نوع من التسمم  .

7. يستخدم ثانى أكسيد التيتانيوم فى تركيب مستحضرات الحماية من أشعة الشمس ؟؟ .

ج  :حيث تعمل دقائقه النانوية علىمنع وصول الاشعة فوق ا لبنفسيجية للجلد   .

8. يستخدم الصلب المضاف إليه الفانديوم فى صناعة زنبركات السيارات ؟؟ .

ج :لأنها تتميزبقساوة عالية وقدرة كبيرة على مقاومة التأكل .

9-أهمية خامس اكسيد الفانديوم ؟؟ .

ج :لأنه يستخدم :

كعامل حفازفى صناعة المغناطيسات فائقة التوصيل .كصبغ فى صناعة السيراميك 

1. الكروم على درجة كبيرة من النشاط الكيميائى و لكنه يقاوم فعل العوامل الجوية   ؟؟

ج :بسبب تكون طبقة من الأكسيد على سطحه ويكون حجم جزيئات الأكسيد المتكون أكبر من حجم ذرات العنصر نفسه مما يعطى سطحاًغيرمساميا من الأكسيد تمنع إستمرار تفاعل الكروم مع أكسجين الجو    .

2. لا يستخدم المنجنيز فى حالته النقية و إنما يستخدم فى صورة سبائك او مركبات ؟؟ .

ج : لهشاشته الشديدة   .

3. تستخدم سبائك الحديد من المنجنيز فى صناعة خطوط السكك الحديدية ؟؟. .

ج : لأنها أصلب من الصلب   .

4. تستخدم سبائك الالومنيوم مع المنجنيز فى صناعة عبوات المياة الغازية  ؟؟  .

ج :لمقاومتها للتأكل  .

5. يستخدم الحديد و الكوبلت فى صناعة المغناطيسات ؟؟ .

ج: لأن كلاهما قابل للتمغنط  .

6. اهمية اشعة جاما الناتجة من كوبلت 60 ؟؟.

ج :تصدر  عنه أشعة جاما التى تمتاز بقدرة عالية على النفاذ  و لذلك يستخدم فى :

• حفظ المواد الغذائية .
• التاكد من جودة المنتجات حيث يكشف عن مواقع الشقوق و لحام الوصلات .
• يستخدم فى الطب فى الكشف عن الاورام الخبيثة و علاجها .
• اهمية طريقة (  فيشر و تربش   ) ؟؟.  ج : تحويل الغاز المائي إلي وقود سائل
• تستخدم سبائك اليكلو الكرومفى صناعة ملفات التسخين و الافران الكهربية ؟؟.

ج :لأنها تقاوم التأكل حتى وهى مسخنة لدرجة الاحمرار 

تطلى الكثير من المعادن بالنيكل ؟؟ .

ج :لحمايتها من الأكسدة والصدأ ويعطيها شكلاً أفضل  .

يستخدم النحاس في صناعة الكابلات الكهربية   ؟؟.

ج :لأنه جيد التوصيل للكهرباء .

أهمية إستخدام كبريتات النحاس عند تنقية مياه الشرب ؟؟ .

ج :لأنه يستخدم كمبيد للفطريات فى عملية تنقية مياة الشرب  .

التركيب الالكتروني وحالات التأكسد للعناصر الانتقالية

ملاحظات:

1-تقع عناصر السلسة الإنتقالية الأولى بعد الكالسيوم (₂₀Ca) فى الدورة الرابعة وتركيبه الإلكترونى[₁₈Ar]4s²  حيث يتتابع فيها امتلاء أوربيتالات المستوى الفرعى (3d) الخمسة بالإلكترونات المفردة حتى نصل إلى المنجنيز (3d⁵) ثم يحدث إزدواج فى الإلكترونات حتى نصل إلى الخارصين ( الزنك ) (3d¹⁰)   ( قاعدة هوند )  .

2-أ- يشذ التوزيع الالكتروني لكلاً من :

(أ) الكروم (₂₄Cr)        يكون  :        [Ar] 3d⁵4s¹

 (ب) النحاس (₂₉Cu)   يكون   :        [Ar]3d¹⁰4s¹

نتيجة إنتقال واحد إلكترون من (4s) إلى (3d) حتى يكون (3d) نصف ممتلئ كما فى الكروم أو تام الامتلاء كما فى النحاس ويكون (s) نصف ممتلئ وبذلك تكون الذرة أكثر استقراراً.

ب- الذرة تكون أقل طاقة وأكثر استقراراً عندما يكون المستوى الفرعى(d)فى إحدى الحالات الآتية:-

لاحظ أن الامتلاء الكامل أو الإمتلاءالنصفى للمستوى الفرعى ليس هو  العامل الوحيد لثبات التركيب الإلكترونى للعنصر فى المركب  .

تعطى جميع  عناصر السلسلة الإنتقالية  الأولى حالة التأكسد ( + 2 )  و ذلك بفقد إلكترونى المستوى الفرعى(4s )  أولا  وفى حالات التاكسد الأعلى تفقد الإلكترونات من المستوى الفرعى(3d)

 لاحظ :السكانديوم الوحيد الذى يعطى حالة تأكسد +3 مباشرة لأن فى هذه الحالة يكون (3d⁰) فارغاً  تماماً من الإلكترونات و تكون الذرة أكثر ثباتاً .

• ملاحظة رقم 4

   تزداد حالات التاكسد حتى تصل أقصاها ( +7  ) فى حالة المنجنيز الذي يقع في المجموعة 7B ثم تقل حتى تصل الى ( +2 ) فى الخارصين الذي يقع في المجموعة 2B ، ومن هنا يتضح أن اعلي عدد تأكسد لأي عنصر لا يتعدي رقم مجموعته ماعدا عناصر المجموعة IB  وهي النحاس والفضة والذهب .

ملاحظة رقم 5

   تتميز العناصر الإنتقالية بتعدد حالات تأكسدها  ( علل ) ؟

ج: لأن  الالكترونات المفقودة عند تأكسد العنصر تخرج من المستوى الفرعى(4s) أولاً ثم المستوى الفرعى القريب منه فى الطاقة (3d) بالتتابع .

• في الفلزات الانتقالية نجد أن طاقات التأين المتتالية تزداد بتدرج واضح كما يتبين من جهود تأين الفانديوم مقدرة بالكيلو جول / مول في حالات التأكسد المتتالية .

• فى الفلزات الممثلة مثل الصوديوم و الماغنسيوم و الألومنيوم نجد أن الزيادة فى جهد التاين الثانى فى حالة الصوديوم و الثالث فى حالة الماغنسيوم و الرابع  فى حالة الألومنيوم كبيرة جدا لأنه يتسبب فى كسر مستوى طاقة مكتمل   .

مما سبق يمكن وضع تعريف للعنصر الانتقالي:-

هو العنصر الذى تكون فيه الأوربيتالات  (d^1-9) أو (f^1-13) مشغولة ولكنها غير تامة الامتلاء سواء فى الحالة الذرية أو في أى حالة من حالات تأكسده

تعليلات:

• شذوذ التوزيع الالكتروني لكل من الكروم ₂₄Cr والنحاس Cu ₂₉ ؟

ج: لأن الذرة تكون أكثر استقراراً عندما يكون المستوي الفرعي 3d نصف ممتلئ ( كما في Cr ₂₄ ) أو تام الامتلاء ( كما في Cu ₂₉ ) .

• علل : لا يمكن الحصول على Al⁺⁴ , Mg⁺³ , Na⁺²  بالتفاعل الكيميائى العادى ؟؟.

ج : لأن الزيادة فى جهد التأين الثانى فى حالة الصوديوم و الثالث فى حالة الماغنسيوم و الرابع  فى حالة الألومنيوم كبيرة جدا لأنه يتسبب فى كسر مستوى طاقة مكتمل   .

• علل:يصعب الحصول على أيون سكانديومSc⁺⁴ ؟؟.

ج : لأن ذلك يتسبب فى كسر مستوى طاقة مكتمل .

• علل:السكانديوم الوحيد الذى يعطى حالة تأكسد +3 مباشرة؟؟.

ج : لأن فى هذه الحالة يكون (3d⁰) فارغاً  تماماً من الإلكترونات و تكونالذرة أكثر ثباتاً 

• علل : طاقة التاين للعنصر الانتقالى تزداد بتدرج و اضح ؟؟.
• علل تتميز العناصر الانتقالية بتعدد حالات تاكسدها ؟؟.

ج : لأن  الالكترونات المفقودة عند تأكسد العنصر تخرج من المستوى الفرعى(4s) أولاً ثم المستوى الفرعى القريب منه فى الطاقة (3d) بالتتابع .

• علل:تعتبرعناصرالعملة ( النحاس و الفضة و الذهب ) عناصرانتقالية ( IB )؟؟.

ج : تعتبر عناصر انتقالية لأن المستوى الفرعى (d)للعناصر الثلاثة  ممتلئ بالإلكترونات فى الحالة الذرية  و لكن عندما تكون حالة التأكسد (+2) أو (+3)  يكون المستوى الفرعى( d )  غير ممتلئ  ( d⁹ ) , ( d⁸ ) اذن فهى عناصر انتقالية  .

• علل: لا تعتبر عناصرالخارصين والكادميوم والزئبق عناصرانتقالية؟؟.
• علل: لا تعتبر عناصرالمجموعة ( IIB ) عناصرانتقالية؟؟.

ج : لا تعتبر عناصر انتقالية لأن المستوى الفرعى(d¹⁰) تام الامتلاء سواء فى الحالة الذرية أو حتى فى  حالة التأكسد +2.