Promoción de Otoño : ¡ -30% de descuento en todo el sitio ! |
Los metales de transición son elementos químicos ubicados en la parte central de la tabla periódica. Se caracterizan por su capacidad para formar iones con múltiples cargas y presentar propiedades magnéticas y catalíticas importantes. Sus átomos tienen electrones de valencia en los orbitales d que pueden formar enlaces metálicos con otros átomos. Esta definición incluye elementos como el hierro, el cobre, el níquel, el zinc y el titanio. Los metales de transición se utilizan en una gran variedad de campos como la producción de acero, la catálisis, la electrónica, los pigmentos y las joyas. Su capacidad para formar enlaces con otros átomos también les permite actuar como catalizadores en reacciones químicas. Esta característica los hace útiles en numerosos procesos industriales.
La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) es una organización internacional que tiene como objetivo promover la cooperación internacional en química. También busca fomentar el progreso de la química en todas sus ramas. Es responsable de la nomenclatura y clasificación de los elementos químicos, compuestos y reacciones químicas. Además, se ocupa de la estandarización de los símbolos y unidades utilizados en química. Según la IUPAC, un metal de transición es “un elemento químico cuyos átomos tienen una subcapa electrónica d incompleta o que pueden formar cationes cuya subcapa electrónica d está incompleta”. En otras palabras, sus electrones en su subcapa d están en proceso de llenado o están parcialmente llenos. Esto les confiere propiedades físicas únicas, pero similares a las de todos los metales.
Los metales de transición se caracterizan principalmente por su capacidad para conducir la electricidad, así como por su solidez a temperatura y presión normales. También son conocidos por su alta densidad y punto de fusión. En la mayoría de los casos, pueden catalizar reacciones químicas, ya sea como átomos individuales o en forma iónica. Asimismo, son capaces de formar numerosos iones en diferentes estados de oxidación. Estos pueden tener diversos colores debido a los movimientos de los electrones entre diferentes niveles de energía. Estas transiciones electrónicas generalmente ocurren dentro de la subcapa d incompleta.
Además, los metales de transición pueden formar compuestos que son atraídos por un campo magnético externo. Esta propiedad se debe a la presencia de electrones no apareados en su subcapa electrónica incompleta. Es importante en la química de los elementos de transición, ya que puede influir en su reactividad y capacidad para formar enlaces con otros átomos.
Según esta definición de la IUPAC, los metales de transición son elementos químicos pertenecientes al grupo 3 hasta el grupo 11 de la tabla periódica. También pertenecen a la misma categoría que la mayoría de los lantánidos y actínidos. Sin embargo, los elementos del grupo 12 (zinc, cadmio, mercurio y copernicio) no se consideran metales de transición. Tienen una configuración electrónica particular que les permite formar enlaces con los electrones de su subcapa ns, dejando su subcapa (n-1)d completa con 10 electrones.
En realidad, los elementos del grupo 12 se incluyen en la categoría de metales de transición por razones prácticas y de conveniencia. Aunque no cumplen con la definición de la IUPAC, todos están agrupados en el bloque d, a excepción de los lantánidos y actínidos. Así, ya no es obligatorio crear una categoría distinta para ellos. Sin embargo, los elementos del bloque f, que cumplen con la definición de la IUPAC, a veces se denominan “metales de transición internos”. No obstante, generalmente no se consideran metales de transición.
El mercurio (Hg) a menudo se considera parte del grupo 12 y no de los metales de transición. Sin embargo, podría clasificarse como tal en algunos casos. En particular, es posible que este elemento químico forme compuestos en los que tiene un estado de oxidación superior a 2. En otras palabras, moviliza uno o más electrones de su capa 5d para formar enlaces químicos. Este estado es típico de los metales de transición y lleva a algunos científicos a incluir el mercurio en esta categoría. Sin embargo, esta clasificación no es universal y depende de la definición específica de metales de transición que se utilice.
El fluoruro de mercurio (IV) HgF4 fue observado en 2007 en una matriz criogénica de neón y argón a una temperatura de 4 K. Este compuesto químico es interesante porque implica un estado de oxidación de +4 para el átomo de mercurio, movilizando al menos un electrón de la capa 5d como se mencionó anteriormente. Sin embargo, este análisis no se reprodujo en un experimento similar al año siguiente, lo que generó debates sobre su validez como representación de la química del elemento mercurio. Algunos autores sugirieron que esta observación solo sería representativa en condiciones fuera de equilibrio, y consideran que el mercurio debería considerarse un metal pobre.
El copernicio es un elemento químico con número atómico 112 que está ubicado en la columna
12 de la tabla periódica. También se posiciona en el séptimo período, ya que contiene 7 capas electrónicas alrededor de su núcleo atómico. También puede clasificarse como un metal de transición. Según los efectos de la relatividad restringida sobre los electrones pesados, la subcapa 7s está más estabilizada que la subcapa 6d para los elementos superpesados. En consecuencia, el ion Cn2+ tendría una configuración electrónica con una subcapa 6d incompleta, característica de los metales de transición. En solución acuosa, el copernicio estaría en el estado de oxidación +2 o +4. Sin embargo, es importante señalar que la química de este elemento aún no está bien comprendida, ya que es difícil de producir y estudiar debido a su gran inestabilidad y radiactividad.
Según la regla de Klechkowski, los electrones llenan los orbitales atómicos comenzando desde la energía más baja y aumentando gradualmente hasta alcanzar la energía más alta disponible. En el caso de los metales de transición, estos elementos tienen una configuración electrónica particular donde una subcapa d se llena progresivamente después de una subcapa s saturada. Esto les confiere propiedades particulares, como su capacidad para formar complejos coloreados y enlaces metálicos sólidos.
La regla de Klechkowski permite describir la configuración electrónica de aproximadamente el 80% de los elementos químicos. Los metales de transición, los lantánidos y los actínidos representan el 20% restante, y pueden presentar excepciones a esta regla. Específicamente, algunos elementos de estos grupos pueden tener una configuración electrónica de tipo s1 d5 o s1 d10, que es energéticamente más favorable que la configuración de tipo s2 d4 o s2 d9. Esto también puede observarse para algunos elementos adyacentes a los grupos 6 y 11. Sin embargo, para los metales de transición del séptimo período, la configuración electrónica exacta en el estado fundamental sigue siendo en gran parte desconocida, lo que impide caracterizar tales excepciones para los transactínidos.
Los orbitales electrónicos (n-1)d de los metales de transición juegan un papel más importante en sus características químicas y físicas, ya que se llenan progresivamente. Son responsables, en particular, de sus propiedades magnéticas, ya que los electrones en estos orbitales pueden tener espines paralelos o antiparalelos, lo que puede dar lugar a momentos magnéticos elevados. Además, la presencia de electrones en los orbitales d puede conducir a múltiples estados de oxidación, que son característicos de los metales de transición. También, los colores de los diferentes compuestos iónicos de estos elementos a menudo están asociados con las transiciones de electrones entre los orbitales d parcialmente llenos y otros orbitales, que pueden incluir orbitales p y orbitales d de niveles de energía más altos.
En cuanto a los orbitales (n-1)p y ns, se mantienen constantes a lo largo de un período, y su papel es mucho menos importante que el de los orbitales (n-1)d. Sin embargo, los elementos de transición que se encuentran en el mismo período tienen configuraciones electrónicas similares para sus electrones de valencia, lo que les confiere propiedades químicas similares entre sí, a pesar de sus diferencias en el número de protones y electrones.
Debido a su configuración electrónica particular, los elementos de transición tienen la capacidad de formar iones con varios estados de oxidación. Efectivamente, la presencia de orbitales parcialmente llenos permite una gran flexibilidad en la pérdida o ganancia de electrones durante la formación de iones. Esta propiedad es importante para su uso en numerosos procesos químicos, como las reacciones de oxidación y reducción.
Los metales alcalinos y alcalinotérreos tienden a formar iones con un solo estado de oxidación. Su configuración electrónica de valencia consta de un electrón s1 y s2 respectivamente. Estos electrones s se pierden fácilmente durante la formación de un ion, lo que conduce a una configuración de gas noble estable para el ion correspondiente. Por ejemplo, el sodio (Na) tiene una configuración electrónica [Ne] 3s1. Cuando pierde su electrón de valencia, forma un ion Na+ con una configuración electrónica idéntica a la del gas noble neón (Ne). De manera similar, el magnesio (Mg) tiene una configuración electrónica [Ne] 3s2. Cuando pierde sus dos electrones de valencia, forma un ion Mg2+ con una configuración electrónica idéntica a la del gas noble neón. En cambio, los metales de transición tienen configuraciones electrónicas más complejas y pueden perder o ganar diferentes números de electrones.
La razón de esta diferencia está relacionada con los potenciales de ionización de los elementos de estas dos categorías de metales. Por ejemplo, el calcio pierde fácilmente sus dos electrones de la subcapa 4s para formar el ion Ca2+. Sin embargo, eliminar un tercer electrón requiere mucha más energía. Por lo tanto, es particularmente difícil formar el ion Ca3+, ya que tiene un potencial de ionización extremadamente alto y no se forma naturalmente.
Para el vanadio, la energía necesaria para eliminar un electrón de la subcapa 4s y de la subcapa 3d es similar. Se observa un aumento progresivo del potencial de ionización entre los orbitales s y d, debido a la pequeña diferencia de energía entre la subcapa 3d y la subcapa 4s. Esto permite que los electrones de valencia del elemento se encuentren en ambas subcapas de manera bastante equivalente. Esta similitud de potencial de ionización entre las subcapas s y d del vanadio es característica de los metales de transición.
Concretamente, el estado de oxidación de un elemento representa el número de cargas positivas que adquiere cuando pierde electrones en una reacción química. Así, cuando el manganeso pierde siete electrones, obtiene una carga positiva de 7. De manera similar, el rutenio y el osmio pueden alcanzar un estado de oxidación de +8, perdiendo ocho electrones de su subcapa d. Estos también son metales de transición.
Se observan dos tendencias principales en las propiedades de los metales de transición a lo largo de un período. La primera es que el número de estados de oxidación posibles para cada ion aumenta hasta el grupo 7 u 8 antes de disminuir. Esto significa que los elementos de los grupos 4 a 7 u 8 pueden formar iones con un gran número de estados de oxidación, mientras que los de los grupos siguientes tienen un rango más restringido. La segunda tendencia es que los elementos en un bajo estado de oxidación pueden encontrarse en forma de ion simple. Sin embargo, para los estados de oxidación más altos, estos generalmente están presentes en forma de compuestos covalentes con oxígeno o flúor. Esta situación puede explicarse por la alta electronegatividad de estos dos elementos, que favorece la formación de enlaces covalentes.
Los metales de transición pueden formar complejos con ligandos cuyos colores dependen de varios factores. Estos varían principalmente según la naturaleza del ion metálico, especialmente el número de electrones en el orbital d de la capa de valencia. También pueden estar influenciados por la geometría de los ligandos alrededor del ion metálico. Los diastereoisómeros, que tienen diferentes disposiciones espaciales, pueden tener colores variados. Esta característica se debe a efectos estéricos y electrónicos que afectan los niveles de energía de los orbitales d del ion metálico.
El último factor es la naturaleza de los ligandos, que también pueden influir en los niveles de energía de los orbitales d de los metales de transición. Los ligandos que son fuertes donadores de electrones, como el amoníaco, pueden bajarlos, desplazando la banda de absorción hacia longitudes de onda más largas (hacia el rojo). Los ligandos débiles como el agua generalmente tienen el efecto contrario y desplazan la banda de absorción hacia longitudes de onda más cortas (hacia el azul).
Como ejemplos:
Estos colores pueden utilizarse para identificar los metales de transición o para determinar la presencia de ligandos específicos. Concretamente, a menudo están relacionados con las transiciones electrónicas entre los orbitales d de los átomos de estos elementos. Los electrones en estos orbitales pueden excitarse fácilmente a niveles de energía superiores, produciendo diferentes tonalidades según la cantidad de energía absorbida. Como los metales de transición pueden tener numerosos estados de oxidación y diferentes configuraciones electrónicas, se observa una gran variedad de colores en sus complejos. De hecho, estos tonos son producidos por la absorción de ciertas longitudes de onda de la luz visible por los electrones en los orbitales d del ion. Además, pueden estar influenciados por la coordinación de un ligando, que puede cambiar los niveles de energía de los orbitales d.
Como todos los metales, los elementos de transición tienen la propiedad de conducir la electricidad. Algunos de ellos pueden ser extremadamente tóxicos para los seres humanos. Cuando están en forma de partículas, pueden contribuir a la contaminación del aire, lo que puede tener consecuencias negativas para la salud y el medio ambiente. Por lo tanto, es importante tomar precauciones para limitar la exposición a estos metales, y es esencial implementar medidas para reducir su emisión a la atmósfera.
En general, los elementos de transición tienen una densidad y una temperatura de fusión y vaporización altas. Solo los que se encuentran en el grupo 12 tienen un punto de fusión relativamente bajo. El mercurio, por ejemplo, es líquido a temperaturas superiores a -38,8 °C, mientras que el copernicio puede ser gaseoso a temperatura ambiente. Estas propiedades físicas se deben a la capacidad de los electrones de la subcapa d de deslocalizarse en la red metálica. En los metales, la cohesión aumenta con el número de electrones compartidos entre los núcleos.
Es posible utilizar ciertos metales de transición como catalizadores eficientes que pueden tomar forma homogénea o heterogénea. Estos pueden acelerar considerablemente las reacciones químicas y, por lo tanto, se utilizan en numerosos procesos industriales. El hierro, por ejemplo, se ha empleado en el proceso Haber para producir amoníaco. Además, el níquel y el platino son necesarios en la hidrogenación de alquenos para crear un alcano.
Los metales del grupo del platino presentan propiedades notables, especialmente una gran resistencia a la corrosión, alta densidad y baja reactividad química. Estas características los hacen extremadamente útiles en catalizadores para aplicaciones estratégicas.
Además, los metales de transición pueden llevar a la producción de sulfatos en las nubes y en ciertos tipos de smog. Estos procesos generalmente ocurren en presencia de dióxido de nitrógeno (NO2) y sin necesidad de luz solar para desencadenarse. Por otra parte, los elementos de transición pueden utilizarse en la fabricación de semiconductores. Los metales de transición de origen humano a menudo se dispersan en el entorno terrestre y acuático. Pueden provenir de diversas fuentes, como la industria, la extracción de oro o los convertidores catalíticos de vehículos (especialmente los del grupo del platino). Los aviones a reacción también pueden dispersarlos. Algunos quelantes son capaces de unirse a algunos de estos metales y se utilizan para tratar intoxicaciones. También sirven para descontaminar suelos o sedimentos.
a partir de 49€
Hecho en España
Disponible, 7 días a la semana
Dentro de 14 días, satisfecho o reembolsado
PayPal, tarjeta de crédito, Visa, Mastercard, transferencia bancaria
4x sin intereses desde 30€ de compra con PayPal