1 – regularna zwarta
2 – heksagonalna zwarta
3 – regularna przestrzennie
centrowana
1 – regularna zwarta
2 – heksagonalna zwarta
3 – regularna przestrzennie
centrowana
dobre
przewodzenie
elektryczności i ciepła
gładka, błyszcząca powierzchnia
kowalność i ciągliwość
struktury krystaliczne w metalach:
przewodnictwo
elektryczne jest
uwarunkowane
ruchem
elektronów
przewodnictwo
elektryczne jest
uwarunkowane
ruchem
elektronów
metale
odznaczają się
nieporównywalni
e większym
przewodnictwem
elektrycznym niż
inne typy
substancji
stałych
metale
odznaczają się
nieporównywalni
e większym
przewodnictwem
elektrycznym niż
inne typy
substancji
stałych
Przewodnictwo elektryczne
różnych substancji
Substanc
ja
Wiązanie
Przewodn
ość
właściwa
(
-1
·cm
-1)
Srebro
metaliczne
6,3·10
5
Miedź
metaliczne
6,0·10
5
Sód
metaliczne
2,4·10
5
Cynk
metaliczne
1,7·10
5
Chlorek
sodu
jonowe
10
-7
Diament
kowalencyjne
(makrocząste
czka)
10
-14
Kwarc
kwalencyjne
(makroczaste
czka)
10
-14
3s
3s
atom Mg
stan
wzbudzony
atom Mg
stan
wzbudzony
3p
3p
3s
3s
atom
Mg
atom
Mg
3p
3p
3s
atom
Na
3p
atom Ti
stan
wzbudzony
atom Ti
stan
wzbudzony
atom
Ti
atom
Ti
3d
3d
4s
4s
3d
3d
4s
4s
obecność pustych orbitali w powłoce walencyjnej
duża liczba elektronów na powłoce walencyjnej
to cechy tłumaczące:
przewodnictwo elektryczne metali
tworzenie przez nie wiązań
przewodnictwo elektryczne metali
maleje wraz z temperaturą
metale wykazują właściwości
paramagnetyczne
wszystkie metale, z wyjątkiem miedzi i
złota, mają barwę srebrzystą
powierzchnia metali jest z reguły gładka i błyszcząca
elektrony metalu mogą absorbować energię świetlną
elektrony metalu po absorbcji energii
mogą ją natychmiast emitować
miarą siły kohezji jest
ciepło atomizacji
miarą siły kohezji jest
ciepło atomizacji
struktura metalu może
być stosunkowo łatwo
odkształcana
struktura metalu może
być stosunkowo łatwo
odkształcana
struktura
metalu
charakteryzuje
się
dużą
spójnością
(kohezją)
struktura
metalu
charakteryzuje
się
dużą
spójnością
(kohezją)
metale
są
kowalne
i
ciągliwe
metale
są
kowalne
i
ciągliwe
Ciepła atomizacji H
0
(kJ·mol
-1
)
Metal
H
0
Temperatura
topnienia [
0
C]
Temperatura
wrzenia [
0
C]
Li
161
181
1331
Na
108
98
890
K
90
64
766
Rb
82
39
701
Cs
78
29
685
Be
326
1277
2477
Mg
149
650
1120
Ca
177
838
1492
Sr
164
768
1370
Ba
178
714
1638
B
565
2030
3927
Al
324
660
2447
Ga
272
30
2237
Sc
326
1539
2480
Ti
473
1668
3280
V
515
1990
3380
Cr
397
1875
2642
Mn
281
1245
2041
Fe
416
1537
2887
Co
425
1495
2887
Ni
430
1453
2837
Cu
339
1083
2582
Zn
126
420
908
Ciepła atomizacji H
0
(kJ·mol
-1
)
Metal
H
0
Temperatura
topnienia [
0
C]
Temperatura
wrzenia [
0
C]
Li
Li
161
161
181
181
1331
1331
Na
108
98
890
K
90
64
766
Rb
82
39
701
Cs
78
29
685
Be
Be
326
326
1277
1277
2477
2477
Mg
149
650
1120
Ca
177
838
1492
Sr
164
768
1370
Ba
178
714
1638
B
B
565
565
2030
2030
3927
3927
Al
324
660
2447
Ga
272
30
2237
Sc
326
1539
2480
Ti
473
1668
3280
V
515
1990
3380
Cr
397
1875
2642
Mn
281
1245
2041
Fe
416
1537
2887
Co
425
1495
2887
Ni
430
1453
2837
Cu
339
1083
2582
Zn
126
420
908
struktura regularna zwarta
liczba
koordynacyjna 12
struktura regularna zwarta
liczba
koordynacyjna 12
warstwa A
warstwa B
warstwa A
warstwa B
układ warstw ABABAB...
struktura heksagonalna zwarta
liczba
koordynacyjna 12
struktura heksagonalna zwarta
liczba
koordynacyjna 12
struktura regularnie przestrzenie centrowana
– liczba koordynacyjna 14
największa możliwość przesuwania się
płaszczyzn –
– struktura regularna zwarta
– mniejsza twardość i większa możliwość
odkształcania
właściwości mechaniczne
metali:
kowalność i
ciągliwość
zależą od
właściwości mechaniczne
metali:
kowalność i
ciągliwość
zależą od
łatwości przesuwania się
sąsiednich płaszczyzn sieciowych
łatwości przesuwania się
sąsiednich płaszczyzn sieciowych
Li
Na
K
Rb
Cs
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Sc
Y
La
Ti
Hf
Zr
V
Nb
Ta
Cr
Mo
W
U
Th
Fr Ra Ac
Pa
Mn
Tc
Re
Fe
Ru
Os
Co
Rh
Ir
Ni
Pd
Pt
Cu
Au
Ag
Zn
Cd
Hg
Zależność struktur metali od ich położenia
w układzie okresowym
Zależność struktur metali od ich położenia
w układzie okresowym
struktura regularna przestrzennie centrowana
struktura heksagonalna
struktura regularna zwarta
1900r - DRUDE
elektrony poruszające się w sieci
metalu
traktowane są jak swobodne
cząsteczki gazu
1923r – LORENTZ
metal stanowi sieć sztywnych kul (jonów
dodatnich)
zanurzonych w gazie swobodnym
elektronów,
które mogą poruszać się w przestrzeniach
międzywęzłowych
model ten tłumaczy swobodny ruch
elektronów
spójność metalu jest uwarunkowana
elektrostatycznym przyciąganiem się dodatnich
jonów i chmury elektronowej
w cząsteczce AB nie jest możliwe
odróżnienie elektronu (1) należącego
do atomu A od elektronu (2)
należącego do atomu B
cząsteczka AB musi być opisana
dwoma
granicznymi
wzorami
walencyjnymi:
I - A
(1)
B
(2)
i II - A
(2)
B
(1)
I - A
(1)
B
(2)
i II - A
(2)
B
(1)
rzeczywisty stan cząsteczki jest stanem
pośrednim pomiędzy strukturą I i II
I
=
A
(1)
B
(2)
i
II
=
A
(2)
B
(1)
I
=
A
(1)
B
(2)
i
II
=
A
(2)
B
(1)
oba stany graniczne można opisać funkcjami:
ponieważ obie funkcje muszą mieć tę
samą
energię,
rozwiązaniem
równania falowego jest kombinacja
liniowa:
+
= c
1
I
+ c
2
II
= c
1
A
(1)
B
(2)
+ c
2
A
(2)
B
(1)
+
= c
1
I
+ c
2
II
= c
1
A
(1)
B
(2)
+ c
2
A
(2)
B
(1)
Pauling
i
Slater
wprowadzili
do
kombinacji liniowej dwa dodatkowe
człony jonowe:
III - A
(+)
:B
(-)
i IV - A:
(-)
B
(+)
III - A
(+)
:B
(-)
i IV - A:
(-)
B
(+)
energia powyższej funkcji jest niższa
niż energia każdej z obu struktur
granicznych
Li - struktura regularna przestrzennie
centrowana
LK - 14
atom Li ma w powłoce zewnętrznej 1
elektron, który może zostać uwspólniony z
jednym z atomów sąsiednich - wiązanie
dwuelektronowe
atom może również być powiązany z
dowolnym innym spośród 8 lub 14 sąsiadów
Li Li Li Li
Li
Li Li Li
Li Li Li Li
Li
Li Li Li
atom Li może utworzyć dwa wiązania,
jeżeli ulegnie jonizacji
struktura
rzeczywista
jest
hybrydem
rezonansowym czyli mieszaniną wszystkich
struktur rezonansowych
ponieważ
istnieje
wiele
struktur
rezonansowych - metal charakteryzuje się
dużą siłą kohezji
Li Li
-
Li Li
Li
Li
+
Li Li
dwa jednakowe atomy A i B
posiadają orbitale atomowe opisane
przez funkcje falowe
(A) i
(B)
gdy powstaje wiązanie miedzy
atomami A i B elektrony z orbitali
atomowych
zajmują
orbitale
molekularne
orbital
molekularny
stanowi
liniową
kombinację
orbitali
atomowych
(A) i
(B)
S
TRUKTURA
E
LEKTRONOWA
L
ITU
w wiązaniu cząsteczki Li
2
uczestniczy
orbital atomowy 2s
pozostają puste trzy orbitale 2p - ich
obecność
jest
warunkiem
występowania
właściwości
metalicznych
1s
1s
2s
2s
2p
2p
puste orbitale mogą być wykorzystane
następująco:
przyjąć wolne pary elektronowe
od
innych
atomów
tworząc
wiązania koordynacyjne
uwspólnić swoje elektrony z
niektórymi sąsiadami
nawet gdy wszystkie elektrony są
wykorzystane do tworzenia wiązań
dwuelektronowych atom nie może
osiągnąć struktury gazu szlachetnego
–
— związki z niedoborem
elektronów
w czasie tworzenia się cząsteczki Li
2
w
wiązaniu biorą udział dwa orbitale
atomowe - po jednym z każdego atomu
1s
2s
2p
orbitale atomowe
orbitale molekularne
2s
2s
atom
1
atom
2
antywiążący
wiążący
a) Li
2
1s
2s
2p
orbitale atomowe
orbitale molekularne
antywiążący
wiążący
b) Li
3
2s
2s
atom
2
atom
3
2s
atom
1
niewiążący
orbitale atomowe
orbitale molekularne
c) Li
4
2s
2s
atom
2
atom
3
2s
atom
1
2s
atom
4
wiążące
antywiążące
d) Li
n
(metal)
2s
2s
atom
1
atom
n
wiele
atomów
Tworzenie przez orbitale molekularne
pasm w metalach
Tworzenie przez orbitale molekularne
pasm w metalach
a).
metaliczne
orbitale
molekularne litu
tworzące pasmo
obsadzone w
połowie
b).
metaliczne orbitale
molekularne
berylu
tworzące
nakładające
się pasma
orbitale
atomowe
orbitale
molekularne
pasmo 2s
2s
p
o
zi
o
m
y
p
u
st
e
p
o
zi
o
m
y
o
b
sa
d
zo
n
e
orbitale
atomowe
orbitale
molekularne
p
o
zi
o
m
y
p
u
st
e
p
o
zi
o
m
y
o
b
sa
d
zo
n
e
pasmo 2p
pasmo 2s
2p
2s
pasmo walencyjne jest tylko
częściowo wypełnione
lub
pasmo
walencyjne i pasmo przewodnictwa
nakładają się
nie występuje większa przerwa
energetyczna
między obsadzonymi i
nieobsadzonymi
orbitalami
molekularnymi,
co
ułatwia
przeniesienie elektronów
pasmo walencyjne jest zapełnione
występuje istotna przerwa między
pasmem walencyjnym a następnym
pustym, na którym elektrony mogłyby
się swobodnie poruszać
przerwa
energetyczna
między
sąsiednimi pasmami
jest mała
i
energia
cieplna
wystarcza
do
przeniesienia
niewielkiej
liczby
elektronów
z
zapełnionego
pasma
walencyjnego
do
pustego
pasma
przewodnictwa
elektryczność mogą przewodzić zarówno
elektrony
przeniesione
do
pasma
przewodnictwa,
jak i niesparowane
elektrony
pozostałe
w
paśmie
walencyjnym
przewodnictwo
elektryczne
półprzewodników
zwiększa
się
z
temperaturą
-
wzrasta
prawdopodobieństwo
przenoszenia
elektronów
2
13 14
15
16 17
1s
1
H
Wodór
2
He
Hel
2s
3
Li
Lit
4
Be
Beryl
2p
5
B
Bor
6
C
Węgiel
7
N
Azot
8
O
Tlen
9
F
Fluor
10
Ne
Neon
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
3s
11
Na
Sód
12
Mg
Magnez
3p
13
Al
Glin
14
Si
Krzem
15
P
Fosfor
16
S
Siarka
17
Cl
Chlor
18
Ar
Argon
4s
19
K
Potas
20
Ca
Wapń
3d
21
Sc
Skand
22
Ti
Tytan
23
V
Wanad
24
Cr
Chrom
25
Mn
Mangan
26
Fe
Żelazo
27
Co
Kobalt
28
Ni
Nikiel
29
Cu
Miedź
30
Zn
Cynk
4p
31
Ga
Gal
32
Ge
German
33
As
Arsen
34
Se
Selen
35
Br
Brom
36
Kr
Krypton
5s
37
Rb
Rubid
38
Sr
Stront
4d
39
Y
Itr
40
Zr
Cyrkon
41
Nb
Niob
42
Mo
Molibden
43
Tc
Technet
44
Ru
Ruten
45
Rh
Rod
46
Pd
Pallad
47
Ag
Srebro
48
Cd
Kadm
5p
49
In
Ind
50
Sn
Cyna
51
Sb
Antymon
52
Te
Tellur
53
I
Jod
54
Xe
Ksenon
6s
55
Cs
Cez
56
Ba
Bar
5d
*
72
Hf
Hafn
73
Ta
Tantal
74
W
Wolfram
75
Re
Ren
76
Os
Osm
77
Ir
Iryd
78
Pt
Platyna
79
Au
Złoto
80
Hg
Rtęć
6p
81
Tl
Tal
82
Pb
Ołów
83
Bi
Bizmut
84
Po
Polon
85
At
Astat
86
Rn
Radon
7s
87
Fr
Frans
88
Ra
Rad
6d
**
104
Rf
Rutherford
105
Db
Dubn
106
Sg
Seaborg
107
Bh
Bohr
108
Hs
Has
109
Mt
Meitner
110
Uun
111
Uuu
112
Uub
*
Lantanowce
4f
57
La
Lantan
58
Ce
Cer
59
Pr
Prazeodym
60
Nd
Neodym
61
Pm
Promet
62
Sm
Samar
63
Eu
Europ
64
Gd
Gadolin
65
Tb
Terb
66
Dy
Dyspoz
67
Ho
Holm
68
Er
Erb
69
Tm
Tul
70
Yb
Iterb
71
Lu
Lutet
**
Aktynowce
5f
89
Ac
Aktyn
90
Th
Tor
91
Pa
Protaktyn
92
U
Uran
93
Np
Neptun
94
Pu
Pluton
95
Am
Ameryk
96
Cm
Kiur
97
Bk
Bekerel
98
Cf
Kaliforn
99
Es
Einstein
100
Fm
Ferm
101
Md
Mendelew
102
No
Nobel
103
Lr
Lorens
18
1
1
2
3
4
5
6
7
blok d
blok f
pierwiastki
o
częściowo
zapełnionych podpowłokach
d
lub
f
Pierwiastki przejściowe
Pierwiastki przejściowe
występują
we
wszystkich
okresach
począwszy
od
czwartego:
okres IV
-
od 21 (Sc) do 30 (Zn)
okres V -
od 39 (Y) do 48 (Cd)
okres VI
-
od 57 (La) do 80 (Hg)
okres VII
-
od 89 (Ac) do 103 (Lw)
okres IV
-
od
21 (Sc)
do
30 (Zn)
okres V
-
od
39 (Y)
do
48 (Cd)
okres VI
-
od
57 (La)
do
80 (Hg)
okres VII
-
od
89 (Ac)
do
103 (Lw)
elektrony walencyjne
od
(n-1)
d
1
ns
2
do
(n-1)
d
10
ns
2
– pierwiastki
zewnątrzprzejściowe
od
(n-2)
f
1
(n-1)d
10
ns
2
do
(n-
2)
f
14
(n-1)d
10
ns
2
– pierwiastki
wewnątrzprzejściowe
rozmiary atomów
elektrony d niecałkowicie ekranują
ładunek jądra - zjawisko kontrakcji
elektrony d niecałkowicie ekranują
ładunek jądra - zjawisko kontrakcji
promienie
kowalencyjne
pierwiastków maleją w prawo w
okresie
promienie
kowalencyjne
pierwiastków maleją w prawo w
okresie
ładunek jądra i liczba elektronów
walencyjnych wzrasta w prawo w
okresie
ładunek jądra i liczba elektronów
walencyjnych wzrasta w prawo w
okresie
w pobliżu końca szeregu jednak
promień nieco wzrasta
w pobliżu końca szeregu jednak
promień nieco wzrasta
Zmiana promienia atomowego
objętości
atomowe
pierwiastków
przejściowych są mniejsze niż innych
metali - gęstość metali duża
gęstość
reaktywność metali
barwa
ze wzrostem liczby atomowej
maleje
reaktywność metali
- zwiększa się
szlachetność tych pierwiastków
jonowe i kowalencyjne związki
metali przejściowych są zwykle
wyraźnie zabarwione
barwa związana jest z możliwością
przenoszenia elektronów na wyższe
poziomy energetyczne (absorpcja
światła i przenoszenie elektronów z
jednego poziomu d na inny poziom
d)
Barwy jonów pierwiastków przejściowych I
oraz
długości fali maksimów absorpcji
Jon
Konfigura
cja
Obserwowa
na barwa
Maksimu
m
absorpcji
nm
[Ti(H
2
O)
6
]
3+
d
1
fioletowa
493
[V(H
2
O)
6
]
3
+
d
2
niebieska
389, 562
[V(H
2
O)
6
]
2
+
d
3
fioletowa
358, 541,
910
[Cr(H
2
O)
6
]
3+
d
3
fioletowa
264, 407,
580
[Fe(H
2
O)
6
]
3+
d
5
bezbarwny
[Fe(H
2
O)
6
]
2+
d
6
bladozielona 962
[Co(H
2
O)
6
]
2+
d
7
różowa
515, 625,
1120
[Ni(H
2
O)
6
]
2+
d
8
zielona
395, 741,
1176
[Cu(H
2
O)
6
]
2+
d
9
niebieska
794
x
y
z
2
z
d
g
e
Orbitale
x
y
z
2
2
y
x
d
x
y
z
yz
d
x
y
z
xy
d
g
2
t
Orbitale
x
y
z
zx
d
Energia
właściwości magnetyczne
wiele
związków
pierwiastków
przejściowych wykazuje właściwości
paramagnetyczne - związek zawiera
jeden lub więcej niesparowanych
elektronów
niesparowany
elektron
wytwarza
pole magnetyczne
wskutek
istnienia jego spinu
Jon
Konfiguracja
elektronowa
Elektrony
niesparowa
ne
Sc
3+
3d
0
0
Ti
3+
3d
1
1
Ti
2+
3d
2
2
V
2+
3d
3
3
Cr
2+
3d
4
4
Mn
2+
3d
5
5
Fe
2+
3d
6
4
Co
2+
3d
7
3
Ni
2+
3d
8
2
Cu
2+
3d
9
1
Zn
2+
3d
10
0
właściwości katalityczne
liczne metale przejściowe i ich związki
wykazują właściwości katalityczne:
FeSO
4
i H
2
O
2
[odczynnik Fentona
utleniający
alkohole do
aldehydów]
Fe/Mo
[otrzymywanie NH
3
]
Pd
[uwodornianie np. fenolu do cykloheksanu]
Pt/PtO
[katalizator
Adamsa
stosowany w
procesach
redukcji]
Pt
[używana dawniej w procesie SO
2
SO
3
]
Pt/Rh
[utlenianie NH
3
do NO]
V
5
O
5
[używany w procesie SO
2
SO
3
]
Cu
[otrzymywanie (CH
3
)
2
SiCl
2
w
produkcji
silikonów]
Ni
[nikiel Raneya stosowany w licznych
procesach
redukcji np. w
produkcji
heksametylenodiaminy]
TiCl
4
[katalizator Zieglera-Natty,
stosowany do
otrzymywania
polietylenu]
Cu/V
[utlenianie
mieszanin
cykloheksanol/
cykloheksanon do kwasu
adypinowego w
procesie produkcji nylonu]
zmienność stopnia utlenienia
Struktur
a
elektron
owa
Sc Ti
V
Cr M
n
Fe Co Ni Cu Zn
d
1
s
2
d
2
s
2
d
1
s
2
d
4
s
2
d
5
s
1
d
5
s
2
d
6
s
2
d
7
s
2
d
8
s
2
d
9
s
2
d
10
s
1
d
10
s
2
Stopnie
utlenieni
a
I
I
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
III III III III III III III III III
IV
IV IV IV IV IV IV
V
V
V
V
V
VI VI VI
VII
trwałość różnych stopni utlenienia
w obrębie każdej grupy różna jest
trwałość związków na różnym stopniu
utlenienia
związki
pierwiastków
drugiego
i
trzeciego szeregu są trwalsze na
wyższym
stopniu
utlenienia
niż
odpowiednie
związki
pierwszego
szeregu
zdolność
do
tworzenia
kompleksów wiąże się z:
małymi rozmiarami
dużym ładunkiem jonów
obecnością w ich atomach pustych
orbitali, które mają energię odpowiednią
do przyjęcia wolnych par elektronowych
oddawanych przez inne grupy lub
ligandy
rozpowszechnienie w przyrodzie
pierwiastki
przejściowe
pierwszego
szeregu
mające
parzyste
liczby
atomowe
są
z
reguły
bardziej
rozpowszechnione
w
przyrodzie
-
wyjątek Mn
pierwiastki
szeregów
drugiego
i
trzeciego
są
z
reguły
mniej
rozpowszechnione w przyrodzie niż
pierwiastki pierwszego szeregu
żaden
spośród
sześciu
ostatnich
pierwiastków drugiego i trzeciego
szeregu (Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Re, Os,
Ir, Pt, Au, Hg) nie występuje w
skorupie ziemskiej w ilości większej niż
0,15 ppm
Występowanie metali przejściowych
w organizmie człowieka
Fe
Zn
V
Cr
Mn
Mo
Co Ni
Cu
Znaczenie biologiczne metali przejściowych
METAL
ZNACZENIE BIOLOGICZNE
Wanad
(V)
niezbędny dla zwierząt, nie stwierdzono, by był
niezbędny dla człowieka;
uczestniczy w metabolizmie cholesterolu;
silnie hamuje ATPazy typu P (ulegające fosforylacji
podczas cyklu katalitycznego), m.in.. (Na
+
, K
+
) –
ATPazę, Ca
2+
- ATPazę
Chrom
(Cr)
prawdopodobnie pierwiastek niezbędny;
bierze udział w regulacji metabolizmu glukozy
Mangan
(Mn)
niezbędny dla zwierząt i dla człowieka;
składnik MnSOD;
aktywuje wiele hydrolaz i karboksylaz
Żelazo
(Fe)
niezbędne dla człowieka;
niedobór wywołuje anemię;
potrzebne do syntezy hemoglobiny, mioglobiny,
cytochromów, katalazy i innych białek hemowych i
niehemowych
Kobalt
(Co)
niezbędny jako składnik witaminy B
12
METAL
ZNACZENIE BIOLOGICZNE
Nikiel
(Ni)
prawdopodobnie niezbędny dla zwierząt;
składnik ureazy
składnik enzymów bakteryjnych, takich jak
hydrogenazy i dehydrogenaza tlenku węgla.
Miedź
(Cu)
niezbędna dla człowieka;
składnik
takich
enzymów
jak
Cu,Zn-SOD,
oksydaza cytochromowa, oksydaza lizynowa, -
hydroksylaza dopaminowa, ceruloplazmina
nadmiar toksyczny
Cynk
(Zn)
niezbędny dla człowieka;
składnik polimerazy RNA, anhydrazy węglanowej,
Cu,Zn-SOD
nadmiar toksyczny
Molibden
(Mo)
niezbędny w śladowych ilościach;
składnik
niektórych
enzymów
flawinowych
(oksydazy ksantynowej, nitrogenazy, oksydazy
siarczynowej, reduktazy azotanowej).
Znaczenie biologiczne metali przejściowych
Właściwości pierwiastków
przejściowych
zwykle twarde i wytrzymałe
metale
trudno topliwe
elektrododatnie
dobrze przewodzą ciepło i elektryczność
