Übergangsmetalle

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Sc
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Ti
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V
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Cr
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Mn
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Fe
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Co
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Ni
29
Cu
30
Zn
39
Y
40
Zr
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Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
57
La
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
89
Ac
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Cn

Die chemischen Elemente mit den Ordnungszahlen von 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 112 werden üblicherweise als Übergangselemente bezeichnet. Da diese Elemente alle Metalle sind, wird auch der Ausdruck Übergangsmetalle benutzt. Dieser Name ist in ihrer Position im Periodensystem begründet, da sich dort der Übergang durch die aufeinanderfolgende Zunahme von Elektronen in den d-Atomorbitalen entlang jeder Periode zeigt. Übergangselemente werden chemisch von der IUPAC als Elemente, die eine unvollständige d-Schale besitzen oder Ionen mit einer unvollständigen d-Schale ausbilden, definiert. Nach dieser strengeren Definition sind Zink, Cadmium und Quecksilber keine Übergangselemente, da sie d10 Konfiguration besitzen. Traditionell wird jedoch die einfachere und weniger strikte Definition verwendet.

Eigenschaften

Übergangselemente zeichnen sich im allgemeinen durch hohe Zugfestigkeiten, Dichten, Schmelzpunkte und Siedepunkte aus. So wie andere Eigenschaften der Übergangsmetalle sind auch diese auf die Fähigkeit der Elektronen der d-Orbitale zurückzuführen, innerhalb des Metallgitters delokalisiert zu sein. In metallischen Stoffen sind diese Eigenschaften umso stärker ausgeprägt, je mehr Elektronen zwischen den Kernen aufgeteilt werden.

Typische Eigenschaften der Übergangsmetalle sind:

Oxidationszustände

Im Vergleich zu Elementen der II. Gruppe wie Calcium gibt es die Ionen der Übergangselemente in zahlreichen Oxidationszuständen. Calciumionen geben nur zwei Elektronen ab, da sie so eine Edelgaskonfiguration erhalten. Sie liegen somit in der Oxidationsstufe +II vor, wohingegen ein Übergangselement bis zu acht Elektronen abgeben kann. Die Energie, die zur Entfernung von Elektronen von Calcium notwendig ist, ist niedrig, solange bis man versucht, Elektronen unterhalb seiner äußeren beiden s-Orbitale zu entfernen. Ca3+ hat eine Ionisationsenthalpie, die so hoch ist, dass es normalerweise nicht vorkommt. Übergangselemente wie Vanadium dagegen haben wegen der geringen Energiedifferenz zwischen den 3d- und 4s-Orbitalen ziemlich linear ansteigende Ionisationsenthalpien entlang ihrer s- und d-Orbitale. Übergangselemente kommen daher auch mit sehr hohen Oxidationszahlen vor. Im allgemeinen sind solche Elektronenkonfigurationen bevorzugt, die entweder voll oder halb besetzt sind.

Entlang einer Periode kann man bestimmte Verhaltensmuster erkennen:

Eigenschaften in Abhängigkeit vom Oxidationszustand:

Katalytische Aktivität

Übergangsmetalle sind gute homogene oder heterogene Katalysatoren, z.B. ist Eisen der Katalysator für das Haber-Bosch-Verfahren. Nickel und Platin werden für die Hydrierung von Alkenen verwendet. Palladium (Pd) eignet sich gut für katalysierte C-C-Kupplungsreaktionen (Suzuki, Heck, Stille etc.). Rhodium (Rh), Iridium (Ir) und Ruthenium (Ru) werden z.B. in der asymmetrischen Hydrierung prochiraler Moleküle eingesetzt. In den meisten Fällen werden hier Phosphor-Verbindungen als Liganden für die Stereokontrolle eingesetzt. Die bekanntesten Liganden sind z.B. BINAP von Ryoji Noyori (Nobelpreis 2001), DIOP von Henri Kagan, JosiPhos/WalPhos, und DuPhos. Alle genannten Liganden haben gemeinsam, dass sie bidentat und chelatisierend sind, d. h. zwei Phosphoratome des Liganden binden gleichzeitig an das Metall.

Farbige Verbindungen

Von links nach rechts: In Wasser gelöstes Co(NO3)2 (rot); K2Cr2O7 (orange); K2CrO4 (gelb); NiCl2 (grün); CuSO4 (blau); KMnO4 (violett)

Wenn sich die Frequenz elektromagnetischer Strahlung verändert, können verschiedene Farben wahrgenommen werden. Sie resultieren aus der unterschiedlichen Zusammensetzung von Licht, nachdem es nach Kontakt mit einem Stoff reflektiert, transmittiert oder absorbiert wurde – man spricht auch von Remission. Wegen ihrer Struktur bilden Übergangsmetalle viele verschiedene farbige Ionen und Komplexe aus. Die Farben unterscheiden sich sogar bei ein und demselben Element – z.B. MnO4 (Mn in der Oxidationsstufe +7) ist eine violette Verbindung, Mn2+ ist aber blassrosa. Cr(II)-Verbindungen sind in der Regel blau, Cr(III)-Verbindungen grün, während Cr(VI)-Verbindungen gelb bis orange sind. Komplexbildung kann eine wesentliche Rolle bei der Farbgebung spielen. Die Liganden haben nämlich einen großen Einfluss auf die d-Schale. Sie ziehen teilweise die d-Elektronen an und spalten sie in höhere und niedrigere (in Bezug auf die Energie) Gruppen. Elektromagnetische Strahlung wird nur absorbiert, wenn ihre Frequenz der Energiedifferenz zweier Energiezustände des Atoms entspricht (wegen der Formel E=hν.) Wenn Licht auf ein Atom mit aufgespaltenen d-Orbitalen trifft, werden manche Elektronen in den höheren Zustand angehoben (d-d-Übergang). Verglichen mit einem nichtkomplexierten Ion können verschiedene Frequenzen absorbiert werden, und deshalb kann man auch verschiedene Farben beobachten.

Die Farbe eines Komplexes hängt ab von:

Die Komplexe des d-Block-Elements Zink (streng genommen kein Übergangselement) sind farblos, da die 3d-Orbitale vollständig besetzt sind und daher auch keine Elektronen angehoben werden können.


 
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 06.05. 2019