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Pues bien, eso es lo que son los metales de transición: un grupo de elementos que tienden un puente entre dos lados de la tabla periódica. En este artículo, nos sumergiremos en el maravilloso mundo de estos metales.
- Este artículo es una introducción a los metales de transición en química inorgánica.
- Empezaremos definiendo los metales de transición.
- Después veremos su ubicación en la tabla periódica.
- Veremos sus propiedades generales.
- Por último, exploraremos algunos de sus usos y aplicaciones.
Definición de los metales de transición
A veces los científicos no se ponen de acuerdo sobre la clasificación exacta de los metales de transición. De hecho, existen varias definiciones diferentes.
Pero para tus exámenes, necesitas saber lo siguiente:
Metales de transición son elementos que forman al menos un ion estable con una subcáscara d de electrones parcialmente llena.
Podrías pensar que esta definición engloba a todos los elementos del bloque d de la tabla periódica, pero en realidad no es así. Esto se debe a que no todos los elementos del bloque d forman iones estables con subcubiertas d de electrones incompletas. Ejemplos de elementos del bloque d que no son metales de transición son el escandio (Sc) y el zinc (Zn). Más adelante veremos por qué.
Puedes ver los metales de transición en la tabla periódica que aparece a continuación. Aquí están resaltados en azul.
Fig. 1 - Tabla periódica de los elementos con los metales de transición resaltados
En realidad, laIUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) tiene una definición ligeramente distinta de metal de transición. Están de acuerdo en que un metal de transición es un elemento que forma al menos un ion estable con una subcáscara d de electrones parcialmente llena, pero también dicen que los metales de transición pueden ser elementos cuyos átomos tienen una subcáscara d parcialmente llena. Esta definición significa que el escandio y el zinc son, de hecho, metales de transición.
También puedes ver los lantánidos, que son elementos con los números atómicos 57 - 71, y los actínidos, que tienen los números 89 - 103, denominados metales de transición internos. Pero para este artículo, nos ceñiremos a la primera definición que aprendimos: sólo los elementos resaltados en azul más arriba.
Metales de transición en la tabla periódica
Como te hemos mostrado antes, los metales de transición se encuentran en el centro del bloque d de la tabla periódica.
El bloque d es una sección de la tabla periódica. El subesqueleto de mayor energía que se encuentra en los elementos del bloque d es siempre un subesqueleto d. El bloque d se encuentra entre los bloques s y p, y sirve de enlace entre ambos.
Más concretamente, los metales de transición se encuentran en los grupos 3-12 y en los periodos 4-7, pero esto no es importante, lo único que importa es que puedas encontrarlos en la tabla periódica.
Configuración electrónica de los metales de transición
Empezaremos con su configuración electrónica como átomos y luego veremos cómo cambia cuando forman iones. Esto también ayudará a explicar por qué algunos miembros del bloque d no se clasifican como metales de transición.
Es probable que esta sección no tenga mucho sentido si no has leído "Envolturas de electrones " y " Configuración de electrones". Te recomendamos que los leas primero para aprender los fundamentos de las capas, subcapas, orbitales y reglas de llenado de los electrones.
Configuración electrónica de los átomos de metales de transición
Como ya hemos dicho, todos los metales de transición se encuentran en el bloque d de la tabla periódica. Esto significa que todos sus electrones de valencia se encuentran en una subcáscara d.
Debes recordar que los electrones se encuentran en envolturas. Éstas se dividen en subcubiertas. Hay cuatro tipos diferentes de subcáscaras de electrones: s-, p-, d- y f-subcáscaras. La posición de un elemento en la tabla periódica te indica la subcáscara de mayor energía en la que se encuentran sus electrones. El subesqueleto de mayor energía de los elementos del bloque p, por ejemplo, es un subesqueleto p.
A medida que avanzas por el periodo de la tabla periódica, cada metal de transición tiene un electrón más que el anterior. Estos electrones llenan gradualmente la subcáscara d, pero hay algunas excepciones furtivas. Veámoslo más de cerca, utilizando como ejemplo la primera fila de metales de transición (periodo 4). A continuación hemos resaltado el período.
Fig. 2 - Tabla periódica con el período 4 resaltado
Veamos sus configuraciones electrónicas. Como en la tabla periódica, hemos resaltado los metales de transición.
Fig. 3 - La configuración electrónica del periodo 4
Los dos primeros elementos del periodo 4, el potasio (K) y el calcio (Ca) se encuentran en el bloque s. Sus electrones de valencia se encuentran en la subcáscara 4s, y sus subcáscaras 3d están vacías.
Recuerda que las subcubiertas se llenan en un orden determinado, de menor a mayor energía. Esto suele seguir el patrón de menor número a mayor número. Por ejemplo, 2s se llena antes que 3s. Sin embargo, el 3d es una anomalía: tiene una energía ligeramente superior al 4s, por lo que se llena después del 4s. Éste es otro ejemplo de una molesta excepción a las reglas que debes aprender.
Los 10 elementos siguientes son elementos del bloque d. A medida que avanzas en el período, se van añadiendo electrones a la subcáscara 3d interna, uno a uno. Por ejemplo, el escandio (Sc) tiene 21 electrones y un solo electrón en su subcáscara 3d, lo que le da la configuración electrónica [Ar] 3d1 4s2, mientras que el titanio tiene 22 electrones y dos electrones en su subcáscara 3d. Esto le da la configuración electrónica de [Ar] 3d2 4s2.
Pero, como ya hemos dicho, este patrón de llenado se ve bruscamente interrumpido por dos elementos: el cromo (Cr) y el cobre (Cu). Ambos tienen subcáscaras 4s parcialmente llenas. ¿Por qué ocurre esto?
Pues porque las subcáscaras 4s y 3d tienen niveles de energía muy similares. Como el electrón de la subcáscara 4s no está apareado, no experimenta ninguna repulsión electrón-electrón. Esto disminuye su estado energético y compensa con creces el electrón extra de la subcáscara 3d, de energía ligeramente superior. A los electrones simplemente les gusta estar en el estado energético más bajo posible. También se cree que tener una subcáscara 3d medio llena, como en el caso del cromo, o una subcáscara 3d completamente llena, como en el caso del cobre, ayuda a estabilizar el átomo.
Fig. 4 - Configuraciones electrónicas esperada y observada del cromo y el cobre
Configuración electrónica de los iones de metales de transición
Todos los metales de transición forman cationes positivos perdiendo electrones.
Tal vez recuerdes de la Configuración electrónica que, aunque el subesqueleto 3d tiene un nivel de energía ligeramente superior al subesqueleto 4s, los átomos pierden primero los electrones del subesqueleto 4s. Esto significa que todos los metales de transición perdieron sus electrones 4s antes que sus electrones 3d.
Tomemos como ejemplo el hierro (Fe). Suele formar iones con cargas 2+ o 3+. El hierro tiene la configuración electrónica [Ar] 3d6 4s2. Al formar un ion 2+, primero pierde sus electrones 4s, lo que le da la configuración electrónica de [Ar] 3d6 4s0. Para formar un ion 3+, necesita perder otro electrón. Como el subesqueleto 4s ahora está vacío, este electrón se pierde del subesqueleto 3d, lo que da al ion la configuración electrónica de [Ar] 3d5 4s0.
Fig. 5 - Configuración electrónica del hierro, hierro(II) y hierro(III)
¿Por qué no todos los elementos del bloque d son metales de transición?
Porque no todos forman iones estables con subcubiertas d incompletas. Por ejemplo, el escandio (Sc) sólo forma iones 3+ en todos sus compuestos, lo que le da la configuración electrónica de [Ar]3d0 4s0. Su subesqueleto 3d está completamente vacío, por lo que no es un metal de transición. Del mismo modo, el zinc (Zn) sólo forma iones 2+ en todos sus compuestos. Estos iones tienen la configuración electrónica de [Ar]3d10 4s0. Su subesqueleto 3d está completamente lleno, por lo que no es un metal de transición.
Propiedades de los metales de transición
Todos los metales de transición tienen propiedades similares. Son buenos conductores del calor y la electricidad, son duros y fuertes, y tienen puntos de fusión y ebullición elevados. En comparación con los metales de los grupos 1 y 2, también son relativamente poco reactivos. Esto los hace extremadamente útiles, pero lo exploraremos en la próxima sección. Por ahora, veamos algunas de sus otras propiedades características. Hay cuatro en particular que debes conocer cuando se trata de metales de transición:
- Los metales de transición forman iones con múltiples estados de oxidación. Ya hemos visto cómo el hierro forma iones 2+ y 3+.
- Forman iones complejos. Los iones complejos son iones unidos a otros iones o moléculas, denominados ligandos, mediante enlaces covalentes dativos.
- Forman compuestos coloreados. Por ejemplo, el cobre suele formar soluciones azules.
- Son buenos catalizadores, que son sustancias que aumentan la velocidad de una reacción química sin consumirse en el proceso.
Exploramos estas propiedades con mucha más profundidad en Propiedades de los metales de transición.
Usos de los metales de transición
Debido a sus propiedades, los metales de transición tienen una gran variedad de usos. Los encontrarás en electrónica, materiales de construcción y mucho más. He aquí algunas de sus aplicaciones más comunes:
El aluminio es ligero y no tóxico, por lo que se utiliza no sólo en la fabricación de piezas de automóviles y aviones, sino también para fabricar latas y papel de aluminio para envolver alimentos.
El hierro se utiliza en materiales de construcción, por ejemplo en puentes, barcos y en el armazón estructural de los edificios. Esto se debe a su gran resistencia y bajo coste. De hecho, el hierro representa el 90% de la producción mundial de metales.
Elcobre se utiliza en cables eléctricos por su buena conductividad eléctrica.
Puedes encontrar titanio en polvo en la industria pirotécnica, como en los fuegos artificiales, porque produce partículas de combustión brillante.
El wolframio se utiliza en filamentos de bombillas y tubos de rayos X.
Los metales de transición suelen formar aleaciones. Son compuestos formados por mezclas de elementos, de los que al menos uno es un metal. Las aleaciones suelen ser más resistentes que los metales puros. Los metales forman retículas y, en los metales puros, los iones metálicos de la retícula tienen todos el mismo tamaño, por lo que es fácil que se deslicen unos sobre otros.
Sin embargo, las aleaciones contienen iones metálicos de distinto tamaño. Éstos distorsionan la red y dificultan el deslizamiento de los iones. Algunas aleaciones útiles de metales de transición son el latón (hecho de cobre y zinc), el acero (hecho de hierro y carbono, un no metal) y la plata de ley (hecha de plata y otro metal, normalmente cobre).
Para más información sobre los entramados metálicos, consultaEnlace metálico.
Metales de transición - Puntos clave
Los metales de transición son elementos cuyos átomos tienen una subcáscara d parcialmente llena , o que forman al menos un ion estable con una subcáscara d de electrones parcialmente llena.
Los metales de transición se encuentran en el bloque d de la tabla periódica. Esto significa que su subcubierta de mayor energía es siempre una subcubierta d. Más concretamente, los metales de transición se encuentran en los grupos 3-12 y en los periodos 4-7.
Los metales de transición se diferencian por el número de electrones de sus subcubiertas d. Sin embargo, el cobre y el cromo tienen configuraciones electrónicas ligeramente distintas de lo esperado debido a la similitud de los niveles de energía de las subcáscaras 4s y 3d.
Al formar iones, los metales de transición pierden sus electrones 4s antes que sus electrones 3d.
Los metales de transición son duros y fuertes, tienen puntos de fusión y ebullición elevados y son relativamente poco reactivos.
Los metales de transición también forman iones con múltiples estados de oxidación, forman iones complejos, producen compuestos coloreados y actúan como catalizadores.
Los metales de transición se utilizan como materiales de construcción y en electrónica. También forman muchas aleaciones diferentes.
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