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- Este artículo trata sobre las propiedades de los metales de transición en química inorgánica.
- Empezaremos definiendo los metales de transición antes de dar una visión general de sus principales propiedades características.
- A continuación exploraremos sus propiedades físicas y químicas con más detalle.
- Para ello, examinaremos más detenidamente los estados de oxidación variables, la formación de iones complejos, los iones coloreados y la actividad catalítica.
- También profundizaremos en sus propiedades magnéticas.
Definición de metal de transición
Antes de entrar en las propiedades de los metales de transición, definamos qué es realmente un metal de transición. Para tus exámenes, necesitas conocer la siguiente definición:
Los 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 significa que todos los elementos del bloque d son metales de transición. Sin embargo, no es así: no todos forman iones estables con subcubiertas d parcialmente llenas. Por ejemplo, el escandio (Sc) y el zinc (Zn) no son metales de transición. Para simplificarte la vida, hemos incluido más abajo una versión de la tabla periódica que destaca los metales de transición.
Fig. 1: La tabla periódica, con los bloques etiquetados y los metales de transición resaltados en azul.StudySmarter Originals
Puedes aprender cómo las configuraciones electrónicas de los iones de escandio y zinc hacen que no sean metales de transición en el artículo Metales de transición.
En niveles educativos superiores, podrías utilizar la definición de metales de transición de la IUPAC. Ésta sigue incluyendo elementos que forman al menos un ion estable con una subcáscara d de electrones parcialmente llena, pero también incluye elementos con átomos que tienen subcáscaras d parcialmente llenas. Sin embargo, no nos ocuparemos de esos elementos en este artículo ni, de hecho, en tu nivel A de Química.
Propiedades características de los metales de transición
Una vez aclarada la definición de los metales de transición, podemos pasar al tema principal de este artículo: las propiedades de los metales de transición. Veremos sus propiedades físicas antes de considerar sus propiedades químicas.
También prestaremos especial atención a cuatro propiedades características que hacen que los metales de transición actúen de forma diferente a los demás elementos. Estas propiedades características son
- Estados de oxidación variables.
- Formación de iones complejos.
- Iones coloreados.
- Actividad catalítica.
Pero antes, vamos a explorar las propiedades físicas de los metales de transición.
Propiedades físicas de los metales de transición
En etapas anteriores de tu educación, probablemente aprendiste algunas propiedades generales de los metales: son duros, fuertes y buenos conductores del calor y la electricidad. Podemos referirnos a estos rasgos en su conjunto como caráctermetálico. Pero cuando observas los metales de los grupos 1 y 2 de la tabla periódica, estas propiedades no parecen mantenerse. Como descubrimos en la introducción, el sodio (un metal del grupo 1) es blando, maleable y reacciona tan vigorosamente con el aire y el agua que debe almacenarse en aceite. Esto no encaja del todo con el "carácter metálico".
Sin embargo, los metales de transición sí se ajustan a la descripción estereotipada de un metal, al menos en lo que se refiere a sus propiedades físicas:
Los metales de transición son duros y fuertes. También podemos combinarlos en aleaciones para hacerlos aún más fuertes.
Tienen puntos de fusión y ebullición elevados.
Son insolubles en agua.
Además, son buenos conductores del calor y la electricidad.
Muchos metales de transición son brillantes y lustrosos.
También tienen una densidad elevada.
Propiedades químicas de los metales de transición
Aunque es posible que ya conozcas las propiedades físicas de los metales de transición, puede que no hayas oído hablar de algunas de sus propiedades químicas. Algunas de ellas son sus propiedades características, de las que hablaremos con más detalle en un segundo:
Los metales de transición pueden tener estados de oxidación variables.
También forman iones complejos.
Producen compuestos e iones coloreados.
Además, tienen buenas propiedades catalíticas.
Por último, los metales de transición no reaccionan mucho con el agua o el oxígeno.
Tanto las propiedades físicas como las químicas de los metales de transición ayudan a explicar muchos de sus usos comunes. Utilizamos el oro en joyería por su brillo y resistencia, y porque no reacciona con el aire circundante.El latón (una aleación de cobre) es fuerte, robusto y buen conductor de la electricidad, por eso lo encontramos en las clavijas de los enchufes eléctricos. Del mismo modo, las tapas de alcantarilla resistentes suelen ser de hierro. El níquel se utiliza como catalizador para hacer margarina a partir del petróleo, mientras que los iones azules de cobalto contribuyen a los tonos vibrantes de ciertas pinturas.
Como hemos mencionado antes en el artículo, las cuatro primeras propiedades químicas de la lista anterior (estados de oxidación variables, formación de iones complejos, iones coloreados y actividad catalítica) hacen que los metales de transición sean bastante interesantes. Aunque estas propiedades concretas no son exclusivas de los metales de transición, ¡los distinguen de los demás elementos! Las cuatro propiedades características se explican por el subesqueleto d incompleto de los metales de transición. Veámoslas con más detalle.
Por desgracia, hoy sólo tenemos tiempo para una introducción a estas cuatro propiedades características. Sin embargo, en otros artículos de StudySmarter tratamos con más detalle los estados de oxidación variables, la formación de iones complejos, los iones coloreados y la actividad catalítica. Incluiremos enlaces a las explicaciones pertinentes cuando nos sumerjamos hoy en las cuatro ideas.
Propiedades de los metales de transición: estados de oxidación variables
Los estados deoxidación son números asignados a los iones que muestran cuántos electrones ha perdido o ganado el ion, en comparación con el elemento en su estado no combinado.
Los metales de transición presentan estados de oxidación variables. Esto significa que suelen perder distintos números de electronesen las reacciones químicas, por lo que participan en múltiples tipos de reacciones redox. Por ejemplo, mientras que el sodio (un metal del grupo 1) sólo se encuentra con un estado de oxidación de +1, el metal de transición hierro puede tener un estado de oxidación de +1, +2 o +3.
Consulta Estados deoxidaciónvariables de Metales de transición para ver una tabla que muestra los posibles estados de oxidación de la primera fila de metales de transición, así como un análisis más detallado de cómo afecta esto a su potencial redox .
El estado de oxidación preferido de un elemento tiene que ver con la energía. Los iones con estados de oxidación más altos liberan más energía cuando forman redes o compuestos. Sin embargo, para alcanzar estados de oxidación superiores es necesario perder electrones adicionales, y esto requiere energía. Para algunos elementos, ¡perder electrones adicionales no es energéticamente favorable!
Pensemos de nuevo en el sodio. Este metal tiene la configuración electrónica 1s2 2s2 2p6 3s1. Pierde su primer electrón del subesqueleto 3s, lo que requiere una pequeña cantidad de energía y da al sodio la configuración 1s2 2s2 2p6 3s0. Pierde su segundo electrón del subesqueleto 2p. La subcáscara 2p está mucho más cerca del núcleo que la subcáscara 3s, ¡por lo que la eliminación del segundo electrón requiere mucha más energía que la del primero! Aunque un ion Na2+ liberaría más energía al formar un compuesto que un ion Na+, la energía extra no cubre el coste de eliminar ese segundo electrón. Por eso el sodio sólo tiene un estado de oxidación +1.
Pero los metales de transición son un poco diferentes. Esto se debe a que las subcáscaras 4s y 3d están próximas en energía, por lo que eliminar electrones adicionales no requiere mucha más energía.
Considera el hierro. Este metal tiene la configuración electrónica [Ar] 4s2 3d6. Pierde sus dos primeros electrones del subesqueleto 4s, lo que le da la configuración [Ar] 4s0 3d6. Pierde su siguiente electrón del subesqueleto 3d. Como la subcubierta 3d es muy similar energéticamente a la 4s, perder ese tercer electrón no requiere mucha más energía, y el coste está más que cubierto por la energía extra liberada cuando los iones Fe3+ forman compuestos.
A continuación se muestran las cinco primeras energías de ionización sucesivas del sodio y del hierro. Observa cómo hay un gran salto entre la primera y la segunda energía de ionización del sodio, mientras que las energías de ionización del hierro aumentan linealmente.
| Elemento | Energía de ionización (kJ mol-1) | ||||
| 1ª | 2ª | 3ª | 4o | 5.º | |
| Sodio | 496 | 4562 | 6910 | 9543 | 13354 |
| Hierro | 703 | 1562 | 2957 | 5290 | 7240 |
Las energías de ionizaciónsucesivas aumentan porque estás eliminando un electrón negativo de una especie cada vez más negativa. Consulta Energía de ionización y Tendencias de la energía de ionización para saber más sobre este tema.
Propiedades de los metales de transición: formación de iones complejos
¿Recuerdas qué es un enlace covalente dativo (también conocido como enlace coordinado)? Como su nombre indica, es un tipo de enlace covalente, pero en este enlace, los dos electrones compartidos proceden del mismo átomo. El enlace se forma entre una especie con un par solitario de electrones y una especie con un orbital electrónico vacío.
Pues bien, los metales de transición suelen tener múltiples orbitales vacantes y energéticamente accesibles en su subesqueleto d. Esto los convierte en los mejores candidatos para los enlaces dativos. Llamamos compuestos complejosa los compuestos que contienen metales de transición unidos a otras especies con enlaces covalentes da tivos.
Un compuesto complejo (también conocido como ion complejo) está formado por un ion de metal de transición central unido a varios iones o moléculas neutras mediante enlaces covalentes dativos (coordinados).
Aquí tienes algunos términos más que debes conocer sobre los compuestos complejos:
- El ion de metal de transición dentro de un compuesto complejo se conoce como complejo.
- Los iones enlazados o las moléculas neutras se denominan ligandos.
- Los compuestos complejos también pueden describirse por su número de coordinación, que no es más que el número de enlaces de coordinación unidos al ion de metal de transición central.
He aquí un ejemplo de compuesto complejo: la vitamina B12.
Fig. 2: Estructura de la vitamina B12, un ion complejo.commons.wikimedia.org
La vitamina B12 contiene un ion cobalto, que está unido a cinco átomos de amoníaco y a un grupo R, que varía según el tipo de organismo que haya producido la molécula. Por tanto, este compuesto complejo tiene un número de coordinación de 6.
Veremos más ejemplos de compuestos complejos en los artículos Reacción de sustitución, Preparación de un complejo de metal de transición y Formas de los iones complejos.
Propiedades de los metales de transición: iones coloreados
¿Te has preguntado alguna vez por qué los cristales, como las esmeraldas y los rubíes, tienen colores tan vibrantes? Debemos agradecérselo a los metales de transición. Los iones de los metales de transición suelen formar iones coloreados, y sus magníficos matices se deben a sus subcáscaras d de electrones parcialmente llenas.
He aquí una breve explicación de los colores de los metales de transición:
Los metales de transición tienen una subcáscara d parcialmente llena con cinco orbitales electrónicos.
Estos orbitales electrónicos se dividen en grupos de niveles de energía diferentes debido a la presencia de ligandos. Aesto lo llamamos desdoblamiento.
Los electrones de la subcáscara d del metal de transición pueden pasar de un orbital de menor energía a otro de mayor energía. Al saltar a un nivel energético superior, absorben energía en forma de luz visible igual a la diferencia de energía entre los dos orbitales.
Al espectro de luz visible le faltan ahora determinadas longitudes de onda, que corresponden a un determinado color. El color que vemos es una combinación de todas las longitudes de onda restantes.
Un mismo metal de transición puede tener distintos colores, dependiendo de factores como su estado de oxidación, el tipo de ligando y el número de coordinación. Por ejemplo, tanto el tono verde de las esmeraldas como el rojo intenso de los rubíes se deben a trazas del ion cromo (III). Sin embargo, los dos colores tan diferentes se deben a los distintos grupos ligados al cromo.
Fig. 3: Un arco iris de colores de iones de metales de transición.StudySmarter Originals
¿Por qué no se colorean otros iones metálicos? Porque no tienen subcáscaras d incompletas y, por tanto, no absorben ninguna longitud de onda del espectro de luz visible. La luz visible con todas sus longitudes de onda presentes se combina para formar la luz blanca, y por eso parece incolora.
Propiedades de los metales de transición: actividad catalítica
Por último, veamos las propiedades catalíticas de los metales de transición.
Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin modificarse químicamente en su conjunto. Funcionan proporcionando una vía de reacción alternativa con una energía de activación menor.
En la definición anterior puedes ver por qué los catalizadores son tan útiles, sobre todo en la industria: aceleran las reacciones químicas sin mucho coste adicional. Sólo tienes que comprar el catalizador una vez, ¡y teóricamente podría durar para siempre!
Muchos elementos de transición y sus compuestos actúan como buenos catalizadores. He aquí por qué:
Los metales de transición presentan múltiples estados de oxidación estables diferentes, por lo que pueden donar y recibir electrones fácilmente. Esto significa que actúan como buenos "lugares de almacenamiento" de electrones durante la reacción química.
Muchos metales de transición son buenos adsorbentes. Esto significa que las moléculas reaccionantes pueden adherirse fácilmente a su superficie. La adsorción provoca algún tipo de interacción entre las moléculas reaccionantes y la superficie del metal de transición, como un debilitamiento de los enlaces del reactivo. Esto permite que se produzca la reacción.
Los dos factores anteriores contribuyen a disminuir la energía de activación de la reacción y, por tanto, a aumentar la velocidad de reacción.
Dirígete a Catalizadores para saber más sobre los distintos tipos de catalizadores y cómo funcionan. Te centrarás en ejemplos concretos, como el óxido de vanadio (V) y los iones Fe2+.
Se han concedido muchos Premios Nobel a químicos pioneros en el campo de la catálisis. Por ejemplo, Fritz Haber se llevó un Premio Nobel en 1918 por su trabajo en el Proceso Haber, que sintetiza amoníaco utilizando un catalizador a base de hierro. Karl Ziegler y Giulio Natta compartieron el Premio Nobel en 1963 por su contribución a la polimerización de hidrocarburos. Para ello se utiliza un catalizador Ziegler-Natta, que a menudo contiene titanio o hafnio.
También encuentras enzimas, conocidas cariñosamente como "catalizadores de la naturaleza", que dependen de metales de transición. El cobre es una parte vital de las tirosinasas, que sintetizan la melanina: gránulos pigmentados que protegen tu ADN de la dañina radiación UV solar. Además, las bacterias fijadoras de nitrógeno utilizan unas enzimas denominadas nitrogenasas. Éstas actúan como la versión del mundo vivo del proceso de Haber, catalizando la conversión del nitrógeno en amoníaco. Al igual que los catalizadores del proceso de Haber, las nitrogenasas contienen hierro. A menudo contienen también un segundo metal de transición, normalmente molibdeno, pero a veces vanadio.
Propiedades de los elementos de transición: magnetismo
¿Quieres conocer una última propiedad de los metales de transición? Exploremos el magnetismo.
El magnetismo está causado por los electrones no apareados. Los electrones tienen naturalmente un momento magnético causado por su espín, pero en las especies que sólo tienen electrones apareados, los momentos magnéticos se anulan. Esto significa que tales especies no se ven afectadas por un campo magnético externo; decimos que son diamagnéticas.
Sin embargo, las especies con uno o más electrones no apareados sí tienen un momento magnético global. Tales especies se ven afectadas por un campo magnético externo, y decimos que son paramagnéticas. Si acercas un imán a una especie paramagnética, sus momentos magnéticos se alinearán en la dirección del campo magnético. Sin embargo, cuando retiras el campo magnético externo, los momentos magnéticos vuelven a un estado aleatorio y la especie pierde su magnetismo.
También tenemos especies ferromagnéticas. Éstas también contienen electrones no apareados. Debido a consideraciones energéticas, los momentos magnéticos de estos electrones no apareados se orientan naturalmente paralelos entre sí, en lugar de adoptar una disposición aleatoria. Esto significa que las especies ferromagnéticas mantienen sus propiedades magnéticas incluso cuando se elimina el campo magnético externo, por lo que actúan como pequeños imanes.
¿Cómo se relaciona el magnetismo con los metales de transición? Pues bien, muchos metales de transición se encuentran en la naturaleza con electrones no apareados. Esto significa que presentan magnetismo. Otros metales, como el aluminio, también tienen electrones no apareados y muestran propiedades magnéticas, pero estos metales son principalmente paramagnéticos. Por otra parte, los metales de transición pueden ser ferromagnéticos, lo que significa que conservan sus propiedades magnéticas incluso cuando no están en un campo magnético externo y, por tanto, actúan ellos mismos como imanes. Ejemplos de especies ferromagnéticas son el hierro (Fe), el níquel (Ni) y el cobalto (Co).
Fig. 4: Disposición de los electrones del hierro, el níquel y el cobalto. Sólo se muestran los orbitales 3d y 4s. Observa que los tres elementos contienen electrones no apareados, por lo que tienen propiedades magnéticas.StudySmarter Originals
Propiedades de los metales de transición - Puntos clave
Los metales de transición son elementos que forman iones estables con subcáscaras d de electrones parcialmente llenas.
Los metales de transición muestran el típico carácter metálico: tienen puntos de fusión y ebullición elevados, son duros y densos, y son buenos conductores.
Los metales de transición pueden formar iones con múltiples estados de oxidación. Los iones suelen ser de colores brillantes.
También forman compuestos complejos. En estos compuestos, un ion de metal de transición central se une a moléculas circundantes, conocidas como ligandos, mediante enlaces covalentes dativos.
Los metales de transición son buenos catalizadores.
Además, tienen importantes propiedades magnéticas: muchos metales de transición son paramagnéticos o ferromagnéticos.
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