عناصر واسطه جدول تناوبی

فلزات یا عناصر واسطه، گروهی از عناصر میانی جدول تناوبی می باشند که نقش مهمی را در ساختار و عملکرد بسیاری از ترکیبات شیمیایی که می شناسید ایفا می کنند. اینها در بلوک مرکزی جدول تناوبی قرار دارند و دارای اتمهایی با اوربیتالهای d نیمه پر جدول مندلیف قرار دارند که به آنها خواص شیمیایی منحصر به فردی می دهد. فلزات واسطه به دلیل نقطه ذوب و جوش بالایی که دارند، دارای توانایی تشکیل ترکیبات رنگارنگ و دخالت در واکنشهای کاتالیزوری می باشند. با ما در ادامه همراه باشید تا به صورت جامع با این عناصر مهم جدول تناوبی آشنا شویم. برای شروع اجازه دهید ببینم فلز واسطه چیست.

عناصر واسطه چه هستند؟

عناصر واسطه جدول تناوبی گروهی از عناصر فلزی هستند که در بلوک میانی جدول مندلیف قرار دارند و همچنین به عنوان فلزات واسطه و عناصر انتقالی (transition elements) نیز می شناسیم. این عناصر دارای اعداد اتمی از 21 تا 30، 39 تا 48، 57 تا 80 و 89 تا 112 می باشند. از مهمترین ویژگیهای این عناصر می توان به قابلیت چکش خواری، شکل پذیری و استحکام کششی بالای آنها اشاره کرد. آنها همچنین رسانای خوبی برای گرما و الکتریسیته هستند و معمولاً سخت و متراکم می باشند. عناصر واسطه دارای نقطه ذوب و جوش بالایی هستند وبا توجه به پیکربندی الکترونی شان، میزان واکنش شیمیایی متفاوتی دارند.

یکی از مهم ترین ویژگیهای عناصر انتقالی توانایی آنها در تشکیل یونها و ترکیبات پیچیده است. این به دلیل وجود اوربیتالهای d خالی و یا نیمه پر در آنها است که می توانند جفت الکترون را بپذیرند و یا اهدا کنند. اما فلزات واسطه در جدول تناوبی، دقیقا کجا هستند؟

جایگاه عناصر واسطه در جدول مندلیف

عناصر واسطه، در ستونهای کوتاه مرکز جدول تناوبی، بین گروههای اصلی A3 و A2 قرار دارند. آنها با گروه 3 شروع می شوند و تا گروه 12 گسترش می یابند. عناصری که در شکل بالا با رنگ زرد مشخص شده فلزات واسطه خارجی نام دارند و به عناصر دارای رنگ سبز نیز فلزات واسطه داخلی می گویند. به صورت کلی نیز به مجموع فلزات سبز و زرد و یا عناصر واسطه داخلی و خارجی، عناصر واسطه می گوییم.

خواص و ویژگیهای فلزات واسطه

از مهمترین خواص و ویژگیهای عناصر واسطه جدول مندلیف، می توان به توانایی آنها در تشکیل یونها و ترکیبات پیچیده به دلیل اوربیتالهای d نیمه پر آنها اشاره کرد. این ویژگی به آنها اجازه می دهد طیف گسترده ای از حالتهای اکسیداسیون را به وجود آورد و مجتمعهای هماهنگی با لیگاندها تشکیل دهند که پیامدهای مهمی برای فرآیندهای مختلف شیمیایی و بیولوژیکی به همراه دارد. علاوه بر این، خواص کاتالیزوری این عناصر باعث می شود در کاربردهای مختلف صنعتی و بیولوژیکی اهمیت پیدا کند.

از دیگر ویژگیهای مهم این فلزات می توان به این مورد اشاره کرد که نسبت بار به شعاع زیادی دارند. اینها فلزات معمولاً سختی هستند و نسبتاً در مقایسه با عناصر دیگر، از چگالی بالایی برخوردارند. به دلیل مشارکت الکترونهای d غیرمحلی در پیوند فلزی، نقطه جوش و ذوب این عناصر زیاد است. این پیوند فلزی دارای الکترونهای d غیرمحلی، همچنین باعث می‌شود که فلزات واسطه رسانای خوبی برای جریان الکتریکی باشند. چندین عنصر از فلزات واسطه دارای خواص کاتالیزوری می باشند که در تولید صنعتی بعضی مواد شیمیایی بسیار مفید است. به عنوان مثال، در فرآیند هابر برای تولید آمونیاک، آهن به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. به صورتی مشابه، در تولید صنعتی اسید سولفوریک، پنتا اکسید وانادیم نیز به عنوان یک کاتالیزور استفاده می شود.

در چه کاربردهایی از فلزات واسطه استفاده می شود؟

عناصر واسطه به دلیل خواص منحصر به فردشان کاربردهای مختلفی دارند. یکی از مهمترین زمینه های کاربرد اینها ساخت آلیاژها است که در آن فلزات واسطه ای مانند آهن، نیکل و تیتانیوم با فلزات دیگر مخلوط می شوند تا موادی با استحکام، دوام و مقاومتی بالا در برابر خوردگی ایجاد کنند. این آلیاژها در طیف وسیعی از صنایع از جمله هوافضا، خودروسازی و ساخت و ساز استفاده می شوند. یکی دیگر از کاربردهای مهم عناصر واسطه همانطور که بالاتر نیز گفتیم، نقش کاتالیزوری آنها می باشد. کاتالیزورها واکنشهای شیمیایی را بدون مصرف شدن در فرآیند، سرعت می بخشند. فلزات واسطه اغلب به عنوان کاتالیزور در فرآیندهای صنعتی مانند تولید پلاستیک، سوخت و مواد دارویی استفاده می شوند.

آنها همچنین در کاربردهای زیست محیطی مانند حذف آلاینده ها از فاضلاب و مبدلهای کاتالیزوری در سیستمهای اگزوز خودرو نیز اهمیت دارند. علاوه بر موارد بالا به دلیل توانایی هدایت مناسب الکتریسیته و گرما، فلزات واسطه به طور گسترده در الکترونیک نیز کاربرد دارند. برخی از فلزات واسطه مانند طلا و پلاتین به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوبشان بسیار ارزشمند هستند و در جواهرسازی و سایر کالاهای لوکس استفاده می شوند.

پرکاربردترین عناصر واسطه کدامها هستند؟

متداول ترین عناصر واسطه عبارتند از آهن (Fe)، مس (Cu)، روی (Zn)، نیکل (Ni)، کروم (Cr) و تیتانیوم (Ti). آهن (Fe) در زمینه‌ تولید فولاد، برای ساخت و ساز، حمل و نقل و بسیاری از کاربردهای صنعتی دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. مس (Cu) در سیم کشی برق، لوله کشی و به عنوان رسانا در علم الکترونیک استفاده می شود. کاربرد روی (Zn) نیز به عنوان پوشش محافظ برای آهن و فولاد برای جلوگیری از خوردگی و همچنین استفاده در باتریها می باشد. نیکل (Ni) برای ساخت فولاد ضد زنگ استفاده می شود و همچنین در تولید باتری و آهنرباها نیز مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده‌ کروم (Cr) ساخت فولاد ضد زنگ است و همچنین در تولید رنگدانه های (pigments) رنگ نیز کاربرد دارد. تیتانیوم (Ti) نیز به دلیل زیست سازگاری خود، در صنایع هوافضا و همچنین تولید پروتز و ایمپلنتهای دندانی استفاده می شود.

سوالات متداول عناصر واسطه جدول تناوبی

1- فلزات واسطه چه تفاوتی با سایر عناصر دارند؟

مهمترین تفاوت بین فلزات واسطه با سایر عناصر، پیکربندی الکترونی آنها است. فلزات انتقالی دارای اوربیتالهای d ناقص هستند که به آنها اجازه می دهد به راحتی ترکیبات پیچیده ای تشکیل دهند و طیف وسیعی از حالتهای اکسیداسیون را بروز دهند. در عناصر دیگر معمولاً این اوربیتالهای نیمه پر نیستند و ممکن است خواص مشابهی از خود نشان ندهند.

2- ویژگی ایجاد حالتهای اکسیداسیون متعدد در عناصر واسطه چه مزیتی دارد؟  

ایجاد حالتهای اکسیداسیون متعدد در عناصر واسطه، طیف وسیع‌ تری از واکنشهای شیمیایی و توانایی تشکیل ترکیبات پیچیده‌تر را ممکن می‌سازد. این تطبیق پذیری به فلزات واسطه اجازه می دهد تا در بسیاری از کاربردهای مختلف، از کاتالیزورها گرفته تا دستگاه های الکترونیکی، استفاده شوند. به علاوه، قابلیت جا به جایی بین حالتهای مختلف اکسیداسیون، امکان ذخیره و آزادسازی انرژی را فراهم می کند و این فلزات را در کاربردهای ذخیره انرژی ارزشمند می کند.

3- فلزات واسطه در مبدلهای کاتالیزوری چگونه به کاهش آلودگی هوا کمک می کنند؟

فلزات واسطه ای مانند پلاتین، پالادیوم و رودیم به عنوان کاتالیزور در مبدلهای کاتالیزوری عمل می‌کنند. اینها سرعت تبدیل گازهای خروجی مضر به محصولات کمتر مضر مانند دی اکسید کربن و آب را افزایش می‌دهند.

4- چرا فلزات واسطه در سیستمهای بیولوژیکی مهم هستند؟

فلزات واسطه ای مانند آهن، مس و روی، نقش مهمی در سیستمهای بیولوژیکی مانند انتقال اکسیژن، انتقال الکترون و کاتالیز آنزیمها ایفا می کنند. کمبود و یا وجود بیش از حد این فلزات می تواند باعث مشکلات سلامتی شود.

5- آیا عناصر گروه لانتانیدها و اکتینیدها نیز جزو عناصر واسطه هستند؟

لانتانیدها و اکتینیدها ویژگیهای مشترکی با بسیاری از عناصر انتقالی دارند، مانند نقاط ذوب و جوش بالا، حالتهای اکسیداسیون متعدد و شیمی پیچیده. اینها فلزات واسطه داخلی نام دارند و گاهی اوقات  آنها را به عنوان عناصر واسطه نیز می شناسیم.