الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على تحديد حالات التأكسد الشائعة لعناصر انتقالية معينة، والتنبؤ بلون الأيون بناءً على تركيب مستواه الفرعي d.
شرح الدرس
تُظهر معظم العناصر الانتقالية حالات تأكسد متعددة في مركباتها المختلفة، بخلاف الفلزات القلوية (حالة تأكسد ثابتة +1) أو فلزات المجموعة الثانية (حالة تأكسد ثابتة +2). على سبيل المثال، يُظهر الحديد حالتي التأكسد الشائعتين +2 (أيون الحديدوز Fe²⁺) و+3 (أيون الحديديك Fe³⁺).
لتحديد لون أيون انتقالي معين، يُنظر إلى تركيب مستواه الفرعي d بعد تكوين الأيون: إذا كان هذا المستوى غير مكتمل (ليس d⁰ ولا d¹⁰)، يكون الأيون عادة ملوّناً بسبب حدوث انتقالات إلكترونية بين المستويات الفرعية d (انتقالات d-d) عند امتصاص جزء من الضوء المرئي؛ أما إذا كان المستوى d⁰ أو d¹⁰ (فارغ تماماً أو ممتلئ تماماً)، يكون الأيون عادة عديم اللون.
أسئلة تدريبية
1. أيون المنجنيز Mn²⁺ توزيعه الإلكتروني [Ar]3d⁵. هل يُتوقع أن يكون هذا الأيون ملوّناً أم عديم اللون؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
يُتوقع أن يكون ملوّناً (وإن كان لونه فاتحاً جداً عملياً)؛ لأن مستوى d⁵ غير مكتمل (ليس d⁰ ولا d¹⁰)، فيمكن حدوث انتقالات d-d.
2. أيون التيتانيوم Ti⁴⁺ توزيعه الإلكتروني [Ar] (مستوى d فارغ تماماً). هل يُتوقع أن يكون هذا الأيون ملوّناً؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
لا يُتوقع أن يكون ملوّناً؛ لأن مستوى d فارغ تماماً (d⁰)، فلا يمكن حدوث أي انتقال إلكتروني بين مستويات فرعية d مختلفة.
3. حديد في مركب معين يُظهر حالة تأكسد +2. اكتب الرمز الأيوني المقابل لهذه الحالة، وتوزيعه الإلكتروني (بدءاً من توزيع ذرة الحديد [Ar]3d⁶4s²).
عرض الإجابة
الرمز: Fe²⁺؛ التوزيع: تُفقد إلكترونا 4s فقط (بما أن الحالة +2 تعني فقد إلكترونين فقط)، فيصبح التوزيع [Ar]3d⁶.
4. باستخدام نتيجة السؤال السابق، هل يُتوقع أن يكون أيون Fe²⁺ ملوّناً؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
نعم، يُتوقع أن يكون ملوّناً؛ لأن توزيعه 3d⁶ غير مكتمل (ليس d⁰ ولا d¹⁰)، فيمكن حدوث انتقالات d-d.
5. عنصر انتقالي يُظهر 3 حالات تأكسد مختلفة في مركبات مختلفة: +2، +3، +6. ما السبب الإلكتروني العام الذي يسمح بهذا التنوع الكبير في حالات التأكسد؟
عرض الإجابة
تقارب طاقة إلكترونات المستويين الفرعيين 3d و4s، مما يسمح بمشاركة عدد متفاوت من هذه الإلكترونات (من إلكترونين فقط إلى عدد أكبر) في تكوين الروابط الكيميائية حسب طبيعة التفاعل والعنصر الآخر المرتبط به.
6. أيون فضي Ag⁺ توزيعه الإلكتروني [Kr]4d¹⁰ (مستوى d ممتلئ تماماً). هل يُتوقع أن يكون هذا الأيون ملوّناً؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
لا يُتوقع أن يكون ملوّناً؛ لأن مستوى d ممتلئ تماماً (d¹⁰)، فلا يمكن حدوث انتقالات d-d.
7. مركّب لأيون انتقالي معين يظهر لوناً أزرق مميزاً في المحلول. ما الاستنتاج الأولي المنطقي حول تركيب المستوى الفرعي d لهذا الأيون؟
عرض الإجابة
الاستنتاج المنطقي هو أن مستوى d في هذا الأيون غير مكتمل (ليس فارغاً تماماً d⁰ ولا ممتلئاً تماماً d¹⁰)، مما يسمح بحدوث انتقالات d-d تمتص جزءاً من الضوء المرئي وتُنتج اللون الأزرق الملاحظ.
8. أيون الكروم Cr³⁺ توزيعه الإلكتروني [Ar]3d³ (كما حُسب في الدرس السابق). هل يُتوقع أن يكون هذا الأيون ملوّناً؟
عرض الإجابة
نعم، يُتوقع أن يكون ملوّناً؛ لأن توزيعه 3d³ غير مكتمل، فيمكن حدوث انتقالات d-d.
9. لماذا لا تُظهر عناصر المجموعة الثانية (كالكالسيوم أو المغنيسيوم) أي تنوع في حالات التأكسد، بخلاف العناصر الانتقالية؟
عرض الإجابة
لأن عناصر المجموعة الثانية ليس لها مستوى فرعي d نشط في تكافؤها؛ فحالة التأكسد الوحيدة المتاحة عملياً لها هي +2 (فقد إلكتروني s الخارجيين فقط)، بخلاف العناصر الانتقالية التي يتيح لها تقارب طاقة 3d و4s نطاقاً أوسع بكثير من حالات التأكسد الممكنة.
10. أيون الكوبالت Co²⁺ توزيعه الإلكتروني [Ar]3d⁷. هل يُتوقع أن يكون ملوّناً أم عديم اللون؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
يُتوقع أن يكون ملوّناً؛ لأن توزيعه 3d⁷ غير مكتمل، فيمكن حدوث انتقالات d-d.
11. عنصران انتقاليان يُظهران أيونات لها نفس عدد الإلكترونات في المستوى الفرعي d (كلاهما d⁵ مثلاً). هل يُتوقع أن يكون لونا الأيونين متطابقين تماماً بالضرورة؟
عرض الإجابة
ليس بالضرورة؛ فرغم أن كلا الأيونين يُتوقع أن يكونا ملوّنين (لأن d⁵ غير مكتمل في كليهما)، فإن اللون الدقيق الفعلي يتأثر أيضاً بعوامل أخرى كنوع الليجاندات المحيطة بالأيون وطبيعة الرابطة، فلا يلزم أن يكون اللون مطابقاً تماماً حتى مع تطابق عدد إلكترونات d.
12. باختصار، اذكر الشرط الإلكتروني الدقيق الذي يحدد ما إذا كان أيون عنصر انتقالي معين ملوّناً أم عديم اللون.
عرض الإجابة
يكون الأيون ملوّناً إذا كان مستواه الفرعي d غير مكتمل (يحتوي على عدد إلكترونات بين 1 و9)؛ ويكون عديم اللون إذا كان مستوى d فارغاً تماماً (d⁰) أو ممتلئاً تماماً (d¹⁰).