- הגדר אלמנט מעבר כאלמנט בבלוק d היוצר יון אחד או יותר יציבים עם אורביטלי d לא מלאים
- צייר את צורתו של אורביטלי $3\text{d}_{xy}$ ואורביטלי $3\text{d}_{z^2}$
- הבן כי לאלמנטים מעבר יש את התכונות הבאות: (א) להם מצבי חמצון משתנים (ב) הם פועלים כזרמים (ג) הם יוצרים יונים מורכבים (ד) הם יוצרים תרכובות צבעוניות
- הסבר מדוע לאלמנטים מעבר יש מצבי חמצון משתנים בהתבסס על הדמיון באנרגיה בין תת-קומות ה-3d וה-4s
- הסבר מדוע לאלמנטים מעבר יש תכונה של זרמים בהתבסס על拥有 יותר ממצב חמצון יציב אחד, ואורביטלי d ריקים הנגישים אנרגטית שיכולים ליצור קשרים דאטיביים עםליגנדים
- הסבר מדוע לאלמנטים מעבר יש יוצרים יונים מורכבים בהתבסס על אורביטלי d ריקים הנגישים אנרגטית
כימיה של יסודות מעבר
כימיה A-Level · נושא 28
8:24
כימיה של יסודות מעבר
הסתכלו על שישה מבחנות אלו: ורוד, כתום, צהוב, ירוק, כחול, סגול. כל אחד מהם מכיל מתכת בלוואה במים, וכל המתכות מגיעות מאותה מחזור קצר…
קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון
28.1
אלמנטים מעבר
סיילבוס
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
אלמנט מעבר הוא אלמנט מחלקת d הנוצר ממנו או יותר יונים יציבים עם אורביטלי d לא מלאים. (סקנדיום ואבץ נמצאים במחלקת d אך אינם אלמנטים מעבר, מכיוון שהיונים היציבים שלהם הם בעלי אורביטלי d ריקים או מלאים.)
לאורביטלים ה-3d יש צורות קבועות: האורביטל $3\text{d}_{xy}$ בעל ארבעה חלקים המכוונים בין הצירים, והאורביטל $3\text{d}_{z^2}$ בעל שני חלקים לאורך ציר ה$z$ עם טבעת סביב האמצע.
ארבע תכונות עיקריות (ומדוע)
| תכונה | סיבה |
|---|---|
| מצב חמצון משתנה | התת-קליפות 3d ו-4s קרובות באנרגיה, ולכן כמות קטנה דומה של אנרגיה מסירה מספרים שונים של אלקטרונים |
| פועלות כזרז | להן יותר ממצב חמצון יציב אחד, ואורביטלי d פנויים שיכולים ליצור קשרים דאטיביים |
| יוצרות יוני מתכת מרוכבים | אורביטלי d פנויים יכולים לקבל זוגות אלקטרונים בודדים |
| יוצרות תרכובות צבעוניות | אלקטרונים עוברים בין אורביטלי d מפוצלים (ראו למטה) |
חקור
מעבדה לתכונות אלמנטים מעבר
סווגו את העדויות לאלמנטים מתכתיים לפי התכונה שהיא מציגה.
28.2
ליגנדים ומרוכבים
סיילבוס
- תאר ונסח את תגובות אלמנטים מעבר עם ליגנדים ליצירת מורכבים, כולל מורכבים של יוני נחושת(II) וקובלט(II) עם מולקולות מים ואמוניה ויוני הידרוקسيد וכלוריד
- הגדר את המונח ליגנד כמינים שמכיל זוג אלקטרונים בודד ויוצר קשר קוולנטי דאטיבי לאטום/יון מתכת מרכזי
- הבן והשתמש במונחים: (א) ליגנד חד-שיני כולל כדוגמאות $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ ו$\text{CN}^-$ (ב) ליגנד דו-שיני כולל כדוגמאות 1,2-diaminoethane, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ ויון אתאנדיאואט, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ (ג) ליגנד רב-שיני כולל כדוגמה $\text{EDTA}^{4-}$
- הגדר את המונח קומפלקס כמולקולה או יון הנוצר מסביב לאטום/יון מתכת מרכזי על ידי ליגנד אחד או יותר
- תאר את הגיאומטריה (הצורה והזוויות בין הקשרים) של קומפלקסים של אלמנטים מעבר שבהם יש ליניארי, מרובע מישורי, טטרה-דרלי או **אוקטהדרלי
- (א) ציין מהו המספר סידור (coordination number); (ב) נבא את הנוסחה והטענה של יון קומפלקס, בהינתן יון המתכת, טענתו או מצב החמצון שלו, הליגנד ומספר הסידור או הגיאומטריה שלו
- הסבר באופן איכותי כי החלפת ליגנדים יכולה להתרחש, כולל קומפלקסים של יוני נחושת(II) ויוני ליתיום(II) עם מולקולות מים ואמוניה ויוני הידרוקسيد וכלוריד
- נבא, באמצעות ערכי $E^\ominus$, את האפשרות לביצוע תגובות חמצון-חיזור המעורבות אלמנטים מעבר ויוניהם
- תאר את התגובות של, וביצע חישובים הקשורים ב: (a) $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ במערכת חומצית נתונה מידע מתאים (b) $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ במערכת חומצית נתונה מידע מתאים (ג) $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$ נתון מידע מתאים
- בצע חישובים הקשורים למערכות אחרות של חמצון-חיזור בהינתן נתונים מתאימים
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
יון מתכת מעבר יכול להיות מוקף ביוני מתכת מרוכבים. המינים הקשורים נקראים ליגנדים.
ליגנד הוא מימן עם זוג אלקטרונים בודד היוצר קשר קוולנטי דאטיבי עם יון המתכת המרכזי. (הזוג הבודד הוא מה שהוא תורם.) הליגנדים מחולקים לפי מספר הקשרים הדאטיביים שיכולים ליצור:
- חד-שיני: קשר אחד ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$, $\text{CN}^-$).
- דנטאטי: שני קשרים (1,2-diaminoethane "en", ויון אתאנדיאואט $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$).
- פולי-דנטאטי: הרבה קשרים ($\text{EDTA}^{4-}$, המשמש שישה).
מרוכב הוא אטום או יון מתכת מרכזי המוקף בליגנד אחד או יותר. הצורה שלו יכולה להיות קוויית, משטחית מרובעת, טטרהדרית או אוקטהדרית.
מספר הסינתרון הוא מספר הקשרים הדאטיביים מהליגנדים ליון המרכזי (6 → אוקטהדרית, 4 → טטרהדרית או משטחית מרובעת, 2 → קווית). כדי לחזות את המטען של מרוכב, יש להוסיף את מטען המתכת ואת כל מטעני הליגנדים.
החלפת ליגנדים
בהחלפת ליגנדים ליגנד אחד מחליף את השני, לעיתים קרובות עם שינוי צבע. עבור נחושת(II):
$$[\text{Cu}(\text{H}_2\text{O})_6]^{2+} \;(\text{pale blue}) \;\xrightarrow{\text{NH}_3}\; [\text{Cu}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+} \;(\text{deep blue})$$
עם $\text{HCl}$ מרוכז הצבע הופך לצהוב $[\text{CuCl}_4]^{2-}$; קובלט(II) מתנהג באופן דומה.
תגובות חמצון-חיזור של יונים מעבר
השתמש בערכי $E^{\ominus}$ כדי לחזות האם תגובת חמצון-חיזור היא אפשרית. טיטרציות נפוצות שאתה צריך להיות מסוגל לחשב כוללות $\text{MnO}_4^-/\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ ו$\text{MnO}_4^-/\text{Fe}^{2+}$ בחומצה (סגול עד חסר צבע), ו$\text{Cu}^{2+}/\text{I}^-$ (שהוא יוצר יוד, ולאחר מכן מטורטרת עם תיוסולפט).
דוגמה פתורה. בחומצה, $\text{MnO}_4^-$ מגיב עם $\text{Fe}^{2+}$ ביחס $1:5$ (ראו המשוואה המאוזנת למעלה). דגימה של $25.0\ \text{cm}^3$ ממיס Solution $\text{Fe}^{2+}$ דורשת $22.0\ \text{cm}^3$ של $0.0200\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{KMnO}_4$ כדי להגיע לנקודה הסופית. מצאו את ריכוז ה$\text{Fe}^{2+}$.
מולות של $\text{MnO}_4^-$ שנצבו $= 0.0200 \times \dfrac{22.0}{1000} = 4.40 \times 10^{-4}\ \text{mol}$. כל מול של $\text{MnO}_4^-$ מגיב עם $5$ מולות של $\text{Fe}^{2+}$, ולכן מולות של $\text{Fe}^{2+} = 5 \times 4.40 \times 10^{-4} = 2.20 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. זה היה ב$25.0\ \text{cm}^3$, ולכן
$$[\text{Fe}^{2+}] = \frac{2.20 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0880\ \text{mol dm}^{-3}.$$
חקור
מעבדת ליגנדים ומורכבים
זהה את חלקו של המורכב היוני ששולט במבנה שלו.
חקור
מסלול החלפת ליגנדים
עקוב אחר ליגנד אחד מחליף אחר סביב יון מתכת.
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| ligand/ˈlɪɡænd/ | ליגנד |
| dative covalent bond/ˈdætɪv ˈkəʊvələnt bɒnd/ | קשר קוולנטית נתית |
| lone pair/ləʊn peə/ | זוג אלקטרונים בודד |
| monodentate/ˈmɒnəʊdenteɪt/ | חד-שיני |
| bidentate/baɪˈdenteɪt/ | דו-שיני |
| polydentate/ˌpɒlɪˈdenteɪt/ | רב-דנטטי |
| complex/ˈkɒmpleks/ | תרכובת מתכת מעבר |
| linear/ˈlɪnɪə/ | ליניארי |
| square planar/skweə ˈpleɪnə/ | משולש מישורי |
| tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/ | טטרהדרית |
| octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/ | אוקטהדרית |
| coordination number/kəʊˈɔːdɪneɪʃn ˈnʌmbə/ | מספר סידור |
| ligand exchange/ˈlɪɡænd eksˈtʃeɪndʒ/ | החלפת ליגנדים |
| degenerate/dɪˈdʒenəreɪt/ | דגנרטטיבי |
| non-degenerate/nɒn dɪˈdʒenəreɪt/ | לא דגנרטיבי |
| complementary colour/ˌkɒmplɪˈmentəri ˈkʌlə/ | צבע משלים |
| geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ | איזומריה גיאומטרית |
| cis/sɪs/ | ציס |
| trans/trænz/ | טרנס |
| optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ | איזומריה אופטית |
| stability constant/stəˈbɪlɪti ˈkɒnstənt/ | קבוע יציבות |
28.3
מדוע קומפלקסים צבעוניים
סיילבוס
- הגדר ושתמש במונחים d orbitals דרגתיים (degenerate) ו-d orbitals לא דרגתיים (non-degenerate)
- תאר את הפיצול של אורביטלי d דגנרטיים לשתי קבוצות של אורביטלי d בעלי אנרגיה גבוהה שאינן דגנרטיות, ושימוש ב$\Delta E$ ב: (a) קומפלקסים אוקטהדרליים, שני אורביטלי d גבוהים ושלושה נמוכים (ב) קומפלקסים טטרהדרליים, שלושה אורביטלי d גבוהים ושני נמוכים
- הסבר מדוע אלמנטים מעבר יוצרים תרכובות צבעוניות מבחינת התדר של האור הנבלע כאשר אלקטרון מועלה בין שני d orbitals לא דרגתיים
- תאר, בתור כמותי, את השפעתם של ליגנדים שונים על $\Delta E$, תדירות האור הנספגת, ולכן הצבע המשלים שנצפה
- השתמש בקומפלקסים של יוני נחושת(II) ויוני ליתיום(II) עם מולקולות מים ואמוניה ויוני הידרוקسيد וכלוריד כדוגמאות להחלפת ליגנדים המשפיעה על הצבע הנצפה
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
ביון חופשי, חמישה אורביטלי d הם דיגנרטטיביים — יש להם אותה אנרגיה. כאשר ליגנדים מתקרבים, הם מפצלים את אורביטלי ה-d לשתי קבוצות לא דיגנרטטיביות, המופרדות בפער אנרגטי $\Delta E$:
- אוקטהדרלי: שלושה אורביטלי תחתונים ושניים גבוהים יותר.
- טטרהדרלי: שני אורביטלי תחתונים ושלושה גבוהים יותר.
קומפלקס בולע אור שבתדר התואם ל-$\Delta E$, ומקדם אלקטרון מorbital d נמוך לגבוה יותר. הצבע שאתם רואים הוא הצבע המשלים של האור שנבלע. ליגנדים שונים נותנים ערך שונה ל-$\Delta E$, ולכן הם משנים את התדר הנבלע ובכך את הצבע — ולכן חילוף ליגנד משנה את הצבע.
חקור
דרך צבע המרוכב
עקוב אחר ספיגת האור מפירוק האורביטלים d ועד לצבע הנצפה.
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/ | אלמנט מעבר |
| orbital/ˈɔːbɪtl/ | אורביטל |
| oxidation state/ˌɒksɪˈdeɪʃn steɪt/ | מצב חמצון |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | מצעין |
| complex ion/ˈkɒmpleks ˈaɪɒn/ | יון מרוכב |
28.4
סטריאואיזומריות בקומפלקסים
סיילבוס
- תאר את סוגי הסטריאואיסומריות המוצגים על ידי קומפלקסים, כולל אלו הקשורים לליגנדים דו-קוורנטיים: (א) איזומריה גיאומטרית (cis/trans), למשל מרובעת מישורית כמו $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$ ואוקטהדרלית כמו $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ ו$[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ (ב) איזומריה אופטית, למثال $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$ ו$[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$
- נגזר את הטענות הכוללת של קומפלקסים כמו אלו שתוארו ב-28.4.1(א) ו-28.4.1(ב)
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
- איזומריה גיאומטרית (קיס / טרנס) מופיעה בקומפלקסים בעלי מבנה מרובע-מסבעת כגון $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, ובקומפלקסים בעלי מבנה אוקטהדרי כגון $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$.
- איזומריה אופטית מופיעה בקומפלקסים בעלי מבנה אוקטהדרי עם ליגנדים דו-שנוניים, כגון $[\text{Ni}(\text{en})_3]^{2+}$, שמכילים שני תמונות מראה שאינן חופפות זו על זו.
ניתן גם להסיק את הקוטביות של קומפלקס: צורת קיס עשויה להיות קוטבית, בעוד שהצורה המקבילה טרנס היא לעיתים לא קוטבית משום שקטבים מתאפסות.
חקור
מעבדת סטריאואיזומרים של קומפלקסים
מיין איזומרים של קומפלקסים לפי סידור הליגנדים.
28.5
קבועי יציבות
סיילבוס
- הגדר את קבוע היציבות, $K_{\text{stab}}$, של קומפלקס כקבוע האיזון ליצירת יון הקומפלקס בממס (מיוני המרכיבים או המולקולות שלו)
- לכתוב ביטוי עבור $K_{\text{stab}}$ של קומפלקס ($[\text{H}_2\text{O}]$ לא צריך להיות כלול)
- השתמש בביטויים של $K_{\text{stab}}$ לבצע חישובים
- תאר והסבר החלפת ליגנדים בהתבסס על ערכי $K_{\text{stab}}$, והבן שערך גדול של $K_{\text{stab}}$ נובע מהיווצרות יון קומפלקס יציב
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
קבוע היציבות ($K_{\text{stab}}$) הוא קבוע האיזון ליצירת יון קומפלקס מהיון המתכת וליגנדים במרחף (מים אינם נכללים בביטוי).
קבוע $K_{\text{stab}}$ גדול מעיד על קומפלקס יציב מאוד. בהחלפת ליגנדים, האיזון זז לכיוון הקומפלקס עם $K_{\text{stab}}$ גדול יותר — מכאן שכוחם של ליגנדים יוצרים קומפלקס יציב יותר יכול לדחוק ליגנדים חלשים יותר.
חקור
מעבדה לקביעת קבועי יציבות
ערך Kstab גבוה תומך בהתגבשות החלופית
להגביר את חוזק הקשר של הליגנד ולראות כיצד ההתגבשות החלופית הופכת למלאה יותר.
28.5
טיפים לבחינות
- הגדרת אלמנט מעבר: הוא יוצר לפחות יון אחד עם תת-קליפה d חלקית מלאה — ולכן Sc ו-Zn אינם כלולים.
- הצבע נובע מ-מעברים d-d (הליגנדים מפצלים את האורביטליים d); הצבע הנצפה הוא המשלים של האור שנבלע.
- ציין את הליגנד והמספר הקואורדינטיבי וחזה את הצורה (6 = אוקטהדרי, 4 = טטרהדרי או מרובע-מסבעת).
- החלפת ליגנדים יכולה לשנות צבע ומספר קואורדינטיבי; קבוע יציבות גדול יותר = קומפלקס יציב יותר.
שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה
לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.