- นิยาม ธาตุทรานซิชัน เป็น d-block element ที่สร้างไอออนที่เสถียรหนึ่งหรือมากกว่าที่มี orbital d ไม่เต็ม
- วาดรูปทรงของ orbital $3\text{d}_{xy}$ และ orbital $3\text{d}_{z^2}$
- เข้าใจว่าธาตุทรานซิชันมีคุณสมบัติดังนี้: (ก) มี สถานะออกซิเดชันที่หลากหลาย (ข) ทำหน้าที่เป็น ตัวเร่งปฏิกิริยา (ค) สร้าง ไอออนคอมเพล็กซ์ (ง) สร้าง สารประกอบที่มีสี
- อธิบายเหตุผลที่ธาตุทรานซิชันมีสถานะออกซิเดชันที่หลากหลายตามความคล้ายคลึงกันของพลังงานของ sub-shell 3d และ 4s
- อธิบายเหตุผลที่ธาตุทรานซิชันทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตามการมีสถานะออกซิเดชันที่เสถียรมากกว่าหนึ่งและ orbital d ที่ว่างซึ่งมีพลังงานเข้าถึงได้และสามารถสร้างพันธะโคออร์ดิเนตกับ ลิแกนด์
- อธิบายเหตุผลที่ธาตุทรานซิชันสร้างไอออนคอมเพล็กซ์ตาม orbital d ที่ว่างซึ่งมีพลังงานเข้าถึงได้
เคมีของธาตุทรานซิชัน
Chemistry A-Level · หัวข้อ 28
8:24
เคมีของธาตุทรานซิชัน
ดู试管ทั้งหกนี้: ชมพู ส้ม เหลือง เขียว น้ำเงิน ม่วง ทุกตัวมีโลหะด bloque ในน้ำ และโลหะทุกตัวมาจาก…
การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ
28.1
ธาตุทรานซิชัน
หลักสูตร
แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
ธาตุทรานซิชันคือ d-block element ที่สร้างไอออนเสถียรหนึ่งหรือมากกว่าที่มี d orbitals ไม่เต็ม (Scandium และ zinc อยู่ใน d-block แต่ไม่ใช่ธาตุทรานซิชัน เพราะไอออนเสถียรของพวกมันมี d orbitalsว่างเปล่าหรือเต็มแล้ว)
3d orbitals มีรูปร่างที่กำหนดไว้: $3\text{d}_{xy}$ orbital มีสี่กลีบชี้ระหว่างแกน และ $3\text{d}_{z^2}$ orbital มีสองกลีบตาม $z$-axis พร้อมวงแหวนอยู่ตรงกลาง
สี่คุณสมบัติสำคัญ (และเหตุผล)
| คุณสมบัติ | เหตุผล |
|---|---|
| สถานะออกซิเดชันแปรผัน | sub-shells ของ 3d และ 4s อยู่ใกล้กันด้านพลังงาน ดังนั้นพลังงานเล็กน้อยที่เท่ากันจึงสามารถดึงอิเล็กตรอนจำนวนแตกต่างกันออกไปได้ |
| ทำหน้าที่เป็น ตัวเร่งปฏิกิริยา | พวกมันมีสถานะออกซิเดชันเสถียรหลายระดับ และมี d orbitals ว่างเปล่าที่สามารถสร้างพันธะโคออร์ดิเนต |
| สร้างไอออนคอมเพล็กซ์ | d orbitals ว่างเปล่าสามารถรับคู่โดดเดี่ยวได้ |
| สร้างสารประกอบสี | อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ระหว่าง d orbitals ที่แยกชั้น (ดูด้านล่าง) |

*ruby เป็นสีแดงเนื่องจากไอออนโลหะทรานซิชัน (โครเมียม) ถูกยึดอยู่ในโครงสร้างแลตทิซของมัน
ห้องปฏิบัติการคุณสมบัติธาตุทรานซิชัน
จัดกลุ่มหลักฐานของโลหะทรานซิชันตามคุณสมบัติที่แสดงออก
| English | ไทย |
|---|---|
| transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/ | ธาตุทรานซิชัน |
| orbital/ˈɔːbɪtl/ | ออร์บิตัล |
| oxidation state/ˌɒksɪˈdeɪʃn steɪt/ | สถานะออกซิเดชัน |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | ตัวเร่งปฏิกิริยา |
| complex ion/ˈkɒmpleks ˈaɪɒn/ | ไอออนคอมเพล็กซ์ |
28.2
ลิแองด์และคอมเพล็กซ์
หลักสูตร
- อธิบายและอธิบายปฏิกิริยาของธาตุทรานซิชันกับ ลิแกนด์ เพื่อสร้าง คอมเพล็กซ์ รวมถึงคอมเพล็กซ์ของไอออนทองแดง(II) และโคบอลต์(II) กับโมเลกุลน้ำและแอมโมเนียและไอออนไฮดรอกไซด์และคลอไรด์
- นิยามคำศัพท์ ลิแกนด์ sebagai species ที่มีคู่ไฟฟ้าอิสระซึ่งสร้างพันธะโคออร์ดิเนตกับอะตอม/ไอออนโลหะกลาง
- เข้าใจและใช้คำศัพท์: (ก) ลิแกนด์ monodentate รวมถึงตัวอย่างเช่น $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ และ $\text{CN}^-$ (ข) ลิแกนด์ bidentate รวมถึงตัวอย่างเช่น 1,2-diaminoethane, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ และไอออน ethanedioate, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ (ค) ลิแกนด์ polydentate รวมถึงตัวอย่างเช่น $\text{EDTA}^{4-}$
- นิยามคำศัพท์ คอมเพล็กซ์ sebagai molekul or ion ที่เกิดจากอะตอม/ไอออนโลหะกลางล้อมรอบด้วยลิแกนด์หนึ่งหรือมากกว่า
- อธิบายเรขาคณิต (รูปร่างและมุมพันธะ) ของคอมเพล็กซ์ธาตุทรานซิชันที่เป็น linear, square planar, tetrahedral หรือ octahedral
- (ก) ระบุว่า coordination number หมายถึงอะไร (ข) คาดการณ์สูตรและประจุของไอออนคอมเพล็กซ์ โดยกำหนดไอออนโลหะ ประจุหรือสถานะออกซิเดชัน ลิแกนด์ และ coordination number หรือเรขาคณิต
- อธิบายโดยสังเขบว่า ligand exchange สามารถเกิดขึ้นได้ รวมถึงคอมเพล็กซ์ของไอออนทองแดง(II) และโคบอลต์(II) กับโมเลกุลน้ำและแอมโมเนียและไอออนไฮดรอกไซด์และคลอไรด์
- คาดการณ์ Using $E^\ominus$ values, ความเป็นไปได้ของปฏิกิริยา redox ที่เกี่ยวข้องกับธาตุทรานซิชันและไอออนของมัน
- อธิบายปฏิกิริยาและทำการคำนวณที่เกี่ยวข้อง: (ก) $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ ในสารละลายกรด เมื่อมีข้อมูลที่เหมาะสม (ข) $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ ในสารละลายกรด เมื่อมีข้อมูลที่เหมาะสม (ค) $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$ เมื่อมีข้อมูลเหมาะสม
- ทำการคำนวณที่เกี่ยวข้องกับระบบ redox อื่นๆ เมื่อมีข้อมูลเหมาะสม
แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
ไอออนโลหะทรานซิชันสามารถถูกรอบด้วย ไอออนคอมเพล็กซ์ Species ที่เชื่อมต่อกับมันคือลิแองด์
ลิแองด์ คือ species ที่มีคู่โดดเดี่ยวของอิเล็กตรอนซึ่งสร้าง พันธะโคออร์ดิเนต กับไอออนโลหะ trung tâm ( คู่โดดเดี่ยว คือสิ่งที่มันบริจาค) ลิแองด์ถูกจัดกลุ่มตามจำนวนพันธะดังกล่าวที่มันสามารถสร้างได้:
- monodentate: หนึ่งพันธะ ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$, $\text{CN}^-$)。
- bidentate: สองพันธะ (1,2-diaminoethane "en", และไอออน ethanedioate $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$)
- polydentate: พันธหลายอัน ($\text{EDTA}^{4-}$, ซึ่งใช้หกพันธะ)

คอมเพล็กซ์ คืออะตอมหรือไอออนโลหะกลางที่ถูก包围ด้วยลิแกนด์อย่างน้อยหนึ่งตัว รูปทรงของมันอาจเป็น เชิงเส้น, สี่เหลี่ยมระนาบ, ทetrahedron หรือ octahedron
เลขการประสาน คือจำนวนพันธะโคออร์ดิเนตจากลิแกนด์ไปยังไอออนกลาง (6 → octahedral, 4 → tetrahedral หรือ square planar, 2 → linear) เพื่อทำนายประจุของคอมเพล็กซ์ ให้บวกประจุของโลหะกับประจุของลิแกนด์ทั้งหมดเข้าด้วยกัน

การแลกเปลี่ยนลิแกนด์
ในการ แลกเปลี่ยนลิแกนด์ ลิแกนด์ตัวหนึ่งจะแทนที่อีกตัวหนึ่ง มักมีการเปลี่ยนแปลงสี สำหรับทองแดง(II):
เมื่อ $\text{HCl}$ มีความเข้มข้นสูงจะเปลี่ยนเป็นสี $[\text{CuCl}_4]^{2-}$; คอปเปอร์(II) มีพฤติกรรมคล้ายกัน

ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันของไอออนทรานซิชัน
ใช้ค่า $E^{\ominus}$ เพื่อทำนายว่าปฏิกิริยา redox เป็นไปได้หรือไม่ การทำ titration ที่คุณควรคำนวณได้ ได้แก่ $\text{MnO}_4^-/\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ และ $\text{MnO}_4^-/\text{Fe}^{2+}$ ในสภาวะกรด (สีม่วงเป็นใส), และ $\text{Cu}^{2+}/\text{I}^-$ (ซึ่งทำให้ไอโอดีน แล้วทำ titration กับ thiosulfate)
ตัวอย่างวิธีทำ ในสภาวะกรด, $\text{MnO}_4^-$ ทำปฏิกิริยากับ $\text{Fe}^{2+}$ ตามอัตราส่วน $1:5$ (ดูสมการที่สมดุลข้างต้น) ตัวอย่าง $25.0\ \text{cm}^3$ ของสารละลาย $\text{Fe}^{2+}$ ต้องการ $22.0\ \text{cm}^3$ ของ $0.0200\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{KMnO}_4$ เพื่อให้ถึงจุดสิ้นสุด จงหาความเข้มข้นของ $\text{Fe}^{2+}$
โมลของ $\text{MnO}_4^-$ ที่ใช้ $= 0.0200 \times \dfrac{22.0}{1000} = 4.40 \times 10^{-4}\ \text{mol}$. โมลละ $\text{MnO}_4^-$ ทำปฏิกิริยากับ $5$ โมลของ $\text{Fe}^{2+}$, ดังนั้นโมลของ $\text{Fe}^{2+} = 5 \times 4.40 \times 10^{-4} = 2.20 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. สิ่งนี้อยู่ในปริมาตร $25.0\ \text{cm}^3$, ดังนั้น
ห้องปฏิบัติการลิแกนด์และคอมเพล็กซ์
ระบุส่วนประกอบของไอออนคอมเพล็กซ์ที่กำหนดโครงสร้างของมัน
เส้นทางแลกเปลี่ยนลิแกนด์
ติดตามการที่ลิแกนด์หนึ่งแทนอีกตัวหนึ่งรอบๆ ไอออนโลหะ
| English | ไทย |
|---|---|
| ligand/ˈlɪɡænd/ | ลิแกนด์ |
| dative covalent bond/ˈdætɪv ˈkəʊvələnt bɒnd/ | พันธะโคเวเลนต์โคออร์ดิเนต |
| lone pair/ləʊn peə/ | อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว |
| monodentate/ˈmɒnəʊdenteɪt/ | โมโนเดนเทต |
| bidentate/baɪˈdenteɪt/ | ไบเดนเทต |
| polydentate/ˌpɒlɪˈdenteɪt/ | พอลิเดนเต |
| complex/ˈkɒmpleks/ | ซับซ้อน |
| linear/ˈlɪnɪə/ | linear |
| square planar/skweə ˈpleɪnə/ | สี่เหลี่ยมระนาบ |
| tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/ | เททราเฮดรัล |
| octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/ | octahedral |
| coordination number/kəʊˈɔːdɪneɪʃn ˈnʌmbə/ | เลขประสาน |
| ligand exchange/ˈlɪɡænd eksˈtʃeɪndʒ/ | การแลกเปลี่ยนลิแกนด์ |
28.3
เหตุผลที่คอมเพล็กซ์มีสี
หลักสูตร
- นิยามและใช้คำศัพท์ degenerate และ non-degenerate d orbitals
- อธิบายการแยกของ d orbitals ที่ degenerate เป็นสองกลุ่ม non-degenerate ของ d orbitals ที่มีพลังงานสูงขึ้น และการใช้ $\Delta E$ ใน: (ก) คอมเพล็กซ์ octahedral, d orbitals สูงขึ้นสองตัวและต่ำลงสามตัว (ข) คอมเพล็กซ์ tetrahedral, d orbitals สูงขึ้นสามตัวและต่ำลงสองตัว
- อธิบายเหตุผลที่ธาตุทรานซิชันสร้าง สารประกอบที่มีสี ตามความถี่ของแสงที่ถูกดูดซับเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นระหว่าง d orbitals สองตัวที่ไม่ degenerate
- อธิบาย โดยสังเขบ ถึงผลของลิแกนด์ที่แตกต่างกันที่มีต่อ $\Delta E$, ความถี่ของแสงที่ถูกดูดซับ และดังนั้น สีเสริม ที่สังเกตได้
- ใช้คอมเพล็กซ์ของไอออนทองแดง(II) และไอออนโคบอลต์(II) กับโมเลกุลน้ำและแอมโมเนีย และไอออนไฮดรอกไซด์และคลอไรด์ เป็นตัวอย่างของการแลกเปลี่ยนลิแกนด์ที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงสีที่สังเกตได้
แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
ในไอออนอิสระ d orbitals ทั้งห้าเป็น degenerate — มีพลังงานเท่ากัน เมื่อลิแกนด์เข้ามาใกล้ มันจะแยก d orbitals ออกเป็นสองชุด non-degenerate แยกออกจากกันด้วยช่องว่างพลังงาน $\Delta E$:
- octahedral: สาม orbital ต่ำและสอง orbital สูง
- tetrahedral: สอง orbital ต่ำและสาม orbital สูง
คอมเพล็กซ์ดูดกลืนแสงที่มีความถี่ตรงกับ $\Delta E$, กระตุ้นอิเล็กตรอนจาก orbital d ต่ำขึ้นสู่ orbital d สูง สีที่คุณ เห็น คือ สีเสริม ของแสงที่ดูดกลืน ลิแกนด์ที่แตกต่างกันให้ช่องว่าง $\Delta E$ ที่ต่างกัน ดังนั้นจึงเปลี่ยนความถี่ที่ดูดกลืนและดังนั้นเปลี่ยนสี — นั่นคือเหตุผลที่การแลกเปลี่ยนลิแกนด์เปลี่ยนสี


เส้นทางสีของคอมเพล็กซ์
ติดตามการดูดกลืนแสงจากการแยกชั้น d-orbital ไปจนถึงสีที่สังเกตได้
| English | ไทย |
|---|---|
| degenerate/dɪˈdʒenəreɪt/ | degenerate |
| non-degenerate/nɒn dɪˈdʒenəreɪt/ | ไม่เดเจนเนอเรต |
| complementary colour/ˌkɒmplɪˈmentəri ˈkʌlə/ | สีเสริมกัน |
| geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ | geometrical isomerism |
28.4
สเตอริโอไอโซเมอร์ในคอมเพล็กซ์
หลักสูตร
- อธิบายประเภทของ isomerism แบบสเตอริโอ ที่แสดงโดยคอมเพล็กซ์ รวมถึง那些เกี่ยวข้องกับลิแกนด์แบบบิเดนตेट: (a) isomerism แบบเรขาคณิต (cis/trans), เช่น โครงสร้างสี่เหลี่ยมระนาบเช่น $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$ และโครงสร้างทรงแปดหน้าเช่น $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ และ $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ (b) optical isomerism, เช่น $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$ และ $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$
- สรุปความเป็นขั้วรวมของคอมเพล็กซ์เช่นที่อธิบายไว้ใน 28.4.1(a) และ 28.4.1(b)
แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
- ไอโซเมริซึมเชิงเรขาคณิต (cis / trans) เกิดในคอมเพล็กซ์สี่เหลี่ยมระนาบเช่น $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, และในคอมเพล็กซ์ octahedral เช่น $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$

- ไอโซเมริซึมทางออปติคอล เกิดในคอมเพล็กซ์ octahedral ที่มีลิแกนด์ bidentate เช่น $[\text{Ni}(\text{en})_3]^{2+}$, ซึ่งมีภาพสะท้อนที่ไม่ซ้อนทับกันได้สองแบบ
คุณสามารถอนุมานความเป็นขั้วของคอมเพล็กซ์ได้: รูปแบบ cis อาจเป็นขั้ว ในขณะที่รูปแบบ trans ที่สอดคล้องกันมักไม่เป็นขั้วเพราะไดโพลตัดกัน
แล็บสเตอริโอไอโซเมอร์ของคอมเพล็กซ์
จำแนกไอโซเมอร์ของคอมเพล็กซ์ตามการจัดเรียงลิแกนด์
| English | ไทย |
|---|---|
| cis/sɪs/ | ซิส |
| trans/trænz/ | ทรานส์ |
| optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ | ไอโซเมରିزمแบบออปติคอล |
| stability constant/stəˈbɪlɪti ˈkɒnstənt/ | ค่าคงที่เสถียรภาพ |
28.5
ค่าคงที่เสถียรภาพ
หลักสูตร
- นิยาม ค่าคงที่ความเสถียร, $K_{\text{stab}}$, ของคอมเพล็กซ์ว่าเป็นค่าคงที่สมดุลสำหรับการเกิดไอออนคอมเพล็กซ์ในตัวทำละลาย (จากไอออนหรือโมเลกุลองค์ประกอบ)
- เขียนนิพจน์สำหรับ $K_{\text{stab}}$ ของคอมเพล็กซ์ ($[\text{H}_2\text{O}]$ ไม่ควรรวมอยู่ด้วย)
- ใช้ $K_{\text{stab}}$ นิพจน์เพื่อทำการคำนวณ
- อธิบายและอธิบายการแลกเปลี่ยนลิแกนด์ใน terms of $K_{\text{stab}}$ values และเข้าใจว่าค่า $K_{\text{stab}}$ ที่สูงเป็นผลมาจากการเกิดไอออนคอมเพล็กซ์ที่มีความเสถียร
แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
ค่าคงที่เสถียรภาพ ($K_{\text{stab}}$) คือค่าคงที่สมดุลสำหรับการเกิดไอออนคอมเพล็กซ์จากไอออนโลหะและลิแกนด์它在溶液中 (น้ำถูกทิ้งไว้ข้างนอกในนิพจน์)
ค่า $K_{\text{stab}}$ ที่ ใหญ่ หมายถึงคอมเพล็กซ์ที่มีเสถียรภาพมาก ในการแลกเปลี่ยนลิแกนด์ ตำแหน่งสมดุลจะเคลื่อนไปทางคอมเพล็กซ์ที่มีค่า $K_{\text{stab}}$ มากกว่า — นั่นคือเหตุผลที่ลิแกนด์ที่สร้างคอมเพล็กซ์ที่เสถียรกว่าสามารถดันลิแกนด์ที่ weaker ออกได้
แล็บค่าคงที่ความเสถียร
Kstab ใหญ่กว่าสนับสนุนคอมเพล็กซ์
เพิ่มแรงผูกมัดของลิแกนด์และเห็นการสร้างคอมเพล็กซ์สมบูรณ์มากขึ้น
28.5
ข้อแนะนำสำหรับการสอบ
- นิยาม ** عنصرทรานซิชัน**: มันสร้างไอออนอย่างน้อยหนึ่งตัวที่มี d sub-shell ที่ไม่เต็ม — ดังนั้น Sc และ Zn จึงถูกตัดออก
- สีมาจาก d-d transitions (ลิแกนด์แยก d orbitals); สีที่เห็นคือสีเสริมของแสงที่ดูดกลืน
- ระบุ ลิแกนด์และเลขการประสาน และทำนายรูปทรง (6 = octahedral, 4 = tetrahedral หรือ square planar)
- การแลกเปลี่ยนลิแกนด์ สามารถเปลี่ยนสีและเลขการประสาน; ค่าคงที่เสถียรภาพที่ใหญ่ขึ้น = คอมเพล็กซ์ที่เสถียรมากขึ้น
บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้
ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที