Nguyên tố chuyển tiếp (Transition element/Transition metal)

Định nghĩa

Có nhiều định nghĩa khác nhau về nguyên tố chuyển tiếp. Định nghĩa được IUPAC (Liên minh Quốc tế về Hoá học Thuần túy và Ứng dụng) công nhận là: Một nguyên tố chuyển tiếp là một nguyên tố có lớp vỏ electron d chưa được lấp đầy một phần, hoặc có thể tạo thành các cation có lớp vỏ electron d chưa được lấp đầy một phần. Điều này bao gồm cả các nguyên tố ở nhóm IIB (kẽm, cadimi, thủy ngân) mặc dù đôi khi chúng bị loại trừ vì ion $Zn^{2+}$, $Cd^{2+}$ và $Hg^{2+}$ có lớp d đã được lấp đầy hoàn toàn ($d^{10}$). Tuy nhiên, các nguyên tố này vẫn thể hiện một số tính chất của nguyên tố chuyển tiếp, chẳng hạn như khả năng tạo phức. Vì vậy, việc bao gồm nhóm IIB vào nhóm nguyên tố chuyển tiếp vẫn được chấp nhận rộng rãi. Sự khác biệt về định nghĩa này thường xuất phát từ việc tập trung vào tính chất của nguyên tố ở trạng thái kim loại hay ion của chúng.

Vị trí trong bảng tuần hoàn

Các nguyên tố chuyển tiếp nằm trong nhóm 3 đến 12 của bảng tuần hoàn. Chúng bao gồm bốn chu kỳ:

• Chu kỳ 4: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn
• Chu kỳ 5: Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd
• Chu kỳ 6: La-Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg
• Chu kỳ 7: Ac-Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn

Các nguyên tố thuộc nhóm Lantan và Actini (các nguyên tố nằm ở phần dưới bảng tuần hoàn), còn gọi là các nguyên tố khối f, đôi khi được gọi là nguyên tố chuyển tiếp bên trong hoặc nguyên tố đất hiếm. Tuy nhiên, theo định nghĩa của IUPAC, chúng không được xem là nguyên tố chuyển tiếp.

Tính chất đặc trưng

Các nguyên tố chuyển tiếp thể hiện một loạt các tính chất đặc trưng, khiến chúng trở nên độc đáo so với các nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn:

• Tính chất kim loại: Hầu hết các nguyên tố chuyển tiếp đều là kim loại cứng, có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Điều này là do liên kết kim loại mạnh mẽ được hình thành bởi các electron trong orbital d.
• Trạng thái oxi hóa biến đổi: Nguyên tố chuyển tiếp có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau. Điều này là do sự tham gia của cả electron $s$ và electron $d$ trong liên kết hóa học. Ví dụ: Sắt (Fe) có thể tồn tại ở trạng thái oxi hóa +2 và +3. Sự đa dạng về trạng thái oxi hoá này cho phép chúng tham gia vào nhiều phản ứng hoá học khác nhau.
• Tính chất thuận từ và nghịch từ: Nhiều hợp chất của nguyên tố chuyển tiếp thể hiện tính chất thuận từ do sự hiện diện của các electron độc thân trong orbital $d$. Một số hợp chất lại thể hiện tính nghịch từ khi tất cả electron ghép đôi.
• Màu sắc của ion và hợp chất: Nhiều ion và hợp chất của nguyên tố chuyển tiếp có màu sắc đặc trưng. Màu sắc này là do sự chuyển dịch electron $d-d$ khi hấp thụ ánh sáng khả kiến. Năng lượng của sự chuyển dịch này phụ thuộc vào cấu hình electron và phối tử xung quanh ion kim loại.
• Tính chất xúc tác: Nhiều nguyên tố chuyển tiếp và hợp chất của chúng hoạt động như chất xúc tác hiệu quả trong các phản ứng hóa học. Khả năng thay đổi trạng thái oxi hoá và tạo phức chất đóng vai trò quan trọng trong hoạt tính xúc tác của chúng.
• Tạo phức chất: Nguyên tố chuyển tiếp có khả năng tạo phức chất với các phối tử. Điều này là do chúng có các orbital $d$ trống có thể nhận electron từ các phối tử.

Vai trò sinh học

Một số nguyên tố chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống sinh học. Ví dụ: Sắt là thành phần thiết yếu của hemoglobin, protein vận chuyển oxy trong máu. Một số ví dụ khác bao gồm kẽm trong các enzyme, đồng trong vận chuyển electron, và coban trong vitamin B12.

Ứng dụng

Các nguyên tố chuyển tiếp được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ vào các tính chất đặc trưng của chúng:

• Sản xuất thép và các hợp kim khác: Cung cấp độ bền, độ cứng và khả năng chống ăn mòn.
• Chất xúc tác trong công nghiệp hóa học: Đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sản xuất hoá chất.
• Sản xuất pin và acquy: Lưu trữ và cung cấp năng lượng.
• Ngành công nghiệp điện tử: Dẫn điện tốt và có tính chất từ.
• Y học: Một số nguyên tố chuyển tiếp cần thiết cho các chức năng sinh học trong cơ thể.

Ví dụ

Sắt (Fe) là một nguyên tố chuyển tiếp điển hình. Nó có cấu hình electron [Ar] $3d^6 4s^2$. Sắt có thể tồn tại ở trạng thái oxi hóa +2 (Fe$^{2+}$) và +3 (Fe$^{3+}$). Các ion Fe$^{2+}$ và Fe$^{3+}$ có màu sắc khác nhau và tạo thành nhiều hợp chất quan trọng.

Sự khác biệt giữa nguyên tố chuyển tiếp và nguyên tố chuyển tiếp bên trong (nguyên tố khối f)

Như đã đề cập, nguyên tố chuyển tiếp bên trong (lantan và actini) cũng thuộc khối d nhưng không được coi là nguyên tố chuyển tiếp theo định nghĩa của IUPAC. Chúng có một số điểm khác biệt so với nguyên tố chuyển tiếp chính:

• Vị trí electron phân lớp f: Electron phân lớp f của nguyên tố khối f được lấp đầy một phần. Trong khi đó, các electron phân lớp d của nguyên tố chuyển tiếp được lấp đầy dần qua bảng tuần hoàn.
• Tính chất hóa học tương tự: Các nguyên tố trong cùng một chu kỳ của nguyên tố khối f có tính chất hóa học rất giống nhau, điều này là do sự co lại lantan và actini.
• Số oxi hóa: Nguyên tố khối f thường có trạng thái oxi hóa +3 là phổ biến nhất.

Cấu hình electron và các quy tắc đặc biệt

Cấu hình electron của nguyên tố chuyển tiếp tuân theo nguyên lý Aufbau, tuy nhiên có một số ngoại lệ do sự ổn định của phân lớp d bán đầy ($d^5$) hoặc lấp đầy hoàn toàn ($d^{10}$). Ví dụ: Crom (Cr) có cấu hình electron là [Ar] $3d^5 4s^1$ thay vì [Ar] $3d^4 4s^2$ và Đồng (Cu) có cấu hình electron là [Ar] $3d^{10} 4s^1$ thay vì [Ar] $3d^9 4s^2$.

Phức chất của nguyên tố chuyển tiếp

Khả năng tạo phức chất là một đặc điểm quan trọng của nguyên tố chuyển tiếp. Phức chất được hình thành khi ion kim loại chuyển tiếp liên kết với các phối tử (các phân tử hoặc ion có cặp electron tự do). Liên kết trong phức chất được gọi là liên kết phối trí. Số phối trí là số phối tử liên kết trực tiếp với ion kim loại trung tâm.

Một số ví dụ về ứng dụng của nguyên tố chuyển tiếp

Dưới đây là một số ví dụ cụ thể hơn về ứng dụng của các nguyên tố chuyển tiếp:

• Sắt (Fe): Sản xuất thép, thành phần của hemoglobin trong máu.
• Titan (Ti): Sản xuất hợp kim nhẹ và bền, dùng trong công nghiệp hàng không và y tế (ví dụ: implant).
• Vanadi (V): Sản xuất thép không gỉ, chất xúc tác trong sản xuất axit sunfuric.
• Crom (Cr): Mạ crom, sản xuất thép không gỉ.
• Mangan (Mn): Sản xuất thép, pin.
• Coban (Co): Sản xuất nam châm, thành phần của vitamin B12.
• Niken (Ni): Sản xuất thép không gỉ, pin sạc.
• Đồng (Cu): Dây điện, ống nước.
• Kẽm (Zn): Mạ kẽm, pin.
• Bạch kim (Pt): Chất xúc tác trong chuyển đổi khí thải ô tô, trang sức.
• Vàng (Au): Trang sức, điện tử.
• Thủy ngân (Hg): Nhiệt kế, đèn huỳnh quang (đang dần bị hạn chế sử dụng do độc tính).

• Atkins, P., & Overton, T. (2010). Shriver and Atkins’ inorganic chemistry. Oxford University Press.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2008). Inorganic chemistry. Pearson Education.
• Miessler, G. L., & Tarr, D. A. (2014). Inorganic chemistry. Pearson Education.
• Cotton, F. A., Wilkinson, G., Murillo, C. A., & Bochmann, M. (1999). Advanced inorganic chemistry. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao nguyên tố chuyển tiếp lại thể hiện nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau, trong khi nguyên tố nhóm chính thường chỉ thể hiện một hoặc hai trạng thái oxi hóa?

Trả lời: Nguyên tố chuyển tiếp thể hiện nhiều trạng thái oxi hóa là do năng lượng của các electron ở phân lớp $d$ và $s$ gần bằng nhau. Do đó, cả electron $s$ và $d$ đều có thể tham gia vào liên kết hóa học, dẫn đến nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau. Ngược lại, năng lượng của các electron ở phân lớp ngoài cùng của nguyên tố nhóm chính thường khác biệt đáng kể so với các phân lớp bên trong, nên chỉ electron ở phân lớp ngoài cùng tham gia liên kết, dẫn đến số trạng thái oxi hóa ít hơn.

Thế nào là hiệu ứng che chắn và nó ảnh hưởng như thế nào đến tính chất của nguyên tố chuyển tiếp?

Trả lời: Hiệu ứng che chắn là sự giảm bớt lực hút giữa hạt nhân và các electron lớp ngoài cùng do sự hiện diện của các electron lớp trong. Trong nguyên tố chuyển tiếp, các electron $d$ che chắn kém hiệu quả cho các electron $s$ ở lớp ngoài cùng. Điều này dẫn đến bán kính nguyên tử của nguyên tố chuyển tiếp không thay đổi nhiều khi đi từ trái sang phải trong một chu kỳ.

Tại sao nhiều phức chất của nguyên tố chuyển tiếp lại có màu sắc?

Trả lời: Màu sắc của phức chất chuyển tiếp là do sự chuyển dịch electron $d-d$. Khi phức chất hấp thụ ánh sáng khả kiến, các electron ở orbital $d$ năng lượng thấp được kích thích lên orbital $d$ năng lượng cao hơn. Năng lượng của ánh sáng hấp thụ tương ứng với chênh lệch năng lượng giữa hai orbital $d$. Ánh sáng truyền qua sẽ có màu sắc bổ sung với màu sắc của ánh sáng bị hấp thụ, tạo nên màu sắc đặc trưng của phức chất.

Phân biệt giữa phối tử trường mạnh và phối tử trường yếu?

Trả lời: Phối tử trường mạnh (ví dụ: CN$^{-}$) tạo ra sự chênh lệch năng lượng lớn giữa các orbital $d$ (Δ lớn), trong khi phối tử trường yếu (ví dụ: H$_2$O) tạo ra sự chênh lệch năng lượng nhỏ (Δ nhỏ). Sự khác biệt này ảnh hưởng đến tính chất từ tính và màu sắc của phức chất.

Cho ví dụ về ứng dụng của nguyên tố chuyển tiếp trong xúc tác?

Trả lời: Nhiều nguyên tố chuyển tiếp được sử dụng làm chất xúc tác trong các phản ứng hóa học quan trọng. Ví dụ, sắt (Fe) được sử dụng làm chất xúc tác trong quá trình tổng hợp amoniac (phản ứng Haber-Bosch), bạch kim (Pt) và paladi (Pd) được sử dụng trong các bộ chuyển đổi xúc tác của ô tô để chuyển đổi các khí thải độc hại thành các chất ít độc hại hơn, và niken (Ni) được sử dụng trong quá trình hydro hóa dầu thực vật.