એકમ 08 D અને F બ્લોક તત્વો

આવર્ત કોષ્ટકનો $d$-બ્લોક જૂથ 3-12 ના તત્વો ધરાવે છે જેમાં ચાર લાંબા આવર્તમાં $d$ ઑર્બિટલ્સ ધીમે ધીમે ભરાય છે. $f$-બ્લોક એવા તત્વો ધરાવે છે જેમાં $4 f$ અને $5 f$ ઑર્બિટલ્સ ધીમે ધીમે ભરાય છે. તેમને આવર્ત કોષ્ટકના તળિયે એક અલગ પેનલમાં મૂકવામાં આવ્યા છે. સંક્રાંતિ ધાતુઓ અને આંતરિક સંક્રાંતિ ધાતુઓ નામો ઘણીવાર અનુક્રમે $d$- અને $f$-બ્લોકના તત્વોનો ઉલ્લેખ કરવા માટે વપરાય છે.

સંક્રાંતિ ધાતુઓની મુખ્યત્વે ચાર શ્રેણીઓ છે, $3 d$ શ્રેણી ( $\mathrm{Sc}$ થી $\mathrm{Zn}$ ), $4 d$ શ્રેણી ( $\mathrm{Y}$ થી $\mathrm{Cd}$ ), $5 d$ શ્રેણી (La અને $\mathrm{Hf}$ થી $\mathrm{Hg}$ ) અને $6 d$ શ્રેણી જેમાં $\mathrm{Ac}$ અને $\mathrm{Rf}$ થી $\mathrm{Cn}$ સુધીના તત્વો છે. આંતરિક સંક્રાંતિ ધાતુઓની બે શ્રેણીઓ; $4 f(\mathrm{Ce}$ થી $\mathrm{Lu})$ અને $5 f$ (Th થી $\mathrm{Lr}$ ) અનુક્રમે લેન્થેનોઇડ્સ અને એક્ટિનોઇડ્સ તરીકે ઓળખાય છે.

મૂળભૂત રીતે સંક્રાંતિ ધાતુઓ નામ એ હકીકત પરથી લેવામાં આવ્યું હતું કે તેમના રાસાયણિક ગુણધર્મો $s$ અને $p$-બ્લોક તત્વોની વચ્ચે સંક્રાંતિક હતા. હવે IUPAC મુજબ, સંક્રાંતિ ધાતુઓને એવી ધાતુઓ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે જેમની $d$ સબશેલ અધૂરી હોય છે, ભલે તે તટસ્થ અણુમાં હોય અથવા તેમના આયનોમાં હોય. જૂથ 12 ના જસત, કેડમિયમ અને પારો તેમની ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ તેમજ તેમની સામાન્ય ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓમાં સંપૂર્ણ $d^{10}$ વિન્યાસ ધરાવે છે અને તેથી, તેમને સંક્રાંતિ ધાતુઓ તરીકે ગણવામાં આવતી નથી. જો કે, અનુક્રમે $3 d, 4 d$ અને $5 d$ સંક્રાંતિ શ્રેણીના અંતિમ સભ્યો હોવાથી, તેમનું રસાયણશાસ્ત્ર સંક્રાંતિ ધાતુઓના રસાયણશાસ્ત્ર સાથે અભ્યાસ કરવામાં આવે છે.

તેમના અણુઓમાં અંશતઃ ભરાયેલ d અથવા f ઑર્બિટલ્સની હાજરી સંક્રાંતિ તત્વોને અસંક્રાંતિ તત્વોથી અલગ બનાવે છે. તેથી, સંક્રાંતિ તત્વો અને તેમના સંયોજનોનો અલગથી અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. જો કે, અસંક્રાંતિ તત્વો પર લાગુ પડતો સંયોજકતાનો સામાન્ય સિદ્ધાંત સંક્રાંતિ તત્વો પર પણ સફળતાપૂર્વક લાગુ કરી શકાય છે.

વિવિધ કિંમતી ધાતુઓ જેવી કે ચાંદી, સોનું અને પ્લેટિનમ અને ઔદ્યોગિક રીતે મહત્વપૂર્ણ ધાતુઓ જેવી કે લોખંડ, તાંબું અને ટાઇટેનિયમ સંક્રાંતિ ધાતુઓની શ્રેણી સાથે સંબંધિત છે. આ એકમમાં, આપણે પ્રથમ સંક્રાંતિ તત્વોના ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ, ઘટના અને સામાન્ય લાક્ષણિકતાઓ સાથે વિશેષ ભાર સાથે પ્રથમ પંક્તિ (3d) સંક્રાંતિ ધાતુઓના ગુણધર્મોમાં રુઝાનો અભ્યાસ કરીશું. કેટલાક મહત્વપૂર્ણ સંયોજનોની તૈયારી અને ગુણધર્મો સાથે. આ પછી આંતરિક સંક્રાંતિ ધાતુઓના ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ, ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓ અને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાશીલતા જેવા કેટલાક સામાન્ય પાસાઓના વિચારણા દ્વારા અનુસરવામાં આવશે.

8.1 આવર્ત કોષ્ટકમાં સ્થાન

$d$-બ્લોક આવર્ત કોષ્ટકના મોટા મધ્ય વિભાગ પર કબજો કરે છે જે આવર્ત કોષ્ટકમાં $s$ - અને $p$-બ્લોક વચ્ચે ફ્લેન્ક કરેલ છે. અણુઓના પેનલ્ટિમેટ ઊર્જા સ્તરની $d$-ઑર્બિટલ્સ ઇલેક્ટ્રોન મેળવે છે જે સંક્રાંતિ ધાતુઓની ચાર પંક્તિઓ ઉત્પન્ન કરે છે, એટલે કે, $3 d, 4 d, 5 d$ અને $6 d$. સંક્રાંતિ તત્વોની આ બધી શ્રેણીઓ કોષ્ટક 8.1 માં બતાવવામાં આવી છે.

8.2 d-બ્લોક તત્વોના ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ

સામાન્ય રીતે આ તત્વોના બાહ્ય ઑર્બિટલ્સનો ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ $(n-1) d^{1-10} n s^{1-2}$ છે Pd સિવાય જ્યાં તેનો ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ $4 d^{10} 5 s^{0}$ છે. ( $n-1$ ) આંતરિક $d$ ઑર્બિટલ્સનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે જેમાં એક થી દસ ઇલેક્ટ્રોન હોઈ શકે છે અને સૌથી બહારની ns ઑર્બિટલમાં એક અથવા બે ઇલેક્ટ્રોન હોઈ શકે છે. જો કે, આ સામાન્યીકરણમાં ઘણા અપવાદો છે કારણ કે (n-1)d અને ns ઑર્બિટલ્સ વચ્ચે ખૂબ જ ઓછી ઊર્જાનો તફાવત છે. તદુપરાંત, અડધા અને સંપૂર્ણપણે ભરાયેલા ઑર્બિટલ્સનો સમૂહ પ્રમાણમાં વધુ સ્થિર છે. આ પરિબળનું પરિણામ $\mathrm{Cr}$ અને $\mathrm{Cu}$ ના ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસમાં પ્રતિબિંબિત થાય છે $3 d$ શ્રેણીમાં. ઉદાહરણ તરીકે, $\mathrm{Cr}$ ના કેસને ધ્યાનમાં લો, જેમાં $3 d^{5} 4 s^{1}$ વિન્યાસ છે $3 d^{4} 4 s^{2}$ ને બદલે; બે સમૂહો ( $3 d$ અને $4 s$ ) ઑર્બિટલ્સ વચ્ચેનો ઊર્જા અંતર ઇલેક્ટ્રોનને $3 d$ ઑર્બિટલ્સમાં પ્રવેશતા અટકાવવા માટે પૂરતો નાનો છે. તેવી જ રીતે $\mathrm{Cu}$ ના કિસ્સામાં, વિન્યાસ $3 d^{10} 4 s^{1}$ છે અને $3 d^{9} 4 s^{2}$ નથી. સંક્રાંતિ તત્વોના બાહ્ય ઑર્બિટલ્સના ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ કોષ્ટક 8.1 માં આપવામાં આવ્યા છે.

કોષ્ટક 8.1: સંક્રાંતિ તત્વોના બાહ્ય ઑર્બિટલ્સના ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ (ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ)

1લી શ્રેણી
	$\mathrm{Sc}$	$\mathrm{Ti}$	$\mathrm{V}$	$\mathrm{Cr}$	$\mathrm{Mn}$	$\mathrm{Fe}$	$\mathrm{Co}$	$\mathrm{Ni}$	$\mathrm{Cu}$	$\mathrm{Zn}$
$Z$	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
$4 s$	2	2	2	1	2	2	2	2	1	2
$3 d$	1	2	3	5	5	6	7	8	10	10

2જી શ્રેણી
	$\mathrm{Y}$	$\mathrm{Zr}$	$\mathrm{Nb}$	$\mathrm{Mo}$	$\mathrm{Tc}$	$\mathrm{Ru}$	$\mathrm{Rh}$	$\mathrm{Pd}$	$\mathrm{Ag}$	$\mathrm{Cd}$
$Z$	39	40	41	42	43	44	45	46	47	48
$5 s$	2	2	1	1	1	1	1	0	1	2
$4 d$	1	2	4	5	6	7	8	10	10	10

3જી શ્રેણી
	$\mathrm{La}$	$\mathrm{Hf}$	$\mathrm{Ta}$	$\mathrm{W}$	$\mathrm{Re}$	$\mathrm{Os}$	$\mathrm{Ir}$	$\mathrm{Pt}$	$\mathrm{Au}$	$\mathrm{Hg}$
$Z$	57	72	73	74	75	76	77	78	79	80
$6 d$	2	2	2	2	2	2	2	1	1	2
$5 d$	1	2	3	4	5	6	7	9	10	10

4થી શ્રેણી
	$\mathrm{Ac}$	$\mathrm{Rf}$	$\mathrm{Db}$	$\mathrm{Sg}$	$\mathrm{Bh}$	$\mathrm{Hs}$	$\mathrm{Mt}$	$\mathrm{Ds}$	$\mathrm{Rg}$	$\mathrm{Cn}$
$Z$	89	104	105	106	107	108	109	110	111	112
$7 s$	2	2	2	2	2	2	2	2	1	2
$6 d$	1	2	3	4	5	6	7	8	10	10

$\mathrm{Zn}, \mathrm{Cd}, \mathrm{Hg}$ અને $\mathrm{Cn}$ ના બાહ્ય ઑર્બિટલ્સના ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ સામાન્ય સૂત્ર $(n-1) d^{10} n s^{2}$ દ્વારા રજૂ કરવામાં આવે છે. આ તત્વોમાં ઑર્બિટલ્સ ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ તેમજ તેમની સામાન્ય ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓમાં સંપૂર્ણપણે ભરાયેલા હોય છે. તેથી, તેમને સંક્રાંતિ તત્વો તરીકે ગણવામાં આવતા નથી. સંક્રાંતિ તત્વોની $d$ ઑર્બિટલ્સ અણુની પરિધિ પર અન્ય ઑર્બિટલ્સ (એટલે કે, $s$ અને $p$ ) કરતાં વધુ બહાર આવે છે, તેથી, તે આસપાસના વાતાવરણ દ્વારા વધુ પ્રભાવિત થાય છે તેમજ તેમની આસપાસના અણુઓ અથવા અણુઓને પ્રભાવિત કરે છે. કેટલાક સંદર્ભમાં, આપેલ $d^{\mathrm{n}}$ વિન્યાસ ( $n=1-9$ ) ના આયનો સમાન ચુંબકીય અને ઇલેક્ટ્રૉનિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. અંશતઃ ભરાયેલ $d$ ઑર્બિટલ્સ સાથે આ તત્વો ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓની વિવિધતા પ્રદર્શિત કરવી, રંગીન આયનોની રચના અને વિવિધ લિગેન્ડ્સ સાથે જટિલ રચના બનાવવી જેવા કેટલાક લાક્ષણિક ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરે છે.

સંક્રાંતિ ધાતુઓ અને તેમના સંયોજનો ઉદ્દીપક ગુણધર્મ અને પેરામેગ્નેટિક વર્તણૂક પણ પ્રદર્શિત કરે છે. આ બધી લાક્ષણિકતાઓની આ એકમમાં પછી વિગતવાર ચર્ચા કરવામાં આવી છે.

અસંક્રાંતિ તત્વોની તુલનામાં સંક્રાંતિ તત્વોના સમક્ષિતિજ પંક્તિના ગુણધર્મોમાં વધુ સમાનતા છે. જો કે, કેટલીક જૂથ સમાનતાઓ પણ અસ્તિત્વમાં છે. આપણે પ્રથમ સામાન્ય લાક્ષણિકતાઓ અને તેમના રુઝાનો સમક્ષિતિજ પંક્તિઓમાં (ખાસ કરીને $3 d$ પંક્તિ) અભ્યાસ કરીશું અને પછી કેટલીક જૂથ સમાનતાઓ ધ્યાનમાં લઈશું.

8.3 સંક્રાંતિ તત્વોના સામાન્ય ગુણધર્મો (d-બ્લોક)

આપણે નીચેના વિભાગોમાં માત્ર પ્રથમ સંક્રાંતિ શ્રેણીના તત્વોના ગુણધર્મોની ચર્ચા કરીશું.

8.3.1 ભૌતિક ગુણધર્મો

લગભગ બધા જ સંક્રાંતિ તત્વો ઉચ્ચ તન્ય શક્તિ, ડક્ટિલિટી, મેલિબિલિટી, ઉચ્ચ થર્મલ અને ઇલેક્ટ્રિકલ વાહકતા અને ધાત્વિક ચમક જેવી લાક્ષણિક ધાત્વિક ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરે છે. $\mathrm{Zn}$, $\mathrm{Cd}, \mathrm{Hg}$ અને $\mathrm{Mn}$ ના અપવાદ સાથે, તેમની પાસે સામાન્ય તાપમાને એક અથવા વધુ લાક્ષણિક ધાત્વિક માળખા હોય છે.

સંક્રાંતિ ધાતુઓના જાળી માળખા

Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn
$hcp$	$hcp$	$bcc$	$bcc$	$X$	$bcc$	$ccp$	$ccp$	$ccp$	$X$
$(bcc)$	$(bcc)$			$(bcc, ccp)$	$(hcp)$	$(hcp)$			$(hcp)$
$\mathbf{Y}$	$\mathbf{Z r}$	$\mathbf{N b}$	$\mathbf{M o}$	$\mathbf{T c}$	$\mathbf{R u}$	$\mathbf{R h}$	$\mathbf{P d}$	$\mathbf{A g}$	$\mathbf{C d}$
$hcp$	$hcp$	$bcc$	$bcc$	$hcp$	$hcp$	$ccp$	$ccp$	$ccp$	$X$
$(bcc)$	$(bcc)$								$(hcp)$
$\mathbf{L a}$	$\mathbf{H f}$	$\mathbf{T a}$	$\mathbf{W}$	$\mathbf{R e}$	$\mathbf{O s}$	$\mathbf{I r}$	$\mathbf{P t}$	$\mathbf{A u}$	$\mathbf{H g}$
$hcp$	$hcp$	$bcc$	$bcc$	$hcp$	$hcp$	$ccp$	$ccp$	$ccp$	$X$
$(ccp,bcc)$	$(bcc)$

આકૃતિ 8.1: સંક્રાંતિ તત્વોના ગલનબિંદુમાં રુઝ

સંક્રાંતિ ધાતુઓ ($\mathrm{Zn}, \mathrm{Cd}$ અને $\mathrm{Hg}$ ના અપવાદ સાથે) ખૂબ જ સખત હોય છે અને ઓછી વોલેટિલિટી ધરાવે છે. તેમના ગલનબિંદુ અને ઉત્કલનબિંદુ ઉચ્ચ હોય છે. આકૃતિ 8.1 $3 d, 4 d$ અને $5 d$ શ્રેણી સાથે સંબંધિત સંક્રાંતિ ધાતુઓના ગલનબિંદુ દર્શાવે છે. આ ધાતુઓના ઉચ્ચ ગલનબિંદુ ns ઇલેક્ટ્રોન ઉપરાંત (n-1)d માંથી વધુ સંખ્યામાં ઇલેક્ટ્રોનની સંડોવણીને આભારી છે. કોઈપણ પંક્તિમાં આ ધાતુઓના ગલનબિંદુ $d^{5}$ પર મહત્તમ સુધી વધે છે $\mathrm{Mn}$ અને $\mathrm{Tc}$ ના અસામાન્ય મૂલ્યો સિવાય અને નિયમિત રીતે ઘટે છે કારણ કે અણુ ક્રમાંક વધે છે. તેમની પાસે અણુકરણની ઉચ્ચ એન્થાલ્પી હોય છે જે આકૃતિ 8.2 માં બતાવવામાં આવી છે. દરેક શ્રેણીના મધ્યભાગમાં મહત્તમ સૂચવે છે કે એક અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન પ્રતિ $d$ ઑર્બિટલ મજબૂત આંતરઅણુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે ખાસ કરીને અનુકૂળ છે. સામાન્ય રીતે, વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા જેટલી વધુ, પરિણામી બોન્ડિંગ તેટલું મજબૂત. કારણ કે અણુકરણની એન્થાલ્પી ધાતુના પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ નક્કી કરવામાં એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે, અણુકરણની ખૂબ જ ઉચ્ચ એન્થાલ્પી (એટલે કે, ખૂબ જ ઉચ્ચ ઉત્કલનબિંદુ) ધરાવતી ધાતુઓ તેમની પ્રતિક્રિયાઓમાં ઉમદા હોય છે (ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ માટે પછી જુઓ).

આકૃતિ 8.2 માંથી દોરી શકાય તેવું બીજું સામાન્યીકરણ એ છે કે બીજી અને ત્રીજી શ્રેણીની ધાતુઓમાં પ્રથમ શ્રેણીના અનુરૂપ તત્વો કરતાં અણુકરણની વધુ એન્થાલ્પી હોય છે; ભારે સંક્રાંતિ ધાતુઓના સંયોજનોમાં ઘણી વધુ વારંવાર ધાતુ - ધાતુ બોન્ડિંગની ઘટના માટે જવાબદાર આ એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે.

આકૃતિ 8.2 સંક્રાંતિ તત્વોના અણુકરણની એન્થાલ્પીમાં રુઝ

8.3.2 સંક્રાંતિ ધાતુઓના અણુકીય અને આયનિક કદમાં વિવિધતા

સામાન્ય રીતે, આપેલ શ્રેણીમાં સમાન ચાર્જના આયનો અણુ ક્રમાંક વધવા સાથે ત્રિજ્યામાં પ્રગતિશીલ ઘટાડો બતાવે છે. આ એટલા માટે છે કારણ કે ન્યુક્લિયર ચાર્જ એકતા દ્વારા વધે છે તે દર વખતે નવો ઇલેક્ટ્રોન $d$ ઑર્બિટલમાં પ્રવેશે છે. તે યાદ કરી શકાય છે કે $d$ ઇલેક્ટ્રોનની શિલ્ડિંગ અસર તે અસરકારક નથી, તેથી ન્યુક્લિયર ચાર્જ અને સૌથી બહારના ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચેનું નેટ ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક આકર્ષણ વધે છે અને આયનિક ત્રિજ્યા ઘટે છે. આપેલ શ્રેણીની અણુ ત્રિજ્યામાં સમાન રુઝ જોવા મળે છે. જો કે, શ્રેણીની અંદર વિવિધતા તદ્દન નાની છે. એક શ્રેણીના અણુ કદની તુલના અન્ય શ્રેણીના અનુરૂપ તત્વો સાથે કરવામાં આવે ત્યારે એક રસપ્રદ મુદ્દો સામે આવે છે. આકૃતિ 8.3 માં વક્રો તત્વોની પ્રથમ (3d) થી બીજી (4d) શ્રેણી સુધી વધારો બતાવે છે પરંતુ ત્રીજી $(5 d)$ શ્રેણીની ત્રિજ્યાઓ વાસ્તવમાં બીજી શ્રેણીના અનુરૂપ સભ્યો જેટલી જ છે. આ ઘટના $4 f$ ઑર્બિટલ્સના હસ્તક્ષેપ સાથે સંકળાયેલી છે જે $5 d$ શ્રેણીના તત્વો શરૂ થાય તે પહેલાં ભરાઈ જવી જોઈએ. $4 f$ ને $5 d$ ઑર્બિટલ પહેલાં ભરવાથી અણુ ત્રિજ્યામાં નિયમિત ઘટાડો થાય છે જેને લેન્થેનોઇડ સંકોચન કહેવાય છે જે અણુ ક્રમાંક વધવા સાથે અણુ કદમાં અપેક્ષિત વધારાની આવશ્યક રીતે ભરપાઈ કરે છે. લેન્થેનોઇડ સંકોચનનું ચોખ્ખું પરિણામ એ છે કે બીજી અને ત્રીજી $d$ શ્રેણી સમાન ત્રિજ્યા પ્રદર્શિત કરે છે (ઉદા., Zr 160 pm, Hf $159 \mathrm{pm}$ ) અને સામાન્ય કુટુંબ સંબંધના આધારે અપેક્ષિત કરતાં વધુ સમાન ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મો ધરાવે છે.

આકૃતિ 8.3: સંક્રાંતિ તત્વોની અણુ ત્રિજ્યામાં રુઝ

લેન્થેનોઇડ સંકોચન માટે જવ