యూనిట్ 08 D మరియు F బ్లాక్ మూలకాలు

ఆవర్తన పట్టిక యొక్క $d$-బ్లాక్ 3-12 సమూహాల మూలకాలను కలిగి ఉంటుంది, దీనిలో నాలుగు దీర్ఘ ఆవర్తనాలలో ప్రతిదానిలో $d$ ఆర్బిటాల్స్ క్రమంగా నింపబడతాయి. $f$-బ్లాక్ ఆ మూలకాలను కలిగి ఉంటుంది, దీనిలో $4 f$ మరియు $5 f$ ఆర్బిటాల్స్ క్రమంగా నింపబడతాయి. వాటిని ఆవర్తన పట్టిక దిగువన ఒక ప్రత్యేక ప్యానెల్లో ఉంచారు. సంక్రమణ లోహాలు మరియు అంతర్గత సంక్రమణ లోహాలు అనే పేర్లు వరుసగా $d$- మరియు $f$-బ్లాక్ మూలకాలను సూచించడానికి తరచుగా ఉపయోగించబడతాయి.

సంక్రమణ లోహాలకు ప్రధానంగా నాలుగు శ్రేణులు ఉన్నాయి, $3 d$ శ్రేణి ( $\mathrm{Sc}$ నుండి $\mathrm{Zn}$ ), $4 d$ శ్రేణి ( $\mathrm{Y}$ నుండి $\mathrm{Cd}$ ), $5 d$ శ్రేణి (La మరియు $\mathrm{Hf}$ నుండి $\mathrm{Hg}$ ) మరియు $6 d$ శ్రేణి, ఇది $\mathrm{Ac}$ మరియు $\mathrm{Rf}$ నుండి $\mathrm{Cn}$ వరకు మూలకాలను కలిగి ఉంటుంది. అంతర్గత సంక్రమణ లోహాల రెండు శ్రేణులు; $4 f(\mathrm{Ce}$ నుండి $\mathrm{Lu})$ మరియు $5 f$ (Th నుండి $\mathrm{Lr}$ ) వరుసగా లాంథనాయిడ్లు మరియు యాక్టినాయిడ్లుగా పిలువబడతాయి.

మొదట్లో సంక్రమణ లోహాలు అనే పేరు వాటి రసాయన ధర్మాలు $s$ మరియు $p$-బ్లాక్ మూలకాల మధ్య సంక్రమణ స్వభావాన్ని కలిగి ఉండటం నుండి ఉద్భవించింది. ఇప్పుడు IUPAC ప్రకారం, సంక్రమణ లోహాలు అసంపూర్ణ $d$ ఉపశెల్లును తటస్థ అణువు లేదా వాటి అయాన్లలో కలిగి ఉన్న లోహాలుగా నిర్వచించబడ్డాయి. 12వ సమూహంలోని జింక్, కాడ్మియం మరియు పాదరసం వాటి ప్రాథమిక స్థితిలో మరియు వాటి సాధారణ ఆక్సీకరణ స్థితులలో పూర్తి $d^{10}$ విన్యాసాన్ని కలిగి ఉంటాయి మరియు అందువల్ల, సంక్రమణ లోహాలుగా పరిగణించబడవు. అయినప్పటికీ, వరుసగా $3 d, 4 d$ మరియు $5 d$ సంక్రమణ శ్రేణుల చివరి సభ్యులుగా ఉండటం వలన, వాటి రసాయన శాస్త్రం సంక్రమణ లోహాల రసాయన శాస్త్రంతో పాటు అధ్యయనం చేయబడుతుంది.

వాటి అణువులలో పాక్షికంగా నిండిన d లేదా f ఆర్బిటాల్స్ ఉనికి సంక్రమణ మూలకాలను అ-సంక్రమణ మూలకాల నుండి భిన్నంగా చేస్తుంది. అందువల్ల, సంక్రమణ మూలకాలు మరియు వాటి సమ్మేళనాలు ప్రత్యేకంగా అధ్యయనం చేయబడతాయి. అయినప్పటికీ, అ-సంక్రమణ మూలకాలకు వర్తించే సాధారణ సంయోజకత సిద్ధాంతాన్ని సంక్రమణ మూలకాలకు కూడా విజయవంతంగా వర్తింపజేయవచ్చు.

వెండి, బంగారం మరియు ప్లాటినం వంటి వివిధ విలువైన లోహాలు మరియు ఇనుము, రాగి మరియు టైటానియం వంటి పారిశ్రామికంగా ముఖ్యమైన లోహాలు సంక్రమణ లోహాల శ్రేణికి చెందినవి. ఈ యూనిట్లో, మనం మొదట సంక్రమణ మూలకాల యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసం, సంభవం మరియు సాధారణ లక్షణాలను, మొదటి వరుస (3d) సంక్రమణ లోహాల లక్షణాలలో ధోరణులపై ప్రత్యేక దృష్టితో, కొన్ని ముఖ్యమైన సమ్మేళనాల తయారీ మరియు లక్షణాలతో పాటు చర్చిస్తాము. దీనిని అంతర్గత సంక్రమణ లోహాల యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసాలు, ఆక్సీకరణ స్థితులు మరియు రసాయన ప్రతిచర్య వంటి కొన్ని సాధారణ అంశాల పరిశీలన తర్వాత అనుసరిస్తారు.

8.1 ఆవర్తన పట్టికలో స్థానం

$d$-బ్లాక్ ఆవర్తన పట్టికలో $s$ - మరియు $p$-బ్లాక్ల మధ్య ఉన్న పెద్ద మధ్య విభాగాన్ని ఆక్రమిస్తుంది. అణువుల పెనల్టిమేట్ శక్తి స్థాయి యొక్క $d$-ఆర్బిటాల్స్ ఎలక్ట్రాన్లను స్వీకరించడం వలన సంక్రమణ లోహాల నాలుగు వరుసలు ఏర్పడతాయి, అనగా, $3 d, 4 d, 5 d$ మరియు $6 d$. సంక్రమణ మూలకాల యొక్క ఈ అన్ని శ్రేణులు పట్టిక 8.1లో చూపబడ్డాయి.

8.2 d-బ్లాక్ మూలకాల ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసాలు

సాధారణంగా ఈ మూలకాల బాహ్య ఆర్బిటాల్స్ యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసం $(n-1) d^{1-10} n s^{1-2}$, Pd మినహా దీని ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసం $4 d^{10} 5 s^{0}$. ( $n-1$ ) అంతర్గత $d$ ఆర్బిటాల్స్ను సూచిస్తుంది, వీటిలో ఒకటి నుండి పది ఎలక్ట్రాన్లు ఉండవచ్చు మరియు బాహ్యతమ ns ఆర్బిటాల్లో ఒకటి లేదా రెండు ఎలక్ట్రాన్లు ఉండవచ్చు. అయినప్పటికీ, ఈ సాధారణీకరణ (n-1)d మరియు ns ఆర్బిటాల్స్ మధ్య చాలా తక్కువ శక్తి వ్యత్యాసం కారణంగా అనేక మినహాయింపులను కలిగి ఉంటుంది. అంతేకాకుండా, సగం మరియు పూర్తిగా నిండిన ఆర్బిటాల్స్ సమితులు సాపేక్షంగా మరింత స్థిరంగా ఉంటాయి. ఈ కారకం యొక్క పరిణామం $\mathrm{Cr}$ మరియు $\mathrm{Cu}$ ల యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసాలలో ప్రతిబింబిస్తుంది, ఇవి $3 d$ శ్రేణిలో ఉన్నాయి. ఉదాహరణకు, $\mathrm{Cr}$ విషయాన్ని పరిగణించండి, దీనికి $3 d^{5} 4 s^{1}$ విన్యాసం ఉంటుంది, $3 d^{4} 4 s^{2}$ కాకుండా; రెండు సెట్ల ( $3 d$ మరియు $4 s$ ) ఆర్బిటాల్స్ మధ్య శక్తి అంతరం ఎలక్ట్రాన్ $3 d$ ఆర్బిటాల్స్లోకి ప్రవేశించకుండా నిరోధించడానికి తగినంత చిన్నది. అదేవిధంగా $\mathrm{Cu}$ విషయంలో, విన్యాసం $3 d^{10} 4 s^{1}$ మరియు $3 d^{9} 4 s^{2}$ కాదు. సంక్రమణ మూలకాల బాహ్య ఆర్బిటాల్స్ యొక్క ప్రాథమిక స్థితి ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసాలు పట్టిక 8.1లో ఇవ్వబడ్డాయి.

పట్టిక 8.1: సంక్రమణ మూలకాల బాహ్య ఆర్బిటాల్స్ యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసాలు (ప్రాథమిక స్థితి)

1వ శ్రేణి
$\mathrm{Sc}$$\mathrm{Ti}$$\mathrm{V}$$\mathrm{Cr}$$\mathrm{Mn}$$\mathrm{Fe}$$\mathrm{Co}$$\mathrm{Ni}$$\mathrm{Cu}$$\mathrm{Zn}$
$Z$21222324252627282930
$4 s$2221222212
$3 d$123556781010
2వ శ్రేణి
$\mathrm{Y}$$\mathrm{Zr}$$\mathrm{Nb}$$\mathrm{Mo}$$\mathrm{Tc}$$\mathrm{Ru}$$\mathrm{Rh}$$\mathrm{Pd}$$\mathrm{Ag}$$\mathrm{Cd}$
$Z$39404142434445464748
$5 s$2211111012
$4 d$1245678101010
3వ శ్రేణి
$\mathrm{La}$$\mathrm{Hf}$$\mathrm{Ta}$$\mathrm{W}$$\mathrm{Re}$$\mathrm{Os}$$\mathrm{Ir}$$\mathrm{Pt}$$\mathrm{Au}$$\mathrm{Hg}$
$Z$57727374757677787980
$6 d$2222222112
$5 d$123456791010
4వ శ్రేణి
$\mathrm{Ac}$$\mathrm{Rf}$$\mathrm{Db}$$\mathrm{Sg}$$\mathrm{Bh}$$\mathrm{Hs}$$\mathrm{Mt}$$\mathrm{Ds}$$\mathrm{Rg}$$\mathrm{Cn}$
$Z$89104105106107108109110111112
$7 s$2222222212
$6 d$123456781010

$\mathrm{Zn}, \mathrm{Cd}, \mathrm{Hg}$ మరియు $\mathrm{Cn}$ యొక్క బాహ్య ఆర్బిటాల్స్ యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ విన్యాసాలు సాధారణ సూత్రం $(n-1) d^{10} n s^{2}$ ద్వారా సూచించబడతాయి. ఈ మూలకాలలోని ఆర్బిటాల్స్ ప్రాథమిక స్థితిలో మరియు వాటి సాధారణ ఆక్సీకరణ స్థితులలో పూర్తిగా నిండి ఉంటాయి. అందువల్ల, అవి సంక్రమణ మూలకాలుగా పరిగణించబడవు. సంక్రమణ మూలకాల యొక్క $d$ ఆర్బిటాల్స్ ఇతర ఆర్బిటాల్స్ (అనగా, $s$ మరియు $p$ ) కంటే ఒక అణువు యొక్క పరిధి వరకు బయటకు వస్తాయి, అందువల్ల, అవి పరిసరాలచే ఎక్కువగా ప్రభావితమవుతాయి మరియు చుట్టూ ఉన్న అణువులు లేదా అణువులను కూడా ప్రభావితం చేస్తాయి. కొన్ని విషయాలలో, ఇచ్చిన $d^{\mathrm{n}}$ విన్యాసం ( $n=1-9$ ) యొక్క అయాన్లు ఒకే విధమైన అయస్కాంత మరియు ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి. పాక్షికంగా నిండిన $d$ ఆర్బిటాల్స్తో, ఈ మూలకాలు వివిధ ఆక్సీకరణ స్థితుల ప్రదర్శన, రంగు అయాన్లు ఏర్పడటం మరియు వివిధ లిగాండ్లతో సంక్లిష్ట నిర్మాణంలోకి ప్రవేశించడం వంటి కొన్ని లక్షణ లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి.

సంక్రమణ లోహాలు మరియు వాటి సమ్మేళనాలు కాటలిటిక్ లక్షణం మరియు పారామాగ్నెటిక్ ప్రవర్తనను కూడా ప్రదర్శిస్తాయి. ఈ లక్షణాలన్నీ ఈ యూనిట్లో తర్వాత వివరంగా చర్చించబడ్డాయి.

అ-సంక్రమణ మూలకాలతో పోల్చినప్పుడు, సంక్రమణ మూలకాల యొక్క సమాంతర వరుస లక్షణాలలో ఎక్కువ సారూప్యతలు ఉన్నాయి. అయినప్పటికీ, కొన్ని సమూహ సారూప్యతలు కూడా ఉన్నాయి. మనం మొదట సాధారణ లక్షణాలు మరియు వాటి ధోరణులను సమాంతర వరుసలలో (ముఖ్యంగా $3 d$ వరుస) అధ్యయనం చేస్తాము మరియు తర్వాత కొన్ని సమూహ సారూప్యతలను పరిగణిస్తాము.

8.3 సంక్రమణ మూలకాల సాధారణ లక్షణాలు (d-బ్లాక్)

మేము కింది విభాగాలలో మొదటి సంక్రమణ శ్రేణి మూలకాల లక్షణాలను మాత్రమే చర్చిస్తాము.

8.3.1 భౌతిక లక్షణాలు

దాదాపు అన్ని సంక్రమణ మూలకాలు అధిక తన్యత బలం, సాగుదల, మెలికలు పడే స్వభావం, అధిక ఉష్ణ మరియు విద్యుత్ వాహకత మరియు లోహపు మెరుపు వంటి సాధారణ లోహ లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి. $\mathrm{Zn}$, $\mathrm{Cd}, \mathrm{Hg}$ మరియు $\mathrm{Mn}$ మినహాయింపులతో, వాటికి సాధారణ ఉష్ణోగ్రతలలో ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ సాధారణ లోహ నిర్మాణాలు ఉంటాయి.

సంక్రమణ లోహాల జాలక నిర్మాణాలు

ScTiVCrMnFeCoNiCuZn
$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)$

చిత్రం 8.1: సంక్రమణ మూలకాల ద్రవీభవన స్థానాలలో ధోరణులు

సంక్రమణ లోహాలు ($\mathrm{Zn}, \mathrm{Cd}$ మరియు $\mathrm{Hg}$ మినహా) చాలా గట్టిగా ఉంటాయి మరియు తక్కువ ఆవిరి అవుతాయి. వాటి ద్రవీభవన మరియు మరుగు స్థానాలు ఎక్కువగా ఉంటాయి. చిత్రం 8.1 $3 d, 4 d$ మరియు $5 d$ శ్రేణులకు చెందిన సంక్రమణ లోహాల ద్రవీభవన స్థానాలను చూపుతుంది. ఈ లోహాల అధిక ద్రవీభవన స్థానాలు అంతర్గత లోహ బంధంలో ns ఎలక్ట్రాన్లతో పాటు (n-1)d నుండి ఎక్కువ సంఖ్యలో ఎలక్ట్రాన్ల పాల్గొనడానికి ఆపాదించబడ్డాయి. ఏదైనా వరుసలో, ఈ లోహాల ద్రవీభవన స్థానాలు $d^{5}$ వద్ద గరిష్టంగా ఉంటాయి, $\mathrm{Mn}$ మరియు $\mathrm{Tc}$ యొక్క అసాధారణ విలువలు మినహా మరియు పరమాణు సంఖ్య పెరిగేకొద్దీ క్రమంగా తగ్గుతాయి. వాటికి అణువు కరగడం యొక్క ఎంథాల్పీలు ఎక్కువగా ఉంటాయి, అవి చిత్రం 8.2లో చూపబడ్డాయి. ప్రతి శ్రేణి మధ్యలో గరిష్టం ప్రతి $d$ ఆర్బిటాల్కు ఒక జత చేయని ఎలక్ట్రాన్ ప్రత్యేకంగా బలమైన అంతర్గత పరస్పర చర్యకు అనుకూలంగా ఉంటుందని సూచిస్తుంది. సాధారణంగా, సంయోజక ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య ఎక్కువైతే, ఫలితంగా ఏర్పడే బంధం బలంగా ఉంటుంది. అణువు కరగడం యొక్క ఎంథాల్పీ లోహం యొక్క ప్రామాణిక ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్ను నిర్ణయించడంలో ఒక ముఖ్యమైన కారకం కాబట్టి, చాలా ఎక్కువ అణువు కరగడం యొక్క ఎంథాల్పీ (అనగా, చాలా ఎక్కువ మరుగు స్థానం) కలిగిన లోహాలు వాటి ప్రతిచర్యలలో ఉత్కృష్టంగా ఉంటాయి (ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్స్ కోసం తర్వాత చూడండి).

చిత్రం 8.2 నుండి తీసుకోగల మరొక సాధారణీకరణ ఏమిటంటే, రెండవ మరియు మూడవ శ్రేణి లోహాలు మొదటి శ్రేణి యొక్క సంబంధిత మూలకాల కంటే ఎక్కువ అణువు కరగడం యొక్క ఎంథాల్పీలను కలిగి ఉంటాయి; ఇది భారీ సంక్రమణ లోహాల సమ్మేళనాలలో చాలా తరచుగా లోహం - లోహం బంధం యొక్క సంభవాన్ని వివరించడంలో ఒక ముఖ్యమైన కారకం.

చిత్రం 8.2 సంక్రమణ మూలకాల అణువు కరగడం యొక్క ఎంథాల్పీలలో ధోరణులు

8.3.2 సంక్రమణ లోహాల పరమాణు మరియు అయానిక్ పరిమాణాలలో వైవిధ్యం

సాధారణంగా, ఇచ్చిన శ్రేణిలో ఒకే ఆవేశం కలిగిన అయాన్లు పరమాణు సంఖ్య పెరిగేకొద్దీ వ్యాసార్థంలో క్రమంగా తగ్గుదలను చూపుతాయి. ఎందుకంటే పరమాణు చార్జ్ ప్రతిసారీ ఏకత్వం పెరిగినప్పుడు కొత్త ఎలక్ట్రాన్ $d$ ఆర్బిటాల్లోకి ప్రవేశిస్తుంది. $d$ ఎలక్ట్రాన్ యొక్క కవచ ప్రభావం అంత ప్రభావవంతంగా లేదని గుర్తుచేసుకోవచ్చు, అందువల్ల పరమాణు చార్జ్ మరియు బాహ్యతమ ఎలక్ట్రాన్ మధ్య నికర ఎలక్ట్రోస్టాటిక్ ఆకర్షణ పెరుగుతుంది మరియు అయానిక్ వ్యాసార్థం తగ్గుతుంది. ఇచ్చిన శ్రేణి యొక్క పరమాణు వ్యాసార్థాలలో కూడా అదే ధోరణి గమనించబడుతుంది. అయినప్పటికీ, ఒక శ్రేణిలో వైవిధ్యం చాలా తక్కువగా ఉంటుంది. ఒక శ్రేణి యొక్క పరమాణు పరిమాణాలను ఇతర శ్రేణులలోని సంబంధిత మూలకాలతో పోల్చినప్పుడు ఒక ఆసక్తికరమైన విషయం బయటపడుతుంది. చిత్రం 8.3లోని వక్రరేఖలు మూలకాల మొదటి (3d) నుండి రెండవ (4d) శ్రేణికి పెరుగుదలను చూపుతాయి, కానీ మూడవ $(5 d)$ శ్రేణి యొక్క వ్యాసార్థాలు రెండవ శ్రేణి యొక్క సంబంధిత సభ్యుల వలె వాస్తవంగా ఒకే విధంగా ఉంటాయి. ఈ దృగ్విషయం $4 f$ ఆర్బిటాల్స్ జోక్యంతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది, ఇవి $5 d$ శ్రేణి మూలకాలు ప్రారంభించే ముందు నింపబడాలి. $4 f$ ని $5 d$ ఆర్బిటాల్ ముందు నింపడం వలన లాంథనాయిడ్ సంకోచం అని పిలువబడే పరమాణు వ్యాసార్థాలలో క్రమం తప్పకుండా తగ్గుదల ఏర్పడుతుంది, ఇది పెరిగే పరమాణు సంఖ్యతో పరమాణు పరిమాణంలో అంచనావేయబడిన పెరుగుదలను తప్పనిసరిగా పరిహరిస్తుంది. లాంథనాయిడ్ సంకోచం యొక్క నికర ఫలితం ఏమిటంటే, రెండవ మరియు మూడవ $d$ శ్రేణులు ఒకే విధమైన వ్యాసార్థాలను ప్రదర్శిస్తాయి (ఉదా., Zr 160 pm, Hf $159 \mathrm{pm}$ ) మరియు సాధారణ కుటుంబ సంబంధం ఆధారంగా అంచనావేయబడిన దానికంటే చాలా ఎక్కువ ఒకే విధమైన భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి.

చిత్రం 8.3: సంక్రమణ మూలకాల పరమాణు వ్యాసార్థాలలో ధోరణులు

లాంథనాయిడ్ సంకోచానికి కారణమైన కారకం సాధారణ సంక్రమణ శ్రేణిలో గమనించిన దానితో కొంతవరకు సమానంగా ఉంటుంది మరియు ఇది ఒకే విధమైన కారణానికి ఆపాదించబడ