ธาตุทรานซิชัน ( Transition Elements )

                ธาตุทรานซิชันเป็นกลุ่มธาตุที่อยู่ระหว่างธาตุหมู่ IIA กับหมู่ IIIA และเริ่มต้นจากคาบที่ 4 ธาตุตัวแรก คือ Sc ( สแกนเดียม ) มีเลขอะตอม 21 ธาตุแทรนซิชันประกอบด้วยธาตุหมู่ IB ถึง VIIIB รวมถึงกลุ่มธาตุแลนทาไนด์และแอคติไนด์ ส่วนใหญ่ มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +2 ยกเว้น บางธาตุที่มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 ซึ่งเท่ากับจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุหมู่ IIA และ IA ตามลำดับ แต่มีอิเล็กตรอนในระดับพลังงานถัดจากชั้นนอกสุดเข้ามา ( เพราะมีการบรรจุอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในระดับพลังงานที่ n-1ซึ่งถัดจากระดับพลังงานนอกสุด 1 ระดับ )ไม่เท่ากับ 8 ส่วนของธาตุหมู่ IA และ IIA เท่ากับ 8 นอกจากจะแบ่งธาตุแทรสซิชันออกเป็นหมู่ตามแนวตั้งแล้ว ยังแบ่งเป็นกลุ่มตามแนวนอนได้ ดังนี้

                1. ธาตุทรานซิชันอนุกรมที่ 1 ( First transition series ) ได้แก่ ธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 มีทั้งหมด 10 ธาตุ คือ Sc-Zn ธาตุในกลุ่มนี้มีการบรรจุอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในระดับพลังงานที่ 3

( 3d-orbital ) ซึ่งถัดจากระดับพลังงานนอกสุด 1 ระดับ

                2. ธาตุทรานซิชันอนุกรมที่ 2 ( Second transition series ) ได้แก่ ธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 5 มีทั้งหมด 10 ธาตุ คือ Y-Cd มีการบรรจุอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในระดับพลังงานที่ 4 ( 4d-orbital ) ซึ่งถัดจากระดับพลังงานนอกสุด 1 ระดับ

เช่น                มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น     2 8 18 9 2            หรือ [Kr] 5s2 4d1

                     มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น     2 8 18 10 2          หรือ [Kr] 5s2 4d2

                        3. ธาตุทรานซิชันอนุกรมที่ 3 ( Third transition series ) ได้แก่ ธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 6 มีทั้งหมด 10 ธาตุ คือ La-Hg มีการบรรจุอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในระดับพลังงานที่ 5 ( 5d-orbital ) ซึ่งถัดจากระดับพลังงานนอกสุด 1 ระดับ

เช่น            มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น 2 8 18 18 9 2           หรือ [Xe] 6s2 4f14 5d2

                      มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น 2 8 18 18 10 2        หรือ [Xe] 6s2 4f14 5d3

                4. อนุกรมแลนทาไนด์ ( Lanthanide series ) ได้แก่ ธาตุแทรนซิชันในแถวบนของ 2 แถวล่างในตารางธาตุ ( Ce-Lu ) มีการบรรจุอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในระดับพลังงานที่ 4 ( 4f-orbital ) ซึ่งถัดจากระดับพลังงานนอกสุด 2 ระดับ

เช่น             มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น 2 8 18 20 8 2           หรือ [Xe] 6s2 4f1 5d1

                    มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น 2 8 18  22 8 2         หรือ [Xe] 6s2 4f4

5. อนุกรมแอคติไนด์ ( Actinide series ) ได้แก่ ธาตุแทรนซิชันในแถวล่างของ 2 แถวล่างในตารางธาตุ ( Th-Lr ) มีการบรรจุอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในระดับพลังงานที่ 5 ( 5f-orbital ) ซึ่งถัดจากระดับพลังงานนอกสุด 2 ระดับ

เช่น            มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น 2 8 18 32 20 9 2    หรือ [Rn] 7s2 5f2 6d1

                      มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น 2 8 18 32 21 9 2    หรือ [Rn] 7s2 5f3 6d1

 ตารางธาตุแสดงเฉพาะธาตุทรานซิชัน

 สมบัติของธาตุทรานซิชัน

                1. เป็นโลหะ แต่มีความเป็นโลหะน้อยกว่าโลหะหมู่ IA และ IIA

                2. แข็ง มีจุดหลอมเหลว จุดเดือด และความหนาแน่นสูง และสูงกว่าโลหะหมู่ IA และ IIA ในคาบเดียวกัน เพราะธาตุแทรนซิชันมีขนาดเล็กว่า จึงมีพันธะโลหะที่แข็งแรงกว่าธาตุหมู่ IA และ IIA และความหนาแน่เพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาภายในคาบ ยกเว้นสังกะสี

                3. นำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี  อนุกรมที่ 1  ทองแดงนำไฟฟ้าได้ดีที่สุด อนุกรมที่ 2 เงินนำไฟฟ้าได้ดีที่สุด  อนุกรมที่ 3 ทองคำนำไฟฟ้าได้ดีที่สุด

                4. มีสมบัติคล้ายกันทั้งภายในหมู่และคาบ โดยเฉพาะหมู่ VIIIB ทั้ง 9 ธาตุ จะมีสมบัติคล้ายกันภายในคาบมากกว่าภายในหมู่ เพราะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 2 ทั้งภายในหมู่และคาบ ยกเว้นบางธาตุเท่านั้น

                5. มีเลขออกซิเดชันได้มากกว่า 1 ค่า ยกเว้น IIIB และ IIB มีเลขออกซิเดชัน +3 และ +2 ตามลำดับ

                6. สารประกอบและไอออนส่วนใหญ่มีสี

                7. ขนาดอะตอมในคาบเดียวกันจะเล็กลงเพียงเล็กน้อยจากซ้ายไปขวา เพราะอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นไม่ได้เพิ่มในระดับพลังงานนอกสุด แต่เพิ่มในระดับพลังงานถัดเข้ามา จึงไปกั้นแรงดึงดูดระหว่างประจุบวกและประจุลบ และถึงแม้ว่าจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสจะมากขึ้นจากซ้ายไปขวา แต่มีผลต่อขนาดอะตอมน้อย

                8. มีค่า IE1 , EN เพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาเล็กน้อย ( เพราะมีขนาดอะตอมใกล้เคียงกัน ) และสูงกว่าธาตุหมู่ IA และ IIA ในคาบเดียวกัน

                9. เกิดสารประกอบเชิงซ้อนได้ง่าย เพราะไอออนของธาตุแทรนซิชันมีขนาดเล็กน้อยและมีประจุบวกสูง

                10. ธาตุบางชนิดทำให้เป็นแม่เหล็กได้ ได้แก่ เหล็ก โคบอลต์ นิกเกิล เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กที่แรงเป็นเวลานานพอจะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดเป็นแม่เหล็กได้

                11. ส่วนมากทำปฏิกิริยาโดยตรงกับอโลหะได้ เมื่อได้รับความร้อน เช่น แฮโลเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน กำมะถัน เป็นต้น แต่ปฏิกิริยาไม่รุนแรงเท่าธาตุหมู่ IA, IIA

                12. ธาตุบางชนิด เสียอิเล็กตรอนได้ยากและไม่ละลายในกรดไฮโดร และกรดออกโซ แม้ว่าจะเป็นโลหะ ได้แก่ Pt AU แต่สามารถละลายได้ช้า ๆ ในของผสมของกรดไฮโรคลอริก ( HCl ) กับ กรดไนตริก ( HNO3 ) ในอัตราส่วน 3:1 โดยปริมาตร หรือที่เรียกว่า กรดกัดทอง ( aqua regia )

* ข้อ 4-8 เป็นสมบัติเฉพาะตัวของธาตุแทรนซิชัน

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ตาราง  การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุโพแทสเซียม แคลเซียม และธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4

 สารประกอบของธาตุทรานซิชัน

                1. ธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่เสียอิเล็กตรอนได้ง่าย จึงมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับอโลหะ ทำให้มีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า

                2. สารประกอบและไอออนส่วนใหญ่จะมีสีต่าง ๆ กัน ขึ้นอยู่กับชนิดของธาตุแทรนซิชัน เลขออกซิชัน ชนิดและจำนวนของสารที่รวมตัวกับธาตุแทรนซิชัน สาเหตุที่ทำให้สารประกอบของธาตุแทรนซิชันมีสี เนื่องจากอิเล็กตรอนใน d-Orbital สามารถดูดกลืนแสงในช่วงที่เห็นด้วยตาเปล่าบางช่วงคลื่น แสงที่ไม่ถูกดูดกลืนก็คือ สีของสารประกอบหรือของไอออน

ตาราง 4.5 สีของสารประกอบและไอออนของโครเมียมและแมงกานีสในน้ำ

ตัวอย่างปฏิกิริยาที่ธาตุแทรนซิชันมีเลขออกซิเดชันเปลี่ยนแปลง

1. การเปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชันของโครเมียม ( Cr )

                1. เมื่อเติมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ( H2O2 ) ลงในสารละลายโพแทสเซียมไดโครเมต

( K2Cr2O7 ) ในกรดซัลฟิวริก ( H2SO4 ) จะเกิดปฏิกิริยา ดังนี้

 

                                   สีส้ม                                                   สีเขียว

                Cr ใน และ Cr3+ มีค่าเลขออกซิชันเท่ากับ +6 และ +3 ตามลำดับ แสดงว่า Cr มีเลขออกซิเดชันลดลงจาก +6 เป็น +3 ทำให้มีสีเปลี่ยนไป

                2. เมื่อเติมสารละลายโซเดียมซัลไฟต์ ( Na2S ) ลงในสารละลายของ Cr3+ ที่ได้จากข้อ 1 จะเกิดปฏิกิริยา ดังนี้

                               

                                สีเขียว                          สีน้ำเงิน

Cr มีเลขออกซิเดชันลดลงจาก +3 เป็น +2 ทำให้สีเปลี่ยนไป

 

ตาราง 4.6 การจัดเรียงอิเล็กตรอนของโครเมียมและโครเมียมไอออนที่มีเลขออกซิเดชันต่างๆ

2. การเปลี่ยนเลขออกซิเดชันของ Mn

                1. เมื่อเผาโซเดียมไฮดรอกไซด์ ( NaOH ) กับ แมงกานีส (IV) ออกไซด์ ( MnO2 ) จะเกิดปฏิกิริยา ดังนี้

                               

                                สีดำ                                                        สีเขียว

                Mn ใน MnO2 และ มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +4 และ +6 ตามลำดับ แสดงว่า Mn มีเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้นจาก +4 ไปเป็น +6 สีจึงเปลี่ยนไป

                2. เมื่อเติมกรดซัลฟิวริก ( H2SO4 ) ลงในสารละลายของที่ได้ในข้อ 1 จะเกิดปฏิกิริยา ดังนี้

                               

                Mn ในสารละลาย และ มีค่าเลขออกซิเดชันเท่ากับ +6 และ +7 ตามลำดับ แสดงว่า Mn มีเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้นจาก +6 เป็น +7 จึงทำให้สีเปลี่ยนไป

                3. เมื่อเติมสารละลาย Na2S ลงในสารละลาย ที่ได้จากข้อ 2 ต่อไปอีก จะเกิดปฏิกิริยาดังสมการ

                               

                Mn ใน และ Mn2+ มีค่าเลขออกซิเดชันเท่ากับ +7 และ +2 ตามลำดับ แสดงว่า Mn มีเลขออกซิเดชันลดลงจาก +7 เป็น +2 จึงทำให้สีเปลี่ยนไป

                4. เมื่อเติมสารละลาย NaOH ลงในสารละลาย Mn2+ ที่ได้จากข้อ 3  จะเกิดปฏิกิริยา ดังนี้

                                      

                Mn ใน Mn2+ และ Mn3+ มีค่าเลขออกซิเดชันเท่ากับ +2 และ +3 ตามลำดับ แสดงว่า Mn มีเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้นจาก +2 เป็น +3 สีจึงเปลี่ยนแปลง

 

                 สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุทรานซิชัน

                ไอออนเชิงซ้อน ( Complex ion ) หมายถึง ไอออนที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุอย่างน้อย 2 ชนิด มีทั้งไอออนบวกและไอออนลบ นอกจากนั้นไอออนเชิงซ้อนมักมีธาตุแทรนซิชันเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย โดยทำหน้าที่เป็นอะตอมกลาง แล้วมีอะตอมหรือไอออนอื่นมาล้อมรอบ เช่น โครเมตไอออน
( ) ไดโครเมตไอออน ( ) เปอร์แมงกาเนตไอออน ( ) ฯลฯ

                สารประกอบเชิงซ้อน ( Complex compound ) หมายถึงสารประกอบที่ประกอบด้วยไอออนเชิงซ้อน

สารประกอบเชิงซ้อน

สูตร

ไอออนบวก

ไอออนลบ

ไอออนเชิงซ้อน

โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต
โพแทสเซียมเฮกซะไซยาโนเฟอเรต(III)
เฮกซะแอมมีนโคบอลต์(III)คลอไรด์
แอมโมเนียมฟอสเฟต
เตตระแอมมีนคอปเปอร์(II)ซัลเฟต

KMnO4
K3[Fe(CN)6]
[Cu(NH3)6]Cl3
(NH4)3PO4
[Cu(NH3)4]SO4

K+
K+
[Cu(NH3)6]3+

[Cu(NH3)4]2+

[Fe(CN)6]3-
Cl-

[Fe(CN)6]3-
[Cu(NH3)6]3+

[Cu(NH3)4]2+  

      ไอออนเชิงซ้อนและสารประกอบเชิงซ้อนส่วนใหญ่จะมีโลหะแทรนซิชันเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย เพราะโลหะแทรนซิชันมีโครงสร้างทางอิเล็กตรอนที่แตกต่างจากโลหะหมู่อื่น ๆ เมื่อเป็นไอออนจะมีขนอดเล็กและมีประจุบวกสูง ทำให้รวมตัวกับอะตอม โมเลกุล หรือไอออนของสารอื่นได้ง่าย ไอออนเชิงซ้อนและสารประกอบส่วนใหญ่ประกอบด้วยอะตอมหรือไอออนของโลหะ อยู่ตรงกลาง เรียกว่า นิวเคลียร์อะตอม ( Nuclear atom ) แล้วมีกลุ่มอะตอม โมเลกุล หรือไอออนต่าง ๆ ห้อมล้อมอยู่ เรียกว่า ลิแกนด์
(Ligand ) แรงยึดเหนี่ยวระหว่างลิแกนด์กับนิวเคลียร์อะตอม เป็นพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ สารที่จะเป็นลิแกนด์ได้จึงต้องมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ดังนั้นจึงเรียกสารประกอบนี้ว่า สารประกอบโคออดิเนชัน
(Coordination Compound ) และจำนวนลิแกนด์ที่ห้อมล้อมและชิดนิวเคลียร์ เรียกว่า เลขโคออดิเนชัน
(Coordination number ) ตัวอย่างสารที่เป็นลิแกนด์ได้ เช่น NH3  H2O  CN-  เป็นต้น
เลขโคออดิเนชัน หรือจำนวนลิแกนด์ มีค่าได้ตั้งแต่ 2 ถึง 8 แต่ที่พบมาก คือ 2 4 และ 6 ซึ่งมีรูปร่างเป็น เส้นตรง ( Linear ) ทรงสี่หน้า ( Tetrahedral ) หรือสี่เหลี่ยมแบนราบ ( Square plana ) และทรงแปดหน้า ( Octahedral ) ตามลำดับ

ตาราง  สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชันบางชนิดและไอออนองค์ประกอบ

1