Γιατί τα μεταβατικά μέταλλα είναι καλοί καταλύτες;

Τα μεταβατικά μέταλλα είναι οποιοδήποτε από διάφορα μεταλλικά στοιχεία όπως χρώμιο, σίδηρος και νικέλιο που έχουν ηλεκτρόνια σθένους σε δύο κελύφη αντί μόνο ενός. Ένα ηλεκτρόνιο σθένους αναφέρεται σε ένα μόνο ηλεκτρόνιο που είναι υπεύθυνο για τις χημικές ιδιότητες του ατόμου. Τα μεταβατικά μέταλλα είναι καλοί μεταλλικοί καταλύτες επειδή δανείζουν και παίρνουν εύκολα ηλεκτρόνια από άλλα μόρια. Ένας καταλύτης είναι μια χημική ουσία που, όταν προστίθεται σε μια χημική αντίδραση, δεν επηρεάζει τη θερμοδυναμική μιας αντίδρασης αλλά αυξάνει το ρυθμό της αντίδρασης.

Οι καταλύτες λειτουργούν με καταλυτικές οδούς στην αντίδραση. Αυξάνουν τη συχνότητα συγκρούσεων μεταξύ αντιδραστηρίων αλλά δεν αλλάζουν τις φυσικές ή χημικές τους ιδιότητες. Οι καταλύτες επηρεάζουν το ρυθμό αντίδρασης χωρίς να επηρεάζουν τη θερμοδυναμική. Οι καταλύτες παρέχουν έτσι μια εναλλακτική οδό χαμηλότερης ενέργειας για την αντίδραση. Ένας καταλύτης επηρεάζει την κατάσταση μετάβασης μιας αντίδρασης παρέχοντας στην κατάσταση μετάβασης μια διαδρομή ενεργοποίησης χαμηλότερης ενέργειας.

Τα μεταβατικά μέταλλα συχνά συγχέονται με τα μέταλλα "d-block" στον περιοδικό πίνακα. Αν και τα μέταλλα μετάβασης ανήκουν στο d-block του περιοδικού πίνακα των στοιχείων, δεν μπορούν όλα τα μέταλλα d-block να ονομαστούν μετάλλων μετάβασης. Για παράδειγμα, το σκάνδιο και ο ψευδάργυρος δεν είναι μέταλλα μετάβασης, αν και είναι στοιχεία d-block. Για να είναι ένα στοιχείο d-block ένα μεταβατικό μέταλλο, πρέπει να διαθέτει ένα ελλιπώς γεμισμένο d-τροχιακό.

Ο πιο σημαντικός λόγος για τον οποίο τα μέταλλα μετάβασης είναι καλοί καταλύτες είναι ότι μπορούν να δανείσουν ηλεκτρόνια ή να αποσύρουν ηλεκτρόνια από το αντιδραστήριο, ανάλογα με τη φύση της αντίδρασης. Η ικανότητα των μετάλλων μετάβασης να είναι σε μια ποικιλία καταστάσεων οξείδωσης, η ικανότητα εναλλαγής μεταξύ της οξείδωσης καταστάσεις και η ικανότητα σχηματισμού συμπλοκών με τα αντιδραστήρια και να είναι μια καλή πηγή για τα ηλεκτρόνια καθιστούν τα μέταλλα μετάβασης καλά καταλύτες.

Το ιόν Scandium Sc3 + δεν έχει d-ηλεκτρόνια και δεν είναι μεταβατικό μέταλλο. Το ιόν ψευδάργυρου, Zn2 +, έχει ένα πλήρως γεμισμένο d-τροχιακό και έτσι δεν είναι ένα μέταλλο μετάβασης. Τα μεταβατικά μέταλλα πρέπει να έχουν εφεδρικά d-ηλεκτρόνια και έχουν μεταβλητές και εναλλάξιμες καταστάσεις οξείδωσης. Ο χαλκός είναι ένα ιδανικό παράδειγμα μετάλλου μετάβασης με τις μεταβλητές καταστάσεις οξείδωσης Cu2 + και Cu3 +. Το ατελές d-orbital επιτρέπει στο μέταλλο να διευκολύνει την ανταλλαγή ηλεκτρονίων. Τα μεταβατικά μέταλλα μπορούν τόσο να δώσουν όσο και να δεχτούν ηλεκτρόνια εύκολα, καθιστώντας τα ευνοϊκά ως καταλύτες. Η κατάσταση οξείδωσης ενός μετάλλου αναφέρεται στην ικανότητα του μετάλλου να σχηματίζει χημικούς δεσμούς.

Τα μεταβατικά μέταλλα δρουν σχηματίζοντας σύμπλοκα με το αντιδραστήριο. Εάν η κατάσταση μετάβασης της αντίδρασης απαιτεί ηλεκτρόνια, τα μέταλλα μετάπτωσης στα μεταλλικά σύμπλοκα υφίστανται αντιδράσεις οξείδωσης ή αναγωγής για την παροχή ηλεκτρονίων. Εάν υπάρχει υπερβολική συγκέντρωση ηλεκτρονίων, τα μέταλλα μετάβασης μπορούν να συγκρατήσουν την περίσσεια ηλεκτρονικής πυκνότητας, βοηθώντας έτσι την αντίδραση να συμβεί. Η ιδιότητα των μετάλλων μετάπτωσης να είναι καλοί καταλύτες εξαρτάται επίσης από τις ιδιότητες απορρόφησης ή προσρόφησης του μετάλλου και του συμπλέγματος μετάλλων μετάβασης.