Miks on siirdemetallid head katalüsaatorid?

Siirdemetallid on ükskõik millised metallilised elemendid nagu kroom, raud ja nikkel, mille valentselektrone on ainult ühes, vaid kahes kestas. Valentselektron viitab ühele elektronile, mis vastutab aatomi keemiliste omaduste eest. Siirdemetallid on head metallikatalüsaatorid, kuna nad hõlpsalt laenavad ja võtavad teistest molekulidest elektrone. Katalüsaator on keemiline aine, mis keemilisele reaktsioonile lisatuna ei mõjuta reaktsiooni termodünaamikat, vaid suurendab reaktsiooni kiirust.

Katalüsaatorid toimivad reaktsiooni katalüütiliste radade kaudu. Need suurendavad reaktantide kokkupõrgete sagedust, kuid ei muuda nende füüsikalisi ega keemilisi omadusi. Katalüsaatorid mõjutavad reaktsioonikiirust ilma termodünaamikat mõjutamata. Katalüsaatorid pakuvad seega reaktsiooni toimumiseks alternatiivset madalama energiaga rada. Katalüsaator mõjutab reaktsiooni üleminekuolekut, pakkudes üleminekuolekule madalama energiaga aktivatsioonitee.

Üleminekumetalle segatakse perioodilisustabelis sageli "d-ploki" metallidega. Ehkki siirdemetallid kuuluvad elementide perioodilisustabeli d-plokki, ei saa kõiki d-ploki metalle nimetada siirdemetallideks. Näiteks skandium ja tsink ei ole siirdemetallid, ehkki need on d-ploki elemendid. Et d-ploki element oleks siirdemetall, peab sellel olema mittetäielikult täidetud d-orbitaal.

Kõige olulisem põhjus, miks siirdemetallid on head katalüsaatorid, on see, et nad võivad reaktsiooni laadist sõltuvalt reaktiivist elektrone laenata või elektrone välja tõmmata. Siirdemetallide võime olla erinevates oksüdatsiooniastmetes, võime oksüdeerumise vahel vahetada olekud ja võime moodustada reagentidega komplekse ning olla elektronide jaoks hea allikas muudavad siirdemetallid heaks katalüsaatorid.

Skandiumioonil Sc3 + pole d-elektrone ega ole siirdemetall. Tsingi ioonil Zn2 + on täielikult täidetud d-orbitaal ja seega pole see siirdemetall. Siirdemetallidel peab olema varuks d-elektrone ning neil on muutuvad ja vahetatavad oksüdatsiooniastmed. Vask on ideaalne näide üleminekumetallist selle varieeruvate oksüdatsiooniastmete Cu2 + ja Cu3 + korral. Mittetäielik d-orbitaal võimaldab metallil hõlbustada elektronide vahetust. Siirdemetallid võivad nii elektrone lihtsalt anda kui ka vastu võtta, muutes need katalüsaatoritena soodsaks. Metalli oksüdatsiooniaste viitab metalli võimele moodustada keemilisi sidemeid.

Siirdemetallid toimivad reaktiiviga komplekside moodustamisel. Kui reaktsiooni siirdeseisund nõuab elektrone, läbivad metallikompleksides olevad siirdemetallid elektronide varustamiseks oksüdeerumis- või redutseerimisreaktsioonid. Kui toimub elektronide liigne kogunemine, suudavad siirdemetallid hoida liigset elektrontihedust, aidates seeläbi reageerida. Siirdemetallide omadus olla hea katalüsaator sõltub ka metalli ja siirdemetallide kompleksi neeldumis- või adsorptsiooniomadustest.