Waarom zijn overgangsmetalen goede katalysatoren?

Overgangsmetalen zijn verschillende metalen elementen zoals chroom, ijzer en nikkel die valentie-elektronen hebben in twee schillen in plaats van slechts één. Een valentie-elektron verwijst naar een enkel elektron dat verantwoordelijk is voor de chemische eigenschappen van het atoom. Overgangsmetalen zijn goede metaalkatalysatoren omdat ze gemakkelijk elektronen lenen en opnemen van andere moleculen. Een katalysator is een chemische stof die, wanneer toegevoegd aan een chemische reactie, de thermodynamica van een reactie niet beïnvloedt, maar de reactiesnelheid verhoogt.

Katalysatoren werken via katalytische routes in de reactie. Ze verhogen de frequentie van botsingen tussen reactanten, maar veranderen hun fysische of chemische eigenschappen niet. Katalysatoren beïnvloeden de reactiesnelheid zonder de thermodynamica te beïnvloeden. Katalysatoren bieden dus een alternatieve, lagere energieroute om de reactie te laten plaatsvinden. Een katalysator beïnvloedt de overgangstoestand van een reactie door de overgangstoestand een activeringspad met lagere energie te geven.

Overgangsmetalen worden vaak verward met "d-block" metalen in het periodiek systeem. Hoewel overgangsmetalen tot het d-blok van het periodiek systeem der elementen behoren, kunnen niet alle d-blokmetalen overgangsmetalen worden genoemd. Scandium en zink zijn bijvoorbeeld geen overgangsmetalen, hoewel het wel d-blokelementen zijn. Om een ​​d-blokelement een overgangsmetaal te laten zijn, moet het een onvolledig gevulde d-orbitaal hebben.

De belangrijkste reden waarom overgangsmetalen goede katalysatoren zijn, is dat ze afhankelijk van de aard van de reactie elektronen kunnen lenen of elektronen kunnen onttrekken aan het reagens. Het vermogen van overgangsmetalen om in verschillende oxidatietoestanden te zijn, het vermogen om tussen de oxidaties uit te wisselen toestanden en het vermogen om complexen te vormen met de reagentia en een goede bron voor elektronen te zijn, maken overgangsmetalen goed katalysatoren.

Het scandiumion Sc3+ heeft geen d-elektronen en is geen overgangsmetaal. Het zinkion, Zn2+, heeft een volledig gevulde d-orbitaal en is dus geen overgangsmetaal. Overgangsmetalen moeten over d-elektronen beschikken en ze hebben variabele en uitwisselbare oxidatietoestanden. Koper is een ideaal voorbeeld van een overgangsmetaal met zijn variabele oxidatietoestanden Cu2+ en Cu3+. Door de onvolledige d-orbitaal kan het metaal de uitwisseling van elektronen vergemakkelijken. Overgangsmetalen kunnen gemakkelijk elektronen afgeven en accepteren, waardoor ze gunstig zijn als katalysatoren. De oxidatietoestand van een metaal verwijst naar het vermogen van het metaal om chemische bindingen te vormen.

Overgangsmetalen werken door complexen te vormen met het reagens. Als de overgangstoestand van de reactie elektronen vereist, ondergaan de overgangsmetalen in de metaalcomplexen oxidatie- of reductiereacties om elektronen te leveren. Als er een overmatige opbouw van elektronen is, kunnen de overgangsmetalen de overtollige elektronendichtheid vasthouden, waardoor de reactie kan plaatsvinden. De eigenschap van overgangsmetalen om goede katalysatoren te zijn hangt ook af van de absorptie- of adsorptie-eigenschappen van het metaal en het overgangsmetaalcomplex.