Hvorfor er overgangsmetaller gode katalysatorer?

Overgangsmetaller er et hvilket som helst av forskjellige metallelementer som krom, jern og nikkel som har valenselektroner i to skall i stedet for bare ett. Et valenselektron refererer til et enkelt elektron som er ansvarlig for atomens kjemiske egenskaper. Overgangsmetaller er gode metallkatalysatorer fordi de lett låner ut og tar elektroner fra andre molekyler. En katalysator er et kjemisk stoff som, når det tilsettes en kjemisk reaksjon, ikke påvirker termodynamikken til en reaksjon, men øker reaksjonshastigheten.

Katalysatorer arbeider ved katalytiske veier inn i reaksjonen. De øker hyppigheten av kollisjoner mellom reaktanter, men endrer ikke deres fysiske eller kjemiske egenskaper. Katalysatorer påvirker reaksjonshastigheten uten å påvirke termodynamikken. Katalysatorer gir dermed en alternativ, lavere energibane for reaksjonen å finne sted. En katalysator påvirker overgangstilstanden til en reaksjon ved å gi overgangstilstanden en aktiviseringsbane med lavere energi.

Overgangsmetaller forveksles ofte med "d-blokk" metaller i det periodiske systemet. Selv om overgangsmetaller tilhører d-blokken i elementets periodiske system, kan ikke alle d-blokkmetaller kalles overgangsmetaller. For eksempel er skandium og sink ikke overgangsmetaller, selv om de er d-blokkelementer. For at et d-blokkelement skal være et overgangsmetall, må det ha en ufullstendig fylt d-orbital.

Den viktigste grunnen til at overgangsmetaller er gode katalysatorer, er at de kan låne ut elektroner eller trekke ut elektroner fra reagenset, avhengig av reaksjonens art. Overgangsmetallers evne til å være i en rekke oksidasjonstilstander, evnen til å bytte mellom oksidasjonen og evnen til å danne komplekser med reagensene og være en god kilde for elektroner, gjør overgangsmetaller gode katalysatorer.

Scandiumionen Sc3 + har ingen d-elektroner og er ikke et overgangsmetall. Sinkionen, Zn2 +, har en fullstendig fylt d-orbital, så det er ikke et overgangsmetall. Overgangsmetaller må ha d-elektroner til overs, og de har variable og utskiftbare oksidasjonstilstander. Kobber er et ideelt eksempel på et overgangsmetall med dets variable oksidasjonstilstander Cu2 + og Cu3 +. Den ufullstendige d-orbitalen gjør at metallet muliggjør utveksling av elektroner. Overgangsmetaller kan både gi og akseptere elektroner lett, og gjør dem gunstige som katalysatorer. Oksidasjonsstaten til et metall refererer til metallets evne til å danne kjemiske bindinger.

Overgangsmetaller virker ved å danne komplekser med reagenset. Hvis overgangstilstanden til reaksjonen krever elektroner, gjennomgår overgangsmetallene i metallkompleksene oksidasjons- eller reduksjonsreaksjoner for å tilføre elektroner. Hvis det er overflødig opphopning av elektroner, kan overgangsmetallene holde den overskytende elektrontettheten, og derved hjelpe reaksjonen til å skje. Egenskapen til overgangsmetaller som gode katalysatorer avhenger også av absorpsjons- eller adsorpsjonsegenskapene til metallet og overgangsmetallkomplekset.