Dlaczego metale przejściowe są dobrymi katalizatorami?

Metale przejściowe to dowolne z różnych pierwiastków metalicznych, takich jak chrom, żelazo i nikiel, które mają elektrony walencyjne w dwóch powłokach, a nie tylko w jednej. Elektron walencyjny odnosi się do pojedynczego elektronu, który jest odpowiedzialny za chemiczne właściwości atomu. Metale przejściowe są dobrymi katalizatorami metalowymi, ponieważ łatwo pożyczają i pobierają elektrony z innych cząsteczek. Katalizator to substancja chemiczna, która po dodaniu do reakcji chemicznej nie wpływa na termodynamikę reakcji, ale zwiększa szybkość reakcji.

Katalizatory działają na drodze katalitycznej reakcji. Zwiększają częstotliwość zderzeń między reagentami, ale nie zmieniają ich właściwości fizycznych ani chemicznych. Katalizatory wpływają na szybkość reakcji bez wpływu na termodynamikę. Katalizatory zapewniają zatem alternatywną ścieżkę o niższej energii, w której zachodzi reakcja. Katalizator wpływa na stan przejściowy reakcji, zapewniając stanowi przejściowemu ścieżkę aktywacji o niższej energii.

Metale przejściowe są często mylone z metalami „bloku d” w układzie okresowym. Chociaż metale przejściowe należą do bloku d układu okresowego pierwiastków, nie wszystkie metale z bloku d można nazwać metalami przejściowymi. Na przykład skand i cynk nie są metalami przejściowymi, chociaż są pierwiastkami bloku d. Aby element bloku d był metalem przejściowym, musi posiadać niecałkowicie wypełniony orbital d.

Najważniejszym powodem, dla którego metale przejściowe są dobrymi katalizatorami, jest to, że mogą pożyczać elektrony lub odciągać elektrony z odczynnika, w zależności od charakteru reakcji. Zdolność metali przejściowych do przebywania w różnych stanach utlenienia, zdolność do wymiany pomiędzy utlenianiem stany i zdolność tworzenia kompleksów z odczynnikami oraz bycia dobrym źródłem elektronów sprawiają, że metale przejściowe są dobre katalizatory.

Jon skandu Sc3+ nie zawiera elektronów d i nie jest metalem przejściowym. Jon cynku, Zn2+, ma całkowicie wypełniony orbital d, więc nie jest metalem przejściowym. Metale przejściowe muszą mieć zapas d-elektronów oraz zmienne i wymienne stopnie utlenienia. Miedź jest idealnym przykładem metalu przejściowego ze zmiennymi stopniami utlenienia Cu2+ i Cu3+. Niekompletny orbital d umożliwia metalowi ułatwienie wymiany elektronów. Metale przejściowe mogą zarówno łatwo dawać, jak i przyjmować elektrony, co czyni je korzystnymi jako katalizatory. Stan utlenienia metalu odnosi się do zdolności metalu do tworzenia wiązań chemicznych.

Metale przejściowe działają poprzez tworzenie kompleksów z odczynnikiem. Jeżeli stan przejściowy reakcji wymaga elektronów, metale przejściowe w kompleksach metali przechodzą reakcje utleniania lub redukcji w celu dostarczenia elektronów. Jeśli występuje nadmierne nagromadzenie elektronów, metale przejściowe mogą utrzymać nadmiar gęstości elektronowej, pomagając w ten sposób zajść reakcji. Właściwość metali przejściowych jako dobrych katalizatorów zależy również od właściwości absorpcyjnych lub adsorpcyjnych metalu i kompleksu metalu przejściowego.