Varför är övergångsmetaller bra katalysatorer?

Övergångsmetaller är något av olika metallelement som krom, järn och nickel som har valenselektroner i två skal istället för bara en. En valenselektron avser en enda elektron som är ansvarig för atomens kemiska egenskaper. Övergångsmetaller är bra metallkatalysatorer eftersom de enkelt lånar ut och tar elektroner från andra molekyler. En katalysator är en kemisk substans som, när den tillsätts till en kemisk reaktion, inte påverkar termodynamiken i en reaktion utan ökar reaktionshastigheten.

Katalysatorer arbetar genom katalytiska vägar in i reaktionen. De ökar frekvensen av kollisioner mellan reaktanter men ändrar inte deras fysiska eller kemiska egenskaper. Katalysatorer påverkar reaktionshastigheten utan att påverka termodynamiken. Katalysatorer ger således en alternativ väg med lägre energi för att reaktionen ska kunna äga rum. En katalysator påverkar övergångstillståndet för en reaktion genom att ge övergångstillståndet en lägre energiaktiveringsväg.

Övergångsmetaller förväxlas ofta med "d-block" -metaller i det periodiska systemet. Även om övergångsmetaller tillhör d-blocket i elementens periodiska system, kan inte alla d-blockmetaller kallas övergångsmetaller. Till exempel är skandium och zink inte övergångsmetaller, även om de är d-blockelement. För att ett d-blockelement ska vara en övergångsmetall måste det ha en ofullständigt fylld d-orbital.

Den viktigaste anledningen till att övergångsmetaller är bra katalysatorer är att de kan låna ut elektroner eller dra ut elektroner från reagenset, beroende på reaktionens natur. Förmågan hos övergångsmetaller att vara i en mängd olika oxidationstillstånd, förmågan att växla mellan oxidationen tillstånd och förmågan att bilda komplex med reagensen och vara en bra källa för elektroner gör övergångsmetaller bra katalysatorer.

Scandiumjonen Sc3 + har inga d-elektroner och är inte en övergångsmetall. Zinkjonen, Zn2 +, har en helt fylld d-orbital och så det är ingen övergångsmetall. Övergångsmetaller måste ha d-elektroner tillvara och de har variabla och utbytbara oxidationstillstånd. Koppar är ett idealiskt exempel på en övergångsmetall med dess variabla oxidationstillstånd Cu2 + och Cu3 +. Den ofullständiga d-orbitalen gör det möjligt för metallen att underlätta utbyte av elektroner. Övergångsmetaller kan både ge och acceptera elektroner lätt, vilket gör dem gynnsamma som katalysatorer. Oxidationstillståndet för en metall avser metallens förmåga att bilda kemiska bindningar.

Övergångsmetaller verkar genom att bilda komplex med reagenset. Om reaktionens övergångstillstånd kräver elektroner genomgår övergångsmetallerna i metallkomplexen oxidations- eller reduktionsreaktioner för att tillföra elektroner. Om det finns ett överskott av elektroner kan övergångsmetallerna hålla överskottet av elektrontäthet, vilket hjälper reaktionen att inträffa. Egenskapen hos övergångsmetaller att vara bra katalysatorer beror också på absorptions- eller adsorptionsegenskaperna hos metallen och övergångsmetallkomplexet.