The D And F Block Elements
The
There are mainly four series of the transition metals,
Originally the name transition metals was derived from the fact that their chemical properties were transitional between those of
The presence of partly filled d or f orbitals in their atoms makes transition elements different from that of the non-transition elements. Hence, transition elements and their compounds are studied separately. However, the usual theory of valence as applicable to the nontransition elements can be applied successfully to the transition elements also.
Various precious metals such as silver, gold and platinum and industrially important metals like iron, copper and titanium belong to the transition metals series.
In this Unit, we shall first deal with the electronic configuration, occurrence and general characteristics of transition elements with special emphasis on the trends in the properties of the first row (3d) transition metals along with the preparation and properties of some important compounds. This will be followed by consideration of certain general aspects such as electronic configurations, oxidation states and chemical reactivity of the inner transition metals.
8.1 Position in the Periodic Table
The
8.2 Electronic Configurations of the d-Block Elements
In general the electronic configuration of outer orbitals of these elements is
The electronic configurations of outer orbitals of
The
The transition metals and their compounds also exhibit catalytic property and paramagnetic behaviour. All these characteristics have been discussed in detail later in this Unit.
There are greater similarities in the properties of the transition elements of a horizontal row in contrast to the non-transition elements. However, some group similarities also exist. We shall first study the general characteristics and their trends in the horizontal rows (particularly
Exercises
Intext Question
8.1 Silver atom has completely filled
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Answer
Ag has a completely filled
8.3 General Properties of the Transition Elements (d-Block)
We will discuss the properties of elements of first transition series only in the following sections.
8.3.1 Physical Properties
Nearly all the transition elements display typical metallic properties such as high tensile strength, ductility, malleability, high thermal and electrical conductivity and metallic lustre. With the exceptions of
The transition metals (with the exception of
Another generalisation that may be drawn from Fig. 8.2 is that the metals of the second and third series have greater enthalpies of atomisation than the corresponding elements of the first series; this is an important factor in accounting for the occurrence of much more frequent metal - metal bonding in compounds of the heavy transition metals.
8.3.2 Variation in Atomic and Ionic Sizes of Transition Metals
In general, ions of the same charge in a given series show progressive decrease in radius with increasing atomic number. This is because the new electron enters a
The factor responsible for the lanthanoid contraction is somewhat similar to that observed in an ordinary transition series and is attributed to similar cause, i.e., the imperfect shielding of one electron by another in the same set of orbitals. However, the shielding of one
The decrease in metallic radius coupled with increase in atomic mass results in a general increase in the density of these elements. Thus, from titanium
Example 8.2 Why do the transition elements exhibit higher enthalpies of atomisation?
Solution Because of large number of unpaired electrons in their atoms they have stronger interatomic interaction and hence stronger bonding between atoms resulting in higher enthalpies of atomisation.
Exercises
Intext Question
8.2 In the series
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Answer
The extent of metallic bonding an element undergoes decides the enthalpy of atomization. The more extensive the metallic bonding of an element, the more will be its enthalpy of atomization. In all transition metals (except Zn, electronic configuration:
8.3.3 Ionisation Enthalpies
There is an increase in ionisation enthalpy along each series of the transition elements from left to right due to an increase in nuclear charge which accompanies the filling of the inner d orbitals. Table 8.2 gives the values of the first three ionisation enthalpies of the first series of transition elements. These values show that the successive enthalpies of these elements do not increase as steeply as in the case of non-transition elements. The variation in ionisation enthalpy along a series of transition elements is much less in comparison to the variation along a period of non-transition elements. The first ionisation enthalpy, in general, increases, but the magnitude of the increase in the second and third ionisation enthalpies for the successive elements, is much higher along a series.
The irregular trend in the first ionisation enthalpy of the metals of
The interpretation of variation in ionisation enthalpy for an electronic configuration
The three terms responsible for the value of ionisation enthalpy are attraction of each electron towards nucleus, repulsion between the electrons and the exchange energy. Exchange energy is responsible for the stabilisation of energy state. Exchange energy is approximately proportional to the total number of possible pairs of parallel spins in the degenerate orbitals. When several electrons occupy a set of degenerate orbitals, the lowest energy state corresponds to the maximum possible extent of single occupation of orbital and parallel spins (Hunds rule). The loss of exchange energy increases the stability. As the stability increases, the ionisation becomes more difficult. There is no loss of exchange energy at
The lowest common oxidation state of these metals is +2 . To form the
Although ionisation enthalpies give some guidance concerning the relative stabilities of oxidation states, this problem is very complex and not amenable to ready generalisation.
8.3.4 Oxidation States
One of the notable features of a transition elements is the great variety of oxidation states these may show in their compounds. Table 8.3 lists the common oxidation states of the first row transition elements.
The elements which give the greatest number of oxidation states occur in or near the middle of the series. Manganese, for example, exhibits all the oxidation states from +2 to +7 . The lesser number of oxidation states at the extreme ends stems from either too few electrons to lose or share (
The variability of oxidation states, a characteristic of transition elements, arises out of incomplete filling of
An interesting feature in the variability of oxidation states of the
Low oxidation states are found when a complex compound has ligands capable of
Example 8.3 Name a transition element which does not exhibit variable oxidation states.
Solution
Scandium
Exercises
Intext Question
8.3 Which of the
Show Answer
Answer
Mn has the maximum number of unpaired electrons present in the
8.3.5 Trends in the M2+/M Standard Electrode Potentials
Table 8.4 contains the thermochemical parameters related to the transformation of the solid metal atoms to
The unique behaviour of
Example 8.4
Why is
Solution
The stability of the half-filled
8.3.6 Trends in the M3+/M2+ Standard Electrode Potentials
An examination of the
8.3.7 Trends in Stability of Higher Oxidation States
Table 8.5 shows the stable halides of the
Although
and the same applies to
However, many copper (I) compounds are unstable in aqueous solution and undergo disproportionation.
The stability of
The ability of oxygen to stabilise the highest oxidation state is demonstrated in the oxides. The highest oxidation number in the oxides (Table 8.6) coincides with the group number and is attained in
Example 8.5
How would you account for the increasing oxidising power in the series
Solution This is due to the increasing stability of the lower species to which they are reduced.
Exercises
Intext Question
8.5 How would you account for the irregular variation of ionisation enthalpies (first and second) in the first series of the transition elements?
Show Answer
Answer
Ionization enthalpies are found to increase in the given series due to a continuous filling of the inner
In case of first ionization energy,
Second ionization energies are higher than the first since it becomes difficult to remove an electron when an electron has already been taken out. Also, elements like
8.3.8 Chemical Reactivity and E V Values
Transition metals vary widely in their chemical reactivity. Many of them are sufficiently electropositive to dissolve in mineral acids, although a few are ‘noble’—that is, they are unaffected by single acids.
The metals of the first series with the exception of copper are relatively more reactive and are oxidised by
An examination of the
Example 8.6 For the first row transition metals the
-1.18 | -0.91 | -1.18 | -0.44 | -0.28 | -0.25 | +0.34 |
Explain the irregularity in the above values.
Solution The
Example 8.7 Why is the
Solution
Much larger third ionisation energy of Mn (where the required change is
Exercises
Intext Questions
8.6 Why is the highest oxidation state of a metal exhibited in its oxide or fluoride only?
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Answer
Both oxide and fluoride ions are highly electronegative and have a very small size. Due to these properties, they are able to oxidize the metal to its highest oxidation state.
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Answer
Stronger reducing agent out of
Therefore,
8.3.9 Magnetic Properties
When a magnetic field is applied to substances, mainly two types of magnetic behaviour are observed: diamagnetism and paramagnetism (Unit 1). Diamagnetic substances are repelled by the applied field while the paramagnetic substances are attracted. Substances which are attracted very strongly are said to be ferromagnetic. In fact, ferromagnetism is an extreme form of paramagnetism. Many of the transition metal ions are paramagnetic.
Paramagnetism arises from the presence of unpaired electrons, each such electron having a magnetic moment associated with its spin angular momentum and orbital angular momentum. For the compounds of the first series of transition metals, the contribution of the orbital angular momentum is effectively quenched and hence is of no significance. For these, the magnetic moment is determined by the number of unpaired electrons and is calculated by using the ‘spin-only’ formula, i.e.,
where
The magnetic moment increases with the increasing number of unpaired electrons. Thus, the observed magnetic moment gives a useful indication about the number of unpaired electrons present in the atom, molecule or ion. The magnetic moments calculated from the ‘spin-only’ formula and those derived experimentally for some ions of the first row transition elements are given in Table 8.7. The experimental data are mainly for hydrated ions in solution or in the solid state.
Exercises
Intext Question
8.8 Calculate the ‘spin only’ magnetic moment of
Show Answer
Answer
Number of unpaired electrons
Given:
Atomic number
The valence electronic configuration of cobalt (
Hence, valence electronic configuration becomes
Now, Number of unpaired electrons
Spin only magnetic moment
We know that
where
Putting
we get,
8.3.10 Formation of Coloured Ions
When an electron from a lower energy d orbital is excited to a higher energy d orbital, the energy of excitation corresponds to the frequency of light absorbed (Unit 9). This frequency generally lies in the visible region. The colour observed corresponds to the complementary colour of the light absorbed. The frequency of the light absorbed is determined by the nature of the ligand. In aqueous solutions where water molecules are the ligands, the colours of the ions observed are listed in Table 8.8. A few coloured solutions of d–block elements are illustrated in Fig. 8.5.
8.3.11 Formation of Complex Compounds
Complex compounds are those in which the metal ions bind a number of anions or neutral molecules giving complex species with characteristic properties. A few examples are:
8.3.12 Catalytic Properties
The transition metals and their compounds are known for their catalytic activity. This activity is ascribed to their ability to adopt multiple oxidation states and to form complexes. Vanadium(V) oxide (in Contact Process), finely divided iron (in Haber’s Process), and nickel (in Catalytic Hydrogenation) are some of the examples. Catalysts at a solid surface involve the formation of bonds between reactant molecules and atoms of the surface of the catalyst (first row transition metals utilise 3d and 4s electrons for bonding). This has the effect of increasing the concentration of the reactants at the catalyst surface and also weakening of the bonds in the reacting molecules (the activation energy is lowering). Also because the transition metal ions can change their oxidation states, they become more effective as catalysts. For example, iron(III) catalyses the reaction between iodide and persulphate ions.
An explanation of this catalytic action can be given as:
8.3.13 Formation of Interstitial Compounds
Interstitial compounds are those which are formed when small atoms like
(ii) They are very hard, some borides approach diamond in hardness.
(iii) They retain metallic conductivity.
(iv) They are chemically inert.
8.3.14 Alloy Formation
An alloy is a blend of metals prepared by mixing the components. Alloys may be homogeneous solid solutions in which the atoms of one metal are distributed randomly among the atoms of the other. Such alloys are formed by atoms with metallic radii that are within about 15 percent of each other. Because of similar radii and other characteristics of transition metals, alloys are readily formed by these metals. The alloys so formed are hard and have often high melting points. The best known are ferrous alloys: chromium, vanadium, tungsten, molybdenum and manganese are used for the production of a variety of steels and stainless steel. Alloys of transition metals with non transition metals such as brass (copper-zinc) and bronze (copper-tin), are also of considerable industrial importance.
Example 8.9 What is meant by ‘disproportionation’ of an oxidation state? Give an example.
Solution When a particular oxidation state becomes less stable relative to other oxidation states, one lower, one higher, it is said to undergo disproportionation. For example, manganese (VI) becomes unstable relative to manganese(VII) and manganese (IV) in acidic solution.
Exercises
Intext Question
8.9 Explain why
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Answer
In an aqueous medium,
8.4 Some Important Compounds of Transition Elements
8.4.1 Oxides and Oxoanions of Metals
These oxides are generally formed by the reaction of metals with oxygen at high temperatures. All the metals except scandium form MO oxides which are ionic. The highest oxidation number in the oxides, coincides with the group number and is attained in
As the oxidation number of a metal increases, ionic character decreases. In the case of
Thus,
Potassium dichromate is a very important chemical used in leather industry and as an oxidant for preparation of many azo compounds. Dichromates are generally prepared from chromate, which in turn are obtained by the fusion of chromite ore
The yellow solution of sodium chromate is filtered and acidified with sulphuric acid to give a solution from which orange sodium dichromate,
Sodium dichromate is more soluble than potassium dichromate. The latter is therefore, prepared by treating the solution of sodium dichromate with potassium chloride.
Orange crystals of potassium dichromate crystallise out. The chromates and dichromates are interconvertible in aqueous solution depending upon
The structures of chromate ion,
Sodium and potassium dichromates are strong oxidising agents; the sodium salt has a greater solubility in water and is extensively used as an oxidising agent in organic chemistry. Potassium dichromate is used as a primary standard in volumetric analysis. In acidic solution, its oxidising action can be represented as follows:
Thus, acidified potassium dichromate will oxidise iodides to iodine, sulphides to sulphur, tin(II) to tin(IV) and iron(II) salts to iron(III). The half-reactions are noted below:
The full ionic equation may be obtained by adding the half-reaction for potassium dichromate to the half-reaction for the reducing agent, for e.g.,
Potassium permanganate
Potassium permanganate is prepared by fusion of
Commercially it is prepared by the alkaline oxidative fusion of
In the laboratory, a manganese (II) ion salt is oxidised by peroxodisulphate to permanganate.
Potassium permanganate forms dark purple (almost black) crystals which are isostructural with those of
It has two physical properties of considerable interest: its intense colour and its diamagnetism along with temperature-dependent weak paramagnetism. These can be explained by the use of molecular orbital theory which is beyond the present scope.
The manganate and permanganate ions are tetrahedral; the
Acidified permanganate solution oxidises oxalates to carbon dioxide, iron(II) to iron(III), nitrites to nitrates and iodides to free iodine. The half-reactions of reductants are:
The full reaction can be written by adding the half-reaction for
If we represent the reduction of permanganate to manganate, manganese dioxide and manganese(II) salt by half-reactions,
We can very well see that the hydrogen ion concentration of the solution plays an important part in influencing the reaction. Although many reactions can be understood by consideration of redox potential, kinetics of the reaction is also an important factor. Permanganate at
A few important oxidising reactions of
1. In acid solutions:
(a) Iodine is liberated from potassium iodide :
(b)
(c) Oxalate ion or oxalic acid is oxidised at
(d) Hydrogen sulphide is oxidised, sulphur being precipitated:
(e) Sulphurous acid or sulphite is oxidised to a sulphate or sulphuric acid:
(f) Nitrite is oxidised to nitrate:
2. In neutral or faintly alkaline solutions:
(a) A notable reaction is the oxidation of iodide to iodate:
(b) Thiosulphate is oxidised almost quantitatively to sulphate:
(c) Manganous salt is oxidised to
Note: Permanganate titrations in presence of hydrochloric acid are unsatisfactory since hydrochloric acid is oxidised to chlorine.
Uses: Besides its use in analytical chemistry, potassium permanganate is used as a favourite oxidant in preparative organic chemistry. Its uses for the bleaching of wool, cotton, silk and other textile fibres and for the decolourisation of oils are also dependent on its strong oxidising power.
THE INNER TRANSITION ELEMENTS ( f-BLOCK)
The f-block consists of the two series, lanthanoids (the fourteen elements following lanthanum) and actinoids (the fourteen elements following actinium). Because lanthanum closely resembles the lanthanoids, it is usually included in any discussion of the lanthanoids for which the general symbol Ln is often used. Similarly, a discussion of the actinoids includes actinium besides the fourteen elements constituting the series. The lanthanoids resemble one another more closely than do the members of ordinary transition elements in any series. They have only one stable oxidation state and their chemistry provides an excellent opportunity to examine the effect of small changes in size and nuclear charge along a series of otherwise similar elements. The chemistry of the actinoids is, on the other hand, much more complicated. The complication arises partly owing to the occurrence of a wide range of oxidation states in these elements and partly because their radioactivity creates special problems in their study; the two series will be considered separately here.
8.5 The Lanthanoids
The names, symbols, electronic configurations of atomic and some ionic states and atomic and ionic radii of lanthanum and lanthanoids (for which the general symbol Ln is used) are given in Table 8.9.
8.5.1 Electronic Configurations
It may be noted that atoms of these elements have electronic configuration with
8.5.2 Atomic and Ionic Sizes
The overall decrease in atomic and ionic radii from lanthanum to lutetium (the lanthanoid contraction) is a unique feature in the chemistry of the lanthanoids. It has far reaching consequences in the chemistry of the third transition series of the elements. The decrease in atomic radii (derived from the structures of metals) is not quite regular as it is regular in
The cumulative effect of the contraction of the lanthanoid series, known as lanthanoid contraction, causes the radii of the members of the third transition series to be very similar to those of the corresponding members of the second series. The almost identical radii of
8.5.3 Oxidation States
In the lanthanoids,
8.5.4 General Characteristics
All the lanthanoids are silvery white soft metals and tarnish rapidly in air. The hardness increases with increasing atomic number, samarium being steel hard. Their melting points range between 1000 to
Many trivalent lanthanoid ions are coloured both in the solid state and in aqueous solutions. Colour of these ions may be attributed to the presence of
The first ionisation enthalpies of the lanthanoids are around
In their chemical behaviour, in general, the earlier members of the series are quite reactive similar to calcium but, with increasing atomic number, they behave more like aluminium. Values for
are in the range of –2.2 to –2.4 V except for Eu for which the value is - 2.0 V. This is, of course, a small variation. The metals combine with hydrogen when gently heated in the gas. The carbides, Ln3C, Ln2C3 and LnC2 are formed when the metals are heated with carbon. They liberate hydrogen from dilute acids and burn in halogens to form halides. They form oxides M2O3 and hydroxides M(OH)3. The hydroxides are definite compounds, not just hydrated oxides. They are basic like alkaline earth metal oxides and hydroxides. Their general reactions are depicted in Fig. 8.7.
The best single use of the lanthanoids is for the production of alloy steels for plates and pipes. A well known alloy is mischmetall which consists of a lanthanoid metal (~ 95%) and iron (~ 5%) and traces of S, C, Ca and Al. A good deal of mischmetall is used in Mg-based alloy to produce bullets, shell and lighter flint. Mixed oxides of lanthanoids are employed as catalysts in petroleum cracking. Some individual Ln oxides are used as phosphors in television screens and similar fluorescing surfaces.
8.6 The Actinoids
The actinoids are radioactive elements and the earlier members have relatively long half-lives, the latter ones have half-life values ranging from a day to 3 minutes for lawrencium
8.6.1 Electronic Configurations
All the actinoids are believed to have the electronic configuration of
8.6.2 Ionic Sizes
The general trend in lanthanoids is observable in the actinoids as well. There is a gradual decrease in the size of atoms or
8.6.3 Oxidation States
There is a greater range of oxidation states, which is in part attributed to the fact that the
The actinoids show in general +3 oxidation state. The elements, in the first half of the series frequently exhibit higher oxidation states. For example, the maximum oxidation state increases from +4 in
8.6.4 General Characteristics and Comparison with Lanthanoids
The actinoid metals are all silvery in appearance but display a variety of structures. The structural variability is obtained due to irregularities in metallic radii which are far greater than in lanthanoids.
The actinoids are highly reactive metals, especially when finely divided. The action of boiling water on them, for example, gives a mixture of oxide and hydride and combination with most non metals takes place at moderate temperatures. Hydrochloric acid attacks all metals but most are slightly affected by nitric acid owing to the formation of protective oxide layers; alkalies have no action.
The magnetic properties of the actinoids are more complex than those of the lanthanoids. Although the variation in the magnetic susceptibility of the actinoids with the number of unpaired 5 f electrons is roughly parallel to the corresponding results for the lanthanoids, the latter have higher values.
It is evident from the behaviour of the actinoids that the ionisation enthalpies of the early actinoids, though not accurately known, but are lower than for the early lanthanoids. This is quite reasonable since it is to be expected that when 5f orbitals are beginning to be occupied, they will penetrate less into the inner core of electrons. The 5f electrons, will therefore, be more effectively shielded from the nuclear charge than the 4f electrons of the corresponding lanthanoids. Because the outer electrons are less firmly held, they are available for bonding in the actinoids.
A comparison of the actinoids with the lanthanoids, with respect to different characteristics as discussed above, reveals that behaviour similar to that of the lanthanoids is not evident until the second half of the actinoid series. However, even the early actinoids resemble the lanthanoids in showing close similarities with each other and in gradual variation in properties which do not entail change in oxidation state. The lanthanoid and actinoid contractions, have extended effects on the sizes, and therefore, the properties of the elements succeeding them in their respective periods. The lanthanoid contraction is more important because the chemistry of elements succeeding the actinoids are much less known at the present time.
Exercises
Intext Question
8.9 Explain why
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Answer
In an aqueous medium,
8.7 Some Applications of d- and f-Block Elements
Iron and steels are the most important construction materials. Their production is based on the reduction of iron oxides, the removal of impurities and the addition of carbon and alloying metals such as
Summary
The
Corresponding to the filling of
Successive ionisation enthalpies do not increase as steeply as in the main group elements with increasing atomic number. Hence, the loss of variable number of electrons from
The transition elements vary widely in their chemical behaviour. Many of them are sufficiently electropositive to dissolve in mineral acids, although a few are ’noble’. Of the first series, with the exception of copper, all the metals are relatively reactive.
The transition metals react with a number of non-metals like oxygen, nitrogen, sulphur and halogens to form binary compounds. The first series transition metal oxides are generally formed from the reaction of metals with oxygen at high temperatures. These oxides dissolve in acids and bases to form oxometallic salts. Potassium dichromate and potassium permanganate are common examples. Potassium dichromate is prepared from the chromite ore by fusion with alkali in presence of air and acidifying the extract. Pyrolusite ore
The two series of inner transition elements, lanthanoids and actinoids constitute the
There are many useful applications of the
Exercises
8.1 Write down the electronic configuration of:
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
(vi)
(vii)
(viii)
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Answer
(i)
Or,
(ii)
Or,
(iii)
Or,
(iv)
Or,
(v)
Or,
(vi)
Or,
(vii)
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Answer
Electronic configuration of
Electronic configuration of
It is known that half-filled and fully-filled orbitals are more stable. Therefore,
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Answer
Element (+2 state)
Electronic configuration
In all the elements listed, the removal of two
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Answer
The elements in the first-half of the transition series exhibit many oxidation states with Mn exhibiting maximum number of oxidation states ( +2 to +7 ). The stability of +2 oxidation state increases with the increase in atomic number. This happens as more electrons are getting filled in the
following
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Answer
Electronic configuration in ground state | Stable oxidation states | |
---|---|---|
(i) | ||
(ii) | ||
(iii) | ||
(iv) | ||
(v) | There is no |
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Answer
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Answer
As we move along the lanthanoid series, the atomic number increases gradually by one. This means that the number of electrons and protons present in an atom also increases by one. As electrons are being added to the same shell, the effective nuclear charge increases. This happens because the increase in nuclear attraction due to the addition of proton is more pronounced than the increase in the interelectronic repulsions due to the addition of electron. Also, with the increase in atomic number, the number of electrons in the 4 forbital also increases. The 4 felectrons have poor shielding effect. Therefore, the effective nuclear charge experienced by the outer electrons increases. Consequently, the attraction of the nucleus for the outermost electrons increases. This results in a steady decrease in the size of lanthanoids with the increase in the atomic number. This is termed as lanthanoid contraction.
Consequences of lanthanoid contraction
(i) There is similarity in the properties of second and third transition series.
ii. Separation of lanthanoids is possible due to lanthanide contraction.
(iii) It is due to lanthanide contraction that there is variation in the basic strength of lanthanide hydroxides. (Basic strength decreases from
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Answer
Transition elements are those elements in which the atoms or ions (in stable oxidation state) contain partially filled
Elements such as
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Answer
Transition metals have a partially filled
The non-transition elements either do not have a
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Answer
In the lanthanide series, +3 oxidation state is most common i.e., Ln(III) compounds are predominant. However, +2 and +4 oxidation states can also be found in the solution or in solid compounds.
(i) Transition metals and many of their compounds show paramagnetic behaviour.
(ii) The enthalpies of atomisation of the transition metals are high.
(iii) The transition metals generally form coloured compounds.
(iv) Transition metals and their many compounds act as good catalyst.
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Answer
(i) Transition metals show paramagnetic behaviour. Paramagnetism arises due to the presence of unpaired electrons with each electron having a magnetic moment associated with its spin angular momentum and orbital angular momentum. However, in the first transition series, the orbital angular momentum is quenched. Therefore, the resulting paramagnetism is only because of the unpaired electron.
(ii) Transition elements have high effective nuclear charge and a large number of valence electrons. Therefore, they form very strong metallic bonds. As a result, the enthalpy of atomization of transition metals is high.
(iii) Most of the complexes of transition metals are coloured. This is because of the absorption of radiation from visible light region to promote an electron from one of the
(iv) The catalytic activity of the transition elements can be explained by two basic facts.
(a) Owing to their ability to show variable oxidation states and form complexes, transition metals form unstable intermediate compounds. Thus, they provide a new path with lower activation energy,
(b) Transition metals also provide a suitable surface for the reactions to occur.
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Answer
Transition metals are large in size and contain lots of interstitial sites. Transition elements can trap atoms of other elements (that have small atomic size), such as H, C, N, in the interstitial sites of their crystal lattices. The resulting compounds are called interstitial compounds.
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Answer
In transition elements, the oxidation state can vary from +1 to the highest oxidation state by removing all its valence electrons. Also, in transition elements, the oxidation states differ by
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Answer
(i) Preparation of
(a) Potassium dichromate is obtained by the fusion of chromite ore
(b) The solution is filtered and treated with sulphuric acid.
(c) Now sodium dichromate is treated with potassium chloride.
As a result, potassium dichromate is produced.
(ii) Effect of increasing
On increasing
(i) iodide (ii) iron(II) solution and (iii)
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Answer
(i)
(ii)
(iii)
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Answer
Potassium permanganate can be prepared from pyrolusite
The green mass can be extracted with water and then oxidized either electrolytically or by passing chlorine/ozone into the solution.
Electrolytic oxidation
At anode, manganate ions are oxidized to permanganate ions.
Oxidation by chlorine
Oxidation by ozone
(i) Acidified
(ii) Acidified potassium permanganate oxidizes
(iii) Acidified potassium permanganate oxidizes oxalic acid to carbon dioxide.
Use this data to comment upon:
(i) The stability of
(ii) The ease with which iron can be oxidised as compared to a similar process for either chromium or manganese metal.
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Answer
(i) The
(ii) The reduction potentials for the given pairs increase in the following order.
So, the oxidation of
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Answer
Only the ions that have electrons in
Element | Atomic Number | Ionic State | Electronic configuration in ionic state |
---|---|---|---|
22 | |||
23 | |||
29 | |||
21 | |||
25 | |||
26 | |||
27 |
From the above table, it can be easily observed that only
Show Answer
Answer
From the above table, it is evident that the maximum number of oxidation states is shown by
(i) electronic configuration (iii) oxidation state
(ii) atomic and ionic sizes and (iv) chemical reactivity.
Show Answer
Answer
(i) Electronic configuration
The general electronic configuration for lanthanoids is
(ii) Oxidation states
The principal oxidation state of lanthanoids is (+3). However, sometimes we also encounter oxidation states of +2 and +4 . This is because of extra stability of fully-filled and half-filled orbitals. Actinoids exhibit a greater range of oxidation states. This is because the
(iii) Atomic and lonic sizes
Similar to lanthanoids, actinoids also exhibit actinoid contraction (overall decrease in atomic and ionic radii). The contraction is greater due to the poor shielding effect of 5 forbitals.
(iv) Chemical reactivity
In the lanthanide series, the earlier members of the series are more reactive. They have reactivity that is comparable to
(i) Of the
(ii) Cobalt(II) is stable in aqueous solution but in the presence of complexing reagents it is easily oxidised.
(iii) The
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Answer
(i)
(ii)
(iii) The ions in
Show Answer
Answer
It is found that sometimes a relatively less stable oxidation state undergoes an oxidation - reduction reaction in which it is simultaneously oxidised and reduced. This is called disproportionation.
Forexample,
(i)
(ii)
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Answer
In the first transition series, Cu exhibits +1 oxidation state very frequently. It is because
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Answer
Gaseous ions | Number of unpaired electrons | |
---|---|---|
(i) | 4 | |
(ii) | 3 | |
(iii) | 2 | |
(vi) | 1 |
(i)The lowest oxide of transition metal is basic, the highest is amphoteric/acidic.
(ii)A transition metal exhibits highest oxidation state in oxides and fluorides.
(iii) The highest oxidation state is exhibited in oxoanions of a metal.
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Answer
(i) In the case of a lower oxide of a transition metal, the metal atom has a low oxidation state. This means that some of the valence electrons of the metal atom are not involved in bonding. As a result, it can donate electrons and behave as a base.
On the other hand, in the case of a higher oxide of a transition metal, the metal atom has a high oxidation state. This means that the valence electrons are involved in bonding and so, they are unavailable. There is also a high effective nuclear charge.
As a result, it can accept electrons and behave as an acid.
For example,
(ii) Oxygen and fluorine act as strong oxidising agents because of their high electronegativities and small sizes. Hence, they bring out the highest oxidation states from the transition metals. In other words, a transition metal exhibits higher oxidation states in oxides and fluorides. For example, in
(iii) Oxygen is a strong oxidising agent due to its high electronegativity and small size. So, oxo-anions of a metal have the highest oxidation state. For example, in
(i)
(ii)
Show Answer
Answer
(i)
Potassium dichromate
Step (1):Preparation of sodium chromate
Step (2):Conversion of sodium chromate into sodium dichromate
Step(3):Conversion of sodium dichromate to potassium dichromate
Potassium chloride being less soluble than sodium chloride is obtained in the form of orange coloured crystals and can be removed by filtration.
The dichromate ion
Potassium permanganate
The green mass can be extracted with water and then oxidized either electrolytically or by passing chlorine/ozone into the solution.
Electrolytic oxidation
At anode, manganate ions are oxidized to permanganate ions.
Green Purple
Oxidation by chlorine
Oxidation by ozone
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An alloy is a solid solution of two or more elements in a metallic matrix. It can either be a partial solid solution or a complete solid solution. Alloys are usually found to possess different physical properties than those of the component elements.
An important alloy of lanthanoids is Mischmetal. It contains lanthanoids (94-95
Uses
(1) Mischmetal is used in cigarettes and gas lighters.
(2) It is used in flame throwing tanks.
(3) It is used in tracer bullets and shells.
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Inner transition metals are those elements in which the last electron enters the
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Lanthanoids primarily show three oxidation states (+2,+3,+4). Among these oxidation states, +3 state is the most common. Lanthanoids display a limited number of oxidation states because the energy difference between
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The last element in the actinoid series is lawrencium, Lr. Its atomic number is 103 and its electronic configuration is
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Ce :
Magnetic moment can be calculated as:
Where,
The electronic configuration of
In
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The lanthanides that exhibit +2 and +4 states are shown in the given table. The atomic numbers of the elements are given in the parenthesis.
Ce after forming
Eu after forming
(i) electronic configuration
(ii) oxidation states and
(iii) chemical reactivity.
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Electronic configuration
The general electronic configuration for lanthanoids is
Oxidation states
The principal oxidation state of lanthanoids is (+3). However, sometimes we also encounter oxidation states of +2 and +4 . This is because of extra stability of fully-filled and half-filled orbitals. Actinoids exhibit a greater range of oxidation states. This is because the
Chemical reactivity
In the lanthanide series, the earlier members of the series are more reactive. They have reactivity that is comparable to Ca. With an increase in the atomic number, the lanthanides start behaving similar to Al. Actinoids, on the other hand, are highly reactive metals, especially when they are finely divided. When they are added to boiling water, they give a mixture of oxide and hydride. Actinoids combine with most of the non-metals at moderate temperatures. Alkalies have no action on these actinoids. In case of acids, they are slightly affected by nitric acid (because of the formation of a protective oxide layer).
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Atomic number | Electronic configuration |
---|---|
61 | |
91 | |
101 | |
109 |
(i) electronic configurations,
(ii) oxidation states,
(iii) ionisation enthalpies, and
(iv) atomic sizes.
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(i) In the
We know that elements in the same vertical column generally have similar electronic configurations.
In the first transition series, two elements show unusual electronic configurations:
Similarly, there are exceptions in the second transition series. These are:
There are some exceptions in the third transition series as well. These are:
As a result of these exceptions, it happens many times that the electronic configurations of the elements present in the same group are dissimilar.
(ii) In each of the three transition series the number of oxidation states shown by the elements is the maximum in the middle and the minimum at the extreme ends.
However, +2 and +3 oxidation states are quite stable for all elements present in the first transition series. All metals present in the first transition series form stable compounds in the +2 and +3 oxidation states. The stability of the +2 and +3 oxidation states decreases in the second and the third transition series, wherein higher oxidation states are more important.
For example
(iii) In each of the three transition series, the first ionisation enthalpy increases from left to right. However, there are some exceptions. The first ionisation enthalpies of the third transition series are higher than those of the first and second transition series. This occurs due to the poor shielding effect of 4 felectrons in the third transition series.
Certain elements in the second transition series have higher first ionisation enthalpies than elements corresponding to the same vertical column in the first transition series. There are also elements in the
(iv) Atomic size generally decreases from left to right across a period. Now, among the three transition series, atomic sizes of the elements in the second transition series are greater than those of the elements corresponding to the same vertical column in the first transition series. However, the atomic sizes of the elements in the third transition series are virtually the same as those of the corresponding members in the second transition series. This is due to lanthanoid contraction.
Indicate how would you expect the five 3d orbitals to be occupied for these hydrated ions (octahedral).
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The properties of the elements of the first transition series differ from those of the heavier transition elements in many ways.
(i) The atomic sizes of the elements of the first transition series are smaller than those of the heavier elements (elements of
However, the atomic sizes of the elements in the third transition series are virtually the same as those of the corresponding members in the second transition series. This is due to lanthanoid contraction.
(ii) +2 and +3 oxidation states are more common for elements in the first transition series, while higher oxidation states are more common for the heavier elements.
(iii) The enthalpies of atomisation of the elements in the first transition series are lower than those of the corresponding elements in the second and third transition series.
(iv) The melting and boiling points of the first transition series are lower than those of the heavier transition elements. This is because of the occurrence of stronger metallic bonding (
(v) The elements of the first transition series form low-spin or high-spin complexes depending upon the strength of the ligand field. However, the heavier transition elements form only low-spin complexes, irrespective of the strength of the ligand field.
Example Magnetic Moment (BM)
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Magnetic moment
For value
For value
For value
For value
For value
(i)
For in transition metals, the magnetic moment is calculated from the spin-only formula. Therefore,
We can see from the above calculation that the given value is closest to
Hence, we can say that
(ii)
We can see from the above calculation that the given value is closest to
Hence, we can say that
(iii)
We can see from the above calculation that the given value is closest to
Hence, we can say that
“आयरन, कॉपर, सिल्वर और गोल्ड - सभी संक्रमण तत्वों में आते हैं जिन्होंने मानव सभ्यता के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। आंतरिक संक्रमण तत्व जैसे
आवर्त सारणी के
संक्रमण तत्वों की मुख्य रूप से चार श्रेणियाँ हैं,
मूलरूप से संक्रमण धातु नाम इस तथ्य से आया कि इनके रासायनिक गुण
इनके परमाणुओं में आंशिक भरित
अनेक बहुमूल्य धातुएं जैसे सिल्वर, गोल्ड तथा प्लैटिनम और औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण धातुएं जैसे आयरन, कॉपर तथा टाइटेनियम सभी संक्रमण धातुएं हैं।
इस एकक में हम, संक्रमण तत्वों के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास, उपलब्धता तथा सामान्य गुणों पर विचार करेंगे जिसमें प्रथम पंक्ति
संक्रमण तत्व (
4.1 आवर्त शारणी में स्थिति
आवर्त सारणी का बड़ा मध्य भाग
4.2 -ब्लॉक तत्वों के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास
सामान्य रूप से इन तत्वों के बाहय कक्षकों का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास
सारणी 4.1- संक्रमण तत्वों के बाह्य इलेक्ट्रॉनिक विन्यास (मूल अवस्था )
प्रथम श्रेणी | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | ||
21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | |
1 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 2 | |
2 | 5 | 5 | 6 | 7 | 8 | 10 | 10 |
द्वितीय श्रेणी | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Mo | Tc | |||||||||
39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | |
2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 2 | |
1 | 2 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 10 | 10 | 10 | |
तृतीय श्रेणी | ||||||||||
La | Hf | W | Os | Ir | ||||||
57 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | |
2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 9 | 10 | 10 |
चतुर्थ श्रेणी | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
89 | 104 | 105 | 106 | 107 | 108 | 109 | 110 | 111 | 112 | |
2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 2 | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 10 | 10 |
संक्रमण धातुएं तथा इनके यौगिक उत्प्रेरकी गुण व अनुचुंबकीय व्यवहार भी दर्शाते हैं। इन सभी विशेषताओं की विवेचना विस्तार से इस एकक में बाद में की गई है।
असंक्रमण तत्वों के विपरीत संक्रमण तत्वों के गुणों में क्षैतिज समानताएं अधिक पाई जाती हैं। तथापि, कुछ वर्ग समानताएं भी पाई जाती हैं। हम पहले सामान्य अभिलक्षणों तथा उनकी क्षैतिज पंक्ति (प्रमुखतः
उदाहरण 4.1 आप किस आधार पर यह कह सकते हैं कि स्कैन्डियम
हल
स्कैन्डियम की मूल अवस्था में
पाठ्यनिहित प्रश्न
4.1 सिल्वर परमाणु की मूल अवस्था में पूर्ण भरित
4.3 संक्रगण तत्वों (d-ब्लॉक) के सामान्य गुण
लगभग सभी संक्रमण तत्व अभिधात्विक गुण, जैसे उच्च तनन सामर्थ्य (tensile strength), तन्यता (ductility), वर्धनीयता (malleability), उच्च तापीय तथा विद्युत् चालकता एवं धात्विक चमक दर्शाते हैं।
संक्रमण धातुओं की जालक संरचनाएं
4.3.1 भौतिक गुण
संक्रमण धातुएं (ज़िंक, कैडमियम तथा मर्क्यूरी के अपवादों के साथ) अतिकठोर तथा अल्प वाष्पशील होती हैं। इनके गलनांक व क्वथनांक उच्च होते हैं। चित्र 4.1 में
चित्र 4.1- संक्रमण तत्वों के गलनांकों की प्रवृत्तियाँ
चित्र 4.2- संक्रमण तत्वों की कणन एन्थैल्पी की प्रवृत्तियाँ
इलेक्ट्रॉनों की संख्या जितनी अधिक होगी, उतना ही प्रबल परिमाणी आबंधन होगा। चूँकि धातुओं के मानक इलैक्ट्रोड विभव के निर्धारण में कणन एन्थैल्पी एक महत्वपूर्ण कारक है। अतः बहुत उच्च कणन एन्थैल्पी (अर्थात बहुत उच्च क्वथनांक) वाली धातुओं की प्रवृत्ति अभिक्रियाओं में उत्कृष्ट रहने की होती है। (इलैक्ट्रोड विभव के लिए बाद में देखें।)
चित्र 4.2 के आधार पर एक अन्य सामान्य नियम निकाला जा सकता है कि प्रथम संक्रमण श्रेणी के संगत तत्वों की तुलना में द्वितीय तथा तृतीय श्रेणी के तत्वों की कणन एन्थैल्पी के मान अधिक होते हैं; यह भारी संक्रमण धातुओं के यौगिकों में धातु-धातु आबंधों के बहुधा बनने में एक महत्वपूर्ण कारक है।
4.3.2संक्रमण धातुओं के परमाण्विक एवं आयनिक आकारों में परिवर्तन
सामान्यत: श्रेणी में बढ़ते हुए परमाणु क्रमांक के साथ समान आवेश वाले आयनों की त्रिज्याओं में उत्तरोत्तर ह्रास होता है। इसका कारण है कि जब भी नाभिकीय आवेश में वृद्धि होती है, अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन हर बार
चित्र 4.3- संक्रमण तत्वों की परमाणु त्रिज्याओं में प्रवृत्तियाँ
धात्विक त्रिज्या में ह्रास के साथ परमाण्विक द्रव्यमान में वृद्धि के परिणामस्वरूप इन तत्वों के घनत्व में सामान्यतः वृद्धि होती है। इस प्रकार की महत्वपूर्ण घनत्व वृद्धि टाइटेनियम
सारणी 4.2- प्रथम संक्रमण श्रेणी के तत्वों के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास एवं कुछ अन्य गुण
तत्व | Sc | Cr | Mn | Co | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
परमाणु क्रमांक इलेक्ट्रॉॉनिक विन्यार | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | |
M | |||||||||||
[Ar] | - | - | |||||||||
कणन एन्थैल्पी, |
|||||||||||
326 | 473 | 515 | 397 | 281 | 416 | 425 | 430 | 339 | 126 | ||
आयनन एन्थैल्पी |
|||||||||||
I | 631 | 656 | 650 | 653 | 717 | 762 | 758 | 736 | 745 | 906 | |
II | 1235 | 1309 | 1414 | 1592 | 1509 | 1561 | 1644 | 1752 | 1958 | 1734 | |
III | 2393 | 2657 | 2833 | 2990 | 3260 | 2962 | 3243 | 3402 | 3556 | 3837 | |
धात्विक/आयनिक | M | 164 | 147 | 135 | 129 | 137 | 126 | 125 | 125 | 128 | 137 |
त्रिज्याएं/pm | - | - | 79 | 82 | 82 | 77 | 74 | 70 | 73 | 75 | |
73 | 67 | 64 | 62 | 65 | 65 | 61 | 60 | - | - | ||
मानक इलैक्ट्रोड | - | -1.63 | -1.18 | -0.90 | -1.18 | -0.44 | -0.28 | -0.25 | +0.34 | -0.76 | |
विभव |
- | -0.37 | -0.26 | -0.41 | +1.57 | +0.77 | +1.97 | - | - | - | |
घनत्व/g cm |
3.43 | 4.1 | 6.07 | 7.19 | 7.21 | 7.8 | 8.7 | 8.9 | 8.9 | 7.1 |
उदाहरण 4.2 संक्रमण तत्व कणन एन्थैल्पी के उच्च मान क्यों दर्शाते हैं?
हल क्योंकि इनके परमाणुओं में बड़ी संख्या में अयुगलित इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए इनमें प्रबल अंतरापरमाण्विक अन्योन्य क्रिया होती है अतः परमाणुओं के मध्य प्रबल आबंधन के फलस्वरूप कणन एन्थैल्पी उच्च होती है।
पाव्यनिहित प्रश्न
4.2 श्रेणी,
4.3.3आयनन एन्थैल्पी
आंतरिक
होती है परंतु उत्तरोत्तर तत्वों की द्वितीय एवं तृतीय आयनन एन्थैल्पी के मानों में हुई वृद्धि का परिमाण सामान्यतः बहुत अधिक होता है।
सामान्यतः द्वितीय आयनन एन्थैल्पी के मान में नाभिकीय आवेश में वृद्धि के साथ बढ़ने की प्रवृत्ति की अपेक्षा होती है, क्योंकि एक
आयनन एन्थैल्पी का मान प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के नाभिक की ओर आकर्षण, दो इलेक्ट्रॉनों के बीच प्रतिकर्षण और विनिमय ऊर्जा पर निर्भर करता है। ऊर्जा स्तर के स्थायित्व के लिए विनिमय ऊर्जा उत्तरदायी होती है। विनिमय ऊर्जा, अपभ्रष्ट कक्षकों में समदिश प्रचक्रणों के कुल संभव युगलों के लगभग समानुपाती होती है। जब अपभ्रष्ट कक्षकों में अनेक इलेक्ट्रॉन होते हैं तो निम्नतम ऊर्जा वाला स्तर वह होता है जिसमें अधिकतम कक्षकों में समदिश प्रचक्रण वाले एक-एक इलेक्ट्रॉन होते हैं (हुंड का नियम)। विनिमय ऊर्जा का ह्रास होने से स्थायित्व बढ़ता है और स्थायित्व बढ़ने से आयनन कठिन हो जाता है।
यद्यपि आयनन एन्थैल्पियाँ, ऑक्सीकरण अवस्थाओं के तुलनात्मक स्थायित्व से संबंधित कुछ मार्गदर्शन देती हैं, फिर भी यह समस्या बहुत जटिल है और तात्कालिक व्यापकीकरण हेतु संशोधनीय नहीं है।
4.3.4 ऑक्सीकरण अवस्था
संक्रमण तत्वों के विशिष्ट लक्षणों में से एक लक्षण इन तत्त्वों द्वारा यौगिकों में कई ऑक्सीकरण अवस्थाएं दर्शाना है। सारणी 4.3 में प्रथम संक्रमण श्रेणी के तत्त्वों की सामान्य ऑक्सीकरण अवस्थाओं को सूचीबद्ध किया गया है।
सारणी 4.3- प्रथम संक्रमण श्रेणी की धातुओं की ऑक्सीकरण अवस्थाएं ( अति सामान्य ऑक्सीकरण अवस्थाओं को मोटे टाइप में दिखाया गया है।)
Sc | Mn | Co | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
+3 | +2 | +2 | +2 | +2 | +2 | +2 | +2 | +1 | +2 |
+3 | +3 | +3 | +3 | +3 | +3 | +3 | +2 | ||
+4 | +4 | +4 | +4 | +4 | +4 | +4 | |||
+5 | +5 | +5 | |||||||
+6 | +6 | +6 | |||||||
+7 |
अत्यधिक संख्या में ऑक्सीकरण अवस्थाएं दर्शाने वाले तत्व संक्रमण श्रेणी के मध्य में या इसके निकट स्थित हैं। उदाहरणार्थ, मैंगनीज +2 से +7 तक की सभी ऑक्सीकरण अवस्थाएं दर्शाता है। श्रेणी के दोनों किनारों पर ऑक्सीकरण अवस्थाओं की संख्या कम पाई जाती है। इसका कारण तत्वों
परिवर्तनीय ऑक्सीकरण अवस्थाएं जो कि संक्रमण तत्वों की एक विशेषता हैं, का कारण है, अपूर्ण
निम्न ऑक्सीकरण अवस्थाएं तब पाई जाती है जब एक संकुल यौगिक में ऐसे लिगन्ड हों जिनमें
उदाहरण 4.3 ऐसे संक्रमण तत्त्व का नाम बताइए जिसमें परिवर्तनीय ऑक्सीकरण अवस्थाएं नहीं पाई जातीं।
हल
स्कैन्डियम
पाठ्यनिहित प्रश्न
4.3 संक्रमण तत्त्वों की
4.3.5 मानक इलैक्ट्रोड विभवों में प्रवृत्तियाँ
विलयन में ठोस धातु के
कॉपर का घनात्मक
चित्र 4.4-Ti से
सारणी 4.4- प्रथम श्रेणी के संक्रमण तत्वों के ऊष्मा-रासायनिक मान (kJ mol-1) और
तत्त्व |
|||||
---|---|---|---|---|---|
469 | 656 | 1309 | -1866 | -1.63 | |
515 | 650 | 1414 | -1895 | -1.18 | |
398 | 653 | 1592 | -1925 | -0.90 | |
279 | 717 | 1509 | -1862 | -1.18 | |
418 | 762 | 1561 | -1998 | -0.44 | |
427 | 758 | 1644 | -2079 | -0.28 | |
431 | 736 | 1752 | -2121 | -0.25 | |
339 | 745 | 1958 | -2121 | 0.34 | |
130 | 906 | 1734 | -2059 | -0.76 |
उदाहरण 4.4
हल
पाठ्यनिहित प्रश्न
4.4 कॉपर के लिए
4.3.6 मानक इलैक्ट्रोड विभवों में प्रवृत्तियाँ
सारणी 4.2 में
4.3.7 उच्चतम ऑक्सीकरण अवस्थाओं के स्थायित्व की प्रवृत्तियाँ
सारणी 4.5 संक्रमण धातुओं की
अधिकतम ऑक्सीकरण अवस्था को स्थायित्व प्रदान करने की फ्लुओरीन की क्षमता या तो इसकी उच्च जालक ऊर्जा के कारण होती है, जैसे कि
सारणी 4.5-3d धातुओं के हैलाइडों के सूत्र
यहाँ
यद्यपि
तथापि अनेक
ऑक्सीजन की उच्चतम ऑक्सीकरण अवस्था को स्थायित्व प्रदान करने की क्षमता ऑक्साइडों में प्रदर्शित होती है। ऑक्साइडों में उच्चतम ऑक्सीकरण संख्या (सारणी 4.6) उनकी वर्ग संख्या से मेल खाती है और यह
सारणी 4.6-
ऑक्सीकरण | समूह | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
संख्या | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
+7 | ||||||||||
+6 | ||||||||||
+5 | ||||||||||
+4 | ||||||||||
+3 | ||||||||||
+2 | VO | |||||||||
+1 |
उदाहरण 4.5आप श्रेणी
हल
इसका कारण इनके अपचयन के बाद प्राप्त निम्न स्पीशीज़ के स्थायित्व में वृद्धि है।
पाठ्यनिहित प्रश्न
4.5 संक्रमण तत्त्वों की प्रथम श्रेणी में आयनन एन्थैल्पी (प्रथम और द्वितीय) में अनियमित परिवर्तन को आप कैसे समझायेंगे?
4.3.8रासायनिक अभिक्रियाशीलता एवं मान
संक्रमण धातुओं की रासायनिक अभिक्रियाशीलता व्यापक रूप से परिवर्तनशील है। बहुत-सी धातुएं पर्याप्त विद्युतधनीय हैं तथा खनिज अम्लों में विलेय हैं, जबकि कुछ धातुएँ ‘उत्कृष्ट’ हैं, जो कि साधारण अम्लों द्वारा प्रभावित नहीं होती।
कॉपर धातु को छोड़कर प्रथम श्रेणी के तत्व अपेक्षाकृत अधिक अभिक्रियाशील होते हैं जो
उदाहरण 4.6
संक्रमण धातुओं की प्रथम श्रेणी के
-1.18 | -0.91 | -1.18 | -0.44 | -0.28 | -0.25 | +0.34 |
इन मानों में अनियमितता के कारण को समझाइए।
हल
उदाहरण 4.7
हल
इसके लिए
पाठ्यनिहित प्रश्न
4.6 कोई धातु अपनी उच्चतम ऑक्सीकरण अवस्था केवल ऑक्साइड अथवा फ्लुओराइड में ही क्यों प्रदर्शित करती है?
4.7
4.3.9 चुबंकीय गुण
पदार्थ पर चुंबकीय क्षेत्र अनुप्रयुक्त करने पर मुख्यतः दो प्रकार के चुंबकीय व्यवहार प्रदर्शित होते हैं - प्रतिचुंबकत्व (diamagnetism) तथा अनुचुंबकत्व (Paramagnetism)। प्रतिचुंबकीय पदार्थ, अनुप्रयुक्त चुंबकीय क्षेत्र द्वारा प्रतिकर्षित होते हैं परंतु अनुचुंबकीय पदार्थ आकर्षित होते हैं। जो पदार्थ चुंबकीय क्षेत्र में प्रबल रूप से आकर्षित होते हैं, वे लोहचुंबकीय (Ferromagnetic) कहलाते हैं। वास्तव में, लोहचुंबकत्व, अनुचुंबकत्व का चरम स्वरूप है। बहुत से संक्रमण धातु आयन अनुचुंबकीय हैं।
अनुचुंबकत्व की उत्पत्ति, अयुगलित इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति के कारण होती है, प्रत्येक ऐसे अयुगलित इलेक्ट्रॉन का चुंबकीय आघूर्ण (magnetic moment), प्रचक्रण कोणीय संवेग (spin angular momentum) तथा कक्षीय कोणीय संवेग (orbital angular momentum) से संबंधित होता है। प्रथम संक्रमण श्रेणी की धातुओं के यौगिकों में कक्षीय कोणीय संवेग का योगदान प्रभावी रूप से शमित (quench) हो जाता है इसलिए इसका कोई महत्व नहीं रह जाता। अतः इनके लिए चुंबकीय आघूर्ण का निर्धरण उसमें उपस्थित अयुगलित इलेक्ट्रॉनों की संख्या के आधार पर किया जाता है तथा इसकी गणना नीचे दिए गए ‘प्रचक्रण-मात्र’ (Spin only) सूत्र द्वारा की जाती है।
यहाँ
अयुगलित इलेक्ट्रॉनों की बढ़ती संख्या के साथ चुंबकीय आघूर्ण का मान बढ़ता है। अत: प्रेक्षित चुंबकीय आघूर्ण से परमाणुओं, अणुओं तथा आयनों में उपस्थित अयुगलित इलेक्ट्रॉनों की संख्या का संकेत मिलता है। ‘प्रचक्रण-मात्र’ सूत्र द्वारा गणना से प्राप्त चुंबकीय आघूर्ण के मान तथा प्रयोगों के आधार पर निर्धारित प्रथम संक्रमण श्रेणी के तत्वों के चुंबकीय आघूर्णों के मान सारणी 4.7 में दिए गए हैं। प्रायोगिक आँकड़े मुख्य रूप से विलयन में उपस्थित जलयोजित आयनों अथवा ठोस अवस्था के लिए हैं।
सारणी 4.7- चुंबकीय आघूर्ण के परिकलित एवं प्रेक्षित मान (BM)
आयन | विन्यास | अयुग्मित इलेक्ट्रॉन | चुंबकीय आघूर्ण | |
---|---|---|---|---|
परिकलित | प्रेक्षित | |||
0 | 0 | 0 | ||
1 | 1.73 | 1.75 | ||
2 | 2.84 | 2.76 | ||
3 | 3.87 | 3.86 | ||
4 | 4.90 | 4.80 | ||
5 | 5.92 | 5.96 | ||
4 | 4.90 | |||
3 | 3.87 | |||
2 | 2.84 | |||
1 | 1.73 | |||
0 | 0 |
उदाहरण 4.8 जलीय विलयन में द्विसंयोजी आयन के चुंबकीय आघूर्ण की गणना कीजिए; यदि इसका परमाणु क्रमांक 25 है।
हल जलीय विलयन में परमाणु क्रमांक 25 वाले द्विसंयोजी आयन में अयुगलित इलेक्ट्रॉनों की संख्या 5 होगी। अतः इसका चुंबकीय आघूर्ण होगा,
पाठ्यनिहित प्रश्न
4.8
4.3.10 रंगीन आयनों का बनना
चित्र 4.5- प्रथम संक्रमण श्रेणी के कुछ धात्विक आयनों के जलीय विलयनों के रंग। बाईं ओर से दाईं ओर
जब निम्न उर्जा वाले
सारणी 4.8- प्रथम संक्रमण श्रेणी के कुछ जलयोजित धातु आयनों के रंग
विन्यास | उदाहरण | |
---|---|---|
रंगहीन | ||
रंगहीन | ||
नीललोहित | ||
नीला | ||
हरा | ||
बैंगनी | ||
बैंगनी | ||
बैंगनी | ||
नीला | ||
गुलाबी | ||
पीला | ||
हरा | ||
नीला-गुलाबी | ||
हरा | ||
नीला | ||
रंगहीन |
4.3.11 संकुल यौगिकों का बनना
संकुल यौगिक वे यौगिक होते हैं जिनमें धातु आयन निश्चित संख्या में ऋणायन अथवा उदासीन अणुओं से बंधन करके संकुलन स्पीशीज़ बनाते हैं। जिनके अपने अभिलक्षणिक गुण होते हैं। इसके कुछ उदाहरण हैं -
4.3.12 उत्प्रेरकीय गुण
संक्रमण धातुएं तथा इनके यौगिक उत्प्रेरकीय सक्रियता के लिए जाने जाते हैं। संक्रमण धातुओं का यह गुण उनकी परिवर्तनशील संयोजकता एवं संकुल यौगिक के बनाने के गुण के कारण हैं। वैनेडियम (V) ऑक्साइड (संस्पर्श प्रक्रम में), सूक्ष्म विभाजित आयरन (हाबर प्रक्रम में) और निकैल (उत्प्रेरकीय हाइड्रोजनन में) संक्रमण धातुओं के द्वारा उत्प्रेरण के कुछ उदाहरण हैं। उत्प्रेरक के ठोस पृष्ठ पर अभिकारक के अणुओं तथा उत्प्रेरक की सतह के परमाणुओं के बीच आबंधों की रचना होती है। आंबध बनाने के लिए प्रथम संक्रमण श्रेणी की धातुएं
इस उत्प्रेरकीय अभिक्रिया का स्पष्टीकरण इस प्रकार हैं-
4.3.13 अंतराकाशी यौगिकों का बनना
जब संक्रमण धातुओं के क्रिस्टल जालक के भीतर छोटे आकार वाले परमाणु जैसे
(i) अंतराकाशी यौगिकों के गलनांक उच्च होते हैं जो शुद्ध धातुओं से भी अधिक हैं।
(ii) ये अति कठोर होते हैं। यहाँ तक कि कुछ बोराइडों की कठोरता लगभग हीरे की कठोरता के समान होती है।
(iii) इन यौगिकों की धात्विक चालकता सुरक्षित रहती है।
(iv) रासायनिक रूप से अंतराकाशी यौगिक निष्क्रिय होते हैं।
4.3.14 मिश्रातुओं का बनना
मिश्रातु (alloy) विभिन्न धातुओं का सम्मिश्रण होते हैं जो कि धातुओं के सम्मिश्रण से प्राप्त होते हैं। मिश्रातु समांगी ठोस विलयन हो सकते हैं जिनमें एक धातु के परमाणु, दूसरी धातु के परमाणुओं में अनियमित रूप से वितरित रहते हैं। इस प्रकार के मिश्रातुओं की रचनाएं उन परमाणुओं द्वारा होती हैं जिनकी धात्विक त्रिज्याओं में
उदाहरण 4.9
ऑक्सीकरण अवस्था के ‘असमानुपातन’ का क्या अर्थ है? एक उदाहरण दीजिए।
हल
जब एक विशिष्ट ऑक्सीकरण अवस्था उससे कम तथा उच्च ऑक्सीकरण अवस्थाओं की तुलना में कम स्थायी हो तो उसका असमानुपातन होता है। उदाहरण- मैंगनीज (VI), ऑक्सीकरण अवस्था मैंगनीज (VII) तथा मैंगनीज (IV) की तुलना में अम्लीय माध्यम में कम स्थायी है।
पाठ्यनिहित प्रश्न
4.9 स्पष्ट कीजिए कि
4.4 संक्रमण तत्वों के कुण महत्वपूर्ण यौगिक
उच्च ताप पर संक्रमण धातुओं एवं ऑक्सीजन के मध्य अभिक्रिया के फलस्वरूप संक्रमण धातुओं के ऑक्साइड प्राप्त होते हैं। स्कैंडियम के अतिरिक्त सभी धातुएं
4.4.1 धातुओं के ऑक्साइड एवं ऑक्सो-ऋणायन
धातुओं की ऑक्सीकरण संख्या में वृद्धि के साथ ऑक्साइडों के आयनिक गुण में कमी आती है। मैंगनीज का ऑक्साइड,
इस प्रकार
क्रोमेट आयन
पोटैशियम डाइक्रोमेट,
पोटैशियम डाइक्रोमेट चर्म उद्योग के लिए एक महत्त्वपूर्ण रसायन है। इसका उपयोग कई ऐज़ो (azo) यौगिकों को बनाने में ऑक्सीकारक के रूप में किया जाता है। डाइक्रोमेट को सामान्यतः क्रोमेट से बनाया जाता है। क्रोमाइट अयस्क
सोडियम क्रोमेट के पीले विलयन को छानकर उसे सल्फ्यूरिक अम्ल द्वारा अम्लीय बना लिया जाता है जिसमें से नारंगी सोडियम डाइक्रोमेट,
सोडियम डाइक्रोमेट की विलेयता, पोटैशियम डाइक्रोमेट से अधिक होती है। इसलिए सोडियम डाइक्रोमेट के विलयन में पोटैशियम क्लोराइड डालकर पोटैशियम डाइक्रोमेट प्राप्त कर लिया जाता है।
पोटैशियम डाइक्रोमेट के नारंगी रंग के क्रिस्टल, क्रिस्टलीकृत हो जाते हैं। जलीय विलयन में क्रोमेट तथा डाइक्रोमेट का अंतरारूपांतरण होता है जो विलयन के
डाइक्रोमेट आयन
क्रोमेट आयन
सोडियम तथा पोटैशियम डाइक्रोमेट प्रबल ऑक्सीकरण कर्मक का कार्य करते हैं। सोडियम लवण की जल में विलेयता अधिक होती है तथा यह कार्बनिक रसायन में ऑक्सीकरण कर्मक के रूप में अत्यधिक प्रयुक्त किया जाता है। पोटैशियम डाइक्रोमेट का उपयोग आयतनमितीय विश्लेषण में प्राथमिक मानक के रूप में किया जाता है। अम्लीय माध्यम में डाइक्रोमेट आयन की ऑक्सीकरण क्रिया निम्न प्रकार से प्रदर्शित की जा सकती हैं -
इस प्रकार अम्लीय पोटैशियम डाइक्रोमेट, आयोडाइड का ऑक्सीकरण आयोडीन में, सल्फाइड का सल्फर में, टिन (II) का टिन (IV) में तथा आयरन (II) लवण का आयरन (III) लवण में करेगा। अर्ध अभिक्रियाएं निम्न हैं -
संपूर्ण आयनिक अभिक्रिया को पोटैशियम डाइक्रोमेट की ऑक्सीकरण अर्ध अभिक्रिया तथा अपचायकों की अपचयन अर्ध अभिक्रिया को जोड़कर प्राप्त किया जा सकता है।
पोटैशियम परमैंगनेट
पोटैशियम परमैंगनेट को प्राप्त करने के लिए
औद्योगिक स्तर पर इसका उत्पादन
प्रयोगशाला में मैंगनीज (II) आयन के लवण परऑक्सोडाइसल्फेट द्वारा ऑक्सीकृत होकर परमैंगनेट बनाते हैं।
पोटैशियम परमैंगनेट गहरे बैंगनी (लगभग काला) रंग के क्रिस्टल बनाता है जो
O
चतुष्फलकीय मैंगनेट आयन (हरा)
चतुष्फलकीय मैंगनेट आयन (नीललोहित)
इसके दो भौतिक गुण अधिक रोचक हैं — इसका अत्यधिक गहरा रंग तथा प्रतिचुम्बकीय होने के साथ-साथ इसका तापक्रम पर आश्रित दुर्बल अनुचुंबकत्व। इन्हें अणु कक्षक सिद्धांत द्वारा समझाया जा सकता है, जो कि इस पुस्तक की सीमा से बाहर है।
मैंगनेट तथा परमैंगनेट आयन चतुष्फलकीय होते हैं। ऑक्सीजन के
अम्लीय परमैंगनेट विलयन ऑक्सैलेट को कार्बनडाइऑक्साइड में, आयरन (II) लवण को आयरन (III) लवण में, नाइट्राइट को नाइट्रेट में तथा आयोडाइड को मुक्त आयोडीन में ऑक्सीकृत कर देता है। अपचायकों की अर्ध अभिक्रियाएं इस प्रकार हैं-
यदि हम परमैंगनेट के मैंगनेट, मैंगनीज डाइऑक्साइड तथा मैंगनीज (II) लवणों में अपचयन की अर्ध-अभिक्रियाओं को निम्न रूप से प्रदर्शित करें,
तो हम भली प्रकार देख सकते हैं कि विलयन में हाइड्रोजन आयन की सांद्रता अभिक्रियाओं को प्रभावित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। यद्यपि कई अभिक्रियाओं को रेडॉक्स-विभव की सहायता से समझाया जा सकता है लेकिन अभिक्रिया की गतिकी भी एक महत्त्वपूर्ण कारक है। परमैंगनेट आयन द्वारा
1. अम्लीय विलयन में -
(क) पोटैशियम आयोडाइड से आयोडीन मुक्त होती है-
(ख)
(ग)
(घ) हाइड्रोजन सल्फाइड का सल्फर में ऑक्सीकरण, जिसमें सल्फर अवक्षेपित हो जाता है -
(च) सल्फ्यूरस अम्ल अथवा सल्फाइट का सल्फेट अथवा सल्फ्यूरिक अम्ल में ऑक्सीकरण-
(छ) नाइट्राइट का नाइट्रेट में ऑक्सीकरण-
2. उदासीन अथवा दुर्बल क्षारीय माध्यम में-
(क) ध्यान देने योग्य अभिक्रिया है, आयोडाइड का आयोडेट में परिवर्तन-
(ख) थायोसल्फेट का सल्फेट में लगभग मात्रात्मक रूप से आक्सीकरण-
(ग) मैंगनीज लवण का
नोट- हाइड्रोक्लोरिक अम्ल की उपस्थिति में परमैंगनेट का अनुमापन असंतोषजनक है; क्योंकि हाइड्रोक्लोरिक अम्ल क्लोरीन में ऑक्सीकृत हो जाता है।
उपयोग
विश्लेषणात्मक रसायन में उपयोग के अलावा पोटैशियम परमैंगनेट का उपयोग संश्लेषण कार्बनिक रसायन में ऑक्सीकारक के रूप में किया जाता है। इसका उपयोग एक विरंजीकारक के रूप में किया जाता है। ऊनी, सूती, सिल्क वस्त्रों तथा तेलों के विरंजीकरण में इसका उपयोग भी इसकी ऑक्सीकरण क्षमता पर निर्भर करता है।
आंतर संक्रमण तत्व (
4.5 लेन्थेनॉयड
लैन्थेनम तथा लैन्थेनॉयड (जिनके लिए सामान्य संकेत
परमाणु क्रमांक | नाम | संकेत | इलेक्ट्रॉनिक विन्यास* | त्रिज्याएँ | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Ln | ||||||||
57 | लैन्थेनम | La | 187 | 106 | ||||
58 | सीरियम | 183 | 103 | |||||
59 | प्रैजियोडिमियम | 182 | 101 | |||||
60 | नियोडिमियम | 181 | 99 | |||||
61 | प्रोमिथियम | 181 | 98 | |||||
62 | सैमेरियम | 180 | 96 | |||||
63 | यूरोपियम | 199 | 95 | |||||
64 | गैडोलिनियम | Gd | 180 | 94 | ||||
65 | टर्बियम | 178 | 92 | |||||
66 | डिसप्रोसियम | Dy | 177 | 91 | ||||
67 | होल्मियम | Нo | 176 | 89 | ||||
68 | अर्बियम | 175 | 88 | |||||
69 | थूलियम | 174 | 87 | |||||
70 | इटर्बियम | 173 | 86 | |||||
71 | ल्यूटीशियम | - | - | - |
- केवल
क्रोड के बाह्य इलेक्ट्रॉन दर्शाए गए हैं।
4.5.1 इलेक्ट्रॉनिक विन्यास
यह देखा जा सकता है कि इन सभी परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास में
4.5.2 परमाणु एवं आयनिक आकार
लैन्थेनम से ल्युटीशियम तक के तत्वों की परमाणु एवं आयनिक त्रिज्याओं में समग्र ह्रास ( लैन्थेनॉयड आकुंचन) लैन्थेनॉयड तत्वों के रसायन का एक विशिष्ट लक्षण है। इसका तृतीय संक्रमण श्रेणी के तत्वों के रसायन पर दूरगामी प्रभाव होता है। परमाणु त्रिज्याओं के
चित्र 4.6- लैन्थेनॉयडों की आयनिक त्रिज्याओं में प्रवृत्तियाँ
मानों (धातुओं की संरचनाओं से व्युत्पन्न) में पाई गई कमी नियमित नहीं है जैसा कि
लैन्थेनॉयड श्रेणी के आकुंचन का संचयीप्रभाव, लैन्थेनॉयड आकुंचन कहलाता है, जिसके कारण तृतीय संक्रमण श्रेणी की त्रिज्याओं के मान दूसरी संक्रमण श्रेणी के संगत तत्वों की त्रिज्याओं के मानों के लगभग समान हो जाते हैं।
4.5.3 ऑक्सीकरण अवस्थाएं
लैन्थेनॉयड में,
4.5.4 सामान्य अभिलक्षण
सभी लैन्थेनॉयड चाँदी की तरह श्वेत तथा नरम धातुएं हैं और वायु में तुरंत बदरंग हो जाती हैं। परमाणु क्रमांक में वृद्धि के साथ कठोरता में वृद्धि होती है। सैमेरियम स्टील की तरह कठोर होता है। इनके गलनांक 1000 से
अनेक त्रिसंयोजी लैन्थेनॉयड आयन ठोस अवस्था तथा विलयन में रंगीन होते हैं। इन आयनों का रंग
सामान्य रूप से श्रेणी के आरंभ वाले सदस्य अपने रासायनिक व्यवहार में कैल्सियम की तरह बहुत क्रियाशील होते हैं, परंतु बढ़ते परमाणु क्रमांक के साथ यह ऐलुमिनियम की तरह व्यवहार करते हैं।
चित्र 4.7 - लैन्थेनॉयडों की रासायनिक अभिक्रियाएं
अर्ध अभिक्रिया
लैन्थेनॉयडो का सर्वोत्तम उपयोग प्लेट तथा पाइप बनाने के लिए मिश्रातु इस्पात के उत्पादन में है। एक सुप्रसिद्ध मिश्रातु मिश धातु
(misch metal) है जो एक लैन्थेनॉयड धातु ( 95\%) आयरन ( 5\%) तथा लेशमात्र
4.6 ऐक्टिनॉयड
ऐक्टिनॉयडों में
सारणी 4.10- ऐक्टिनियम तथा ऐक्टिनॉयडों के कुछ गुण
परमाणु क्रमांक | नाम | संकेत | इलेक्ट्रॉनिक विन्यास* | त्रिज्याएं/pm | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
89 | ऐक्टिनियम | v | 111 | ||||
90 | थोरियम | Th | 99 | ||||
91 | प्रोटैक्टिनियम | 96 | |||||
92 | यूरेनियम | U | 103 | 93 | |||
93 | नेप्टूनियम | 101 | 92 | ||||
94 | प्लूटोनियम | 100 | 90 | ||||
95 | ऐमेरिशियम | Am | 99 | 89 | |||
96 | क्यूरियम | 99 | 88 | ||||
97 | बर्केलियम | 98 | 87 | ||||
98 | कैलिफोर्नियम | 98 | 86 | ||||
99 | आइन्सटाइनियम | Es | - | - | |||
100 | फर्मियम | - | - | ||||
101 | मेन्डेलीवियम | Md | - | - | |||
102 | नोबेलियम | No | - | - | |||
103 | लॉरेन्शियम | - | - |
- केवल
क्रोड के बाह्य इलेक्ट्रॉन दर्शाए गए हैं।
4.6.1 इलेक्ट्रॉनिक विन्यास
समझा जाता है कि सभी ऐक्टिनॉयडों में
4.6.2 आयनिक आकार
आयनिक आकार के संदर्भ में ऐक्टिनॉयडों की सामान्य प्रवृत्ति भी लैन्थेनॉयडों की ही तरह है। श्रेणी में परमाणु अथवा
4.6.3 ऑक्सीकरण अवस्थाएँ
ऐक्टिनॉयड श्रेणी में ऑक्सीकरण अवस्थाओं का परास अधिक है। आंशिक रूप से इसका कारण
सारणी 4.11 - ऐक्टिनियम तथा ऐक्टिनॉइडों की ऑक्सीकरण अवस्थाएँ
Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | |
4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | |||||||
5 | 5 | 5 | 5 | 5 | ||||||||||
6 | 6 | 6 | 6 |
ऐक्टिनॉयड सामान्यतः +3 ऑक्सीकरण अवस्था दर्शाते हैं। श्रेणी के प्रारंभिक अर्ध-भाग वाले तत्व सामान्यतः उच्च ऑक्सीकरण अवस्थाएं प्रदर्शित करते हैं। उदाहरणार्थ, उच्चतम ऑक्सीकरण अवस्था
4.6.4 सामान्य अभिलक्षण तथा लैन्थेनॉयडों से तुलना
सभी ऐक्टिनॉयड धातुएं देखने में चाँदी की तरह लगती हैं परंतु विभिन्न प्रकार की संरचनाएं दर्शाती हैं। संरचनाओं में भिन्नता का कारण धात्विक त्रिज्याओं में अनियमितताएं हैं, जो लैन्थेनॉयडों से कहीं अधिक हैं।
ऐक्टिनॉयड अत्यधिक अभिक्रियाशील धातुएँ हैं, विशेषकर जब वे सूक्ष्म विभाजित हों। इन पर उबलते हुए जल की क्रिया से ऑक्साइड तथा हाइड्राइड का मिश्रण प्राप्त होता है और अधिकांश अधातुओं से संयोजन, सामान्य ताप पर होता है। हाइड्रोक्लोरिक अम्ल सभी धातुओं को प्रभावित करता है, परंतु अधिकतर धातुएं नाइट्रिक अम्ल द्वारा, अल्प प्रभावित होती हैं, कारण कि इन धातुओं पर ऑक्साइड की संरक्षी सतह बन जाती है। क्षारों का इन धातुओं पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता।
ऐक्टिनॉयडों के चुंबकीय गुण लैन्थेनॉयडों की तुलना में अधिक जटिल हैं। यद्यपि
ऐक्टिनॉयडों के व्यवहार से यह स्पष्ट है कि प्रारंभिक ऐक्टिनॉयडों की आयनन एन्थैल्पी (यद्यपि सही रूप से ज्ञात नहीं है), प्रारंभिक लैन्थेनायडों से कम हैं। यह उचित भी प्रतीत होता है क्योंकि जब
विभिन्न लक्षणों के संदर्भ में जिनका विवेचन ऊपर किया जा चुका है, ऐक्टिनॉयडों की लैन्थेनॉयडों से तुलना करने पर हम पाते हैं कि ऐक्टिनॉयडों में लैन्थेनॉयडों की तरह का व्यवहार, श्रेणी के दूसरे भाग तक पहुँचने तक सुस्पष्ट नहीं होता है। फिर भी प्रारंभिक ऐक्टिनॉयड भी लैन्थेनॉयडों की तरह आपस में सन्निकट समानताएं दर्शाने में तथा गुणों के क्रमिक परिवर्तन प्रदर्शित करने में मिलते-जुलते हैं, जिनमें ऑक्सीकरण अवस्था का परिवर्तित होना सम्मिलित नहीं है। लैन्थेनॉयड तथा ऐक्टिनॉयड आकुंचन का तत्वों के आकार पर विस्तृत प्रभाव पड़ता है और इसीलिए संगत आवर्त में उनके आगे आने वाले तत्वों के गुणों पर भी प्रभाव पड़ता है। लैन्थेनॉयड आकुंचन अधिक महत्वपूर्ण है; क्योंकि एक्टिनॉयडों के पश्चात् आने वाले तत्वों का रसायन अभी तक कम ज्ञात है।
उदाहरण 4.10 लैन्थेनॉयड श्रेणी के एक सदस्य का नाम बतलाइए जो +4 ऑक्सीकरण अवस्था दर्शाता है।
हल सीरियम
पाठ्यनिहित प्रश्न
4.10 लैन्थेनॉयड आकुंचन की तुलना में एक तत्व से दूसरे तत्व के बीच ऐक्टिनॉयड आकुंचन अधिक होता है। क्यों?
4.7 - एवं -ब्लॉक तत्वों के कुछ्छ अनुप्रयोग
लोहा तथा इस्पात अत्यंत महत्वपूर्ण निर्माण सामग्री हैं। इनका उत्पादन आयरन ऑक्साइड के अपचयन, अशुद्धियों के निष्कासन तथा कार्बन व मिश्रात्वन धातुओं, जैसे
उद्योग में महत्वपूर्ण उत्प्रेरक हैं। सल्फ्यूरिक अम्ल के उत्पादन में
शारांश
3 से 12 वर्गों वाला
मुख्य वर्गों के तत्वों की तुलना में, बढ़ते हुए परमाणु क्रमांक के साथ संक्रमण तत्वों की आयनन एन्थैल्पी में अत्यधिक वृद्धि नहीं पाई जाती। अतः
संक्रमण धातुओं के रासायनिक व्यवहार में अत्यधिक विभिन्नता पाई जाती है। इनमें से बहुत सी धातुएं खनिज अम्लों में घुल सकने के लिए पर्याप्त विद्युत धनात्मक होती हैं। यद्यपि इनमें से कुछ ‘उत्कृष्ट’ हैं। प्रथम संक्रमण श्रेणी में कॉपर के अतिरिक्त सभी धातुएं अपेक्षाकृत अभिक्रियाशील हैं।
संक्रमण धातुएं बहुत सी अधातुओं; जैसे— ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर तथा हैलोजन से अभिक्रिया करके द्विअंगी यौगिकों की रचना करती हैं। प्रथम संक्रमण श्रेणी की धातुओं के ऑक्साइड प्राप्त करने के लिए ऑक्सीजन से उच्च ताप पर अभिक्रिया कराई जाती है। ऑक्साइड, अम्लों तथा क्षारों में विलेय होकर ऑक्सोधात्विक लवण बनाते हैं। पोटैशियम डाइक्रोमेट तथा पोटैशियम परमैंगनेट इनके उदाहरण हैं। पोटैशियम डाइक्रोमेट बनाने के लिए क्रोमाइट अयस्क को वायु की उपस्थिति में क्षार के साथ संगलित करने के पश्चात् सत्व को अम्लीकृत किया जाता है। पोटैशियम परमैंगनेट के विरचन में पाइरोलुसाइट अयस्क
आंतरिक संक्रमण तत्वों की दो श्रेणियाँ लैन्थेनॉयड तथा एक्टिनॉयड आवर्त सारणी के
जाती हैं। विभिन्न ऑक्सीकरण अवस्थाओं में स्थित रहने के कारण ऐक्टिनॉयडों का रसायन अधिक जटिल है। पुनश्चः बहुत सी एक्टिनॉइड धातुएं रेडियोधर्मी हैं जो इन धातुओं के अध्ययन को कठिन बना देती हैं।
अभ्यास
4.1 निम्नलिखित के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास लिखिए-
(i)
(iii)
(ii)
(iv)
(v)
(vi)
(vii)
(viii)
4.2
4.3 संक्षेप में स्पष्ट कीजिए कि प्रथम संक्रमण श्रेणी के प्रथम अर्धभाग में बढ़ते हुए परमाणु क्रमांक के साथ +2 ऑक्सीकरण अवस्था कैसे अधिक स्थायी होती जाती है?
4.4 प्रथम संक्रमण श्रेणी के तत्वों के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास किस सीमा तक ऑक्सीकरण अवस्थाओं को निर्धारित करते हैं? उत्तर को उदाहरण देते हुए स्पष्ट कीजिए।
4.5 संक्रमण तत्वों की मूल अवस्था में नीचे दिए गए
4.6 प्रथम संक्रमण श्रेणी के ऑक्सो-धातुऋणायनों का नाम लिखिए; जिसमें धातु संक्रमण श्रेणी की वर्ग संख्या के बराबर ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करती है।
4.7 लैन्थेनॉयड आकुंचन क्या है? लैन्थेनॉयड आकुंचन के परिणाम क्या हैं?
4.8 संक्रमण धातुओं के अभिलक्षण क्या हैं? ये संक्रमण धातु क्यों कहलाती हैं?
4.9 संक्रमण धातुओं के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास किस प्रकार असंक्रमण तत्वों के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास से भिन्न हैं?
4.10 लैन्थेनॉयडों द्वारा कौन-कौन सी ऑक्सीकरण अवस्थाएं प्रदर्शित की जाती हैं?
4.11 कारण देते हुए स्पष्ट कीजिए-
(i) संक्रमण धातुएं तथा उनके अधिकांश यौगिक अनुचुंबकीय हैं।
(ii) संक्रमण धातुओं की कणन एन्थैल्पी के मान उच्च होते हैं।
(iii) संक्रमण धातुएं सामान्यतः रंगीन यौगिक बनाती हैं।
(iv) संक्रमण धातुएं तथा इनके अनेक यौगिक उत्तम उत्प्रेरक का कार्य करते हैं।
4.12 अंतराकाशी यौगिक क्या हैं? इस प्रकार के यौगिक संक्रमण धातुओं के लिए भली प्रकार से ज्ञात क्यों हैं?
4.13 संक्रमण धातुओं की ऑक्सीकरण अवस्थाओं में परिवर्तनशीलता असंक्रमण धातुओं में ऑक्सीकरण अवस्थाओं में परिवर्तनशीलता से किस प्रकार भिन्न है? उदाहरण देकर स्पष्ट कीजिए।
4.14 आयरनक्रोमाइट अयस्क से पोटैशियम डाइक्रोमेट बनाने की विधि का वर्णन कीजिए। पोटैशियम डाइक्रोमेट विलयन पर
4.15 पोटैशियम डाइक्रोमेट की ऑक्सीकरण क्रिया का उल्लेख कीजिए तथा निम्नलिखित के साथ आयनिक समीकरण लिखिए-
(i) आयोडाइड आयन
(ii) आयरन (II) विलयन
(iii)
4.16 पोटैशियम परमैंगनेट को बनाने की विधि का वर्णन कीजिए। अम्लीय पोटैशियम परमैंगनेट किस प्रकार-
(i) आयरन (II) आयन
(ii)
(iii) ऑक्सैलिक अम्ल से अभिक्रिया करता है? अभिक्रियाओं के लिए आयनिक समीकरण लिखिए।
4.17
उपरोक्त आँकड़ों के आधार पर निम्नलिखित पर टिप्पणी कीजिए-
(i) अम्लीय माध्यम में
(ii) समान प्रक्रिया के लिए क्रोमियम अथवा मैंगनीज़ धातुओं की तुलना में आयरन के ऑक्सीकरण में सुगमता।
4.18 निम्नलिखित में कौन से आयन जलीय विलयन में रंगीन होंगे?
4.19 प्रथम संक्रमण श्रेणी की धातुओं की +2 ऑक्सीकरण अवस्थाओं के स्थायित्व की तुलना कीजिए।
4.20 निम्नलिखित के संदर्भ में, लैन्थेनॉयड एवं ऐक्टिनॉयड के रसायन की तुलना कीजिए।
(i) इलेक्ट्रॉनिक विन्यास
(ii) परमाण्वीय एवं आयनिक आकार
(iii) ऑक्सीकरण अवस्था
(iv) रासायनिक अभिक्रियाशीलता।
4.21 आप निम्नलिखित को किस प्रकार से स्पष्ट करेंगे-
(i)
(ii) जलीय विलयन में कोबाल्ट (II) स्थायी है परंतु संकुलनकारी अभिकर्मकों की उपस्थिति में यह सरलतापूर्वक ऑक्सीकृत हो जाता है।
(iii) आयनों का
4.22 असमानुपातन से आप क्या समझते हैं? जलीय विलयन में असमानुपातन अभिक्रियाओं के दो उदाहरण दीजिए।
4.23 प्रथम संक्रमण श्रेणी में कौन सी धातु बहुधा तथा क्यों +1 ऑक्सीकरण अवस्था दर्शाती है?
4.24 निम्नलिखित गैसीय आयनों में अयुगलित इलेक्ट्रॉनों की गणना कीजिए।
4.25 उदाहरण देते हुए संक्रमण धातुओं के रसायन के निम्नलिखित अभिलक्षणों का कारण बताइए-
(i) संक्रमण धातु का निम्नतम ऑक्साइड क्षारकीय है, जबकि उच्चतम ऑक्साइड उभयधर्मी अम्लीय है।
(ii) संक्रमण धातु की उच्चतम ऑक्सीकरण अवस्था ऑक्साइडों तथा फ्लुओराइडों में प्रदर्शित होती है।
(viii) धातु के ऑक्सोऋणायनों में उच्चतम ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित होती है।
4.26 निम्नलिखित को बनाने के लिए विभिन्न पदों का उल्लेख कीजिए -
(i) क्रोमाइट अयस्क से
(ii) पाइरोलुसाइट से
4.27 मिश्रातुएं क्या हैं? लैन्थेनॉयड धातुओं से युक्त एक प्रमुख मिश्रातु का उल्लेख कीजिए। इसके उपयोग भी बताइए।
4.28 आंतरिक संक्रमण तत्व क्या हैं? बताइए कि निम्नलिखित में कौन से परमाणु क्रमांक आंतरिक संक्रमण तत्वों के हैं
4.29 ऐक्टिनॉयड तत्वों का रसायन उतना नियमित नहीं है जितना कि लैन्थेनॉयड तत्वों का रसायन। इन तत्वों की ऑक्सीकरण अवस्थाओं के आधार पर इस कथन का आधार प्रस्तुत कीजिए।
4.30 एक्टिनॉयड श्रेणी का अंतिम तत्व कौन सा है? इस तत्व का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास लिखिए। इस तत्व की संभावित ऑक्सीकरण अवस्थाओं पर टिप्पणी कीजिए।
4.31 हुंड-नियम के आधार पर
4.32 लैन्थेनॉयड श्रेणी के उन सभी तत्वों का उल्लेख कीजिए जो +4 तथा जो +2 ऑक्सीकरण अवस्थाएं दर्शाते हैं। इस प्रकार के व्यवहार तथा उनके इलेक्ट्रॉनिक विन्यास के बीच संबंध स्थापित कीजिए।
4.33 निम्नलिखित के संदर्भ में ऐक्टिनॉयड श्रेणी के तत्वों तथा लैन्थेनॉयड श्रेणी के तत्वों के रसायन की तुलना कीजिए। (i) इलेक्ट्रॉनिक विन्यास (ii) ऑक्सीकरण अवस्थाएं (iii) रासायनिक अभिक्रियाशीलता।
4.35 प्रथम श्रेणी के संक्रमण तत्वों के अभिलक्षणों की द्वितीय एवं तृतीय श्रेणी के वर्गों के संगत तत्वों से क्षैतिज वर्गों में तुलना कीजिए। निम्नलिखित बिंदुओं पर विशेष महत्व दीजिए- (i) इलेक्ट्रॉनिक विन्यास (ii) ऑक्सीकरण अवस्थाएं (iii) आयनन एन्थैल्पी तथा (iv) परमाण्वीय आकार
4.36 निम्नलिखित आयनों में प्रत्येक के लिए
आप इन जलयोजित आयनों (अष्टफलकीय) में पाँच
4.37 प्रथम संक्रमण श्रेणी के तत्व भारी संक्रमण तत्वों के अनेक गुणों से भिन्नता प्रदर्शित करते हैं। टिप्पणी कीजिए।
4.38 निम्नलिखित संकुल स्पीशीज़ के चुंबकीय आघूर्णों के मान से आप क्या निष्कर्ष निकालेंगे?
उदाहरण | चुंबकीय आघूर्ण |
---|---|
2.2 | |
5.3 | |
5.9 |