วิชาการ.คอม-บทเรียนออนไลน์-ธาตุแทรนซิชัน | บทเรียน วิชาการ.คอม
เคมี
 

ธาตุแทรนซิชัน

สร้างเมื่อ 07 ก.ค. 2554 15:00:21
  • ระดับม.4
  • 34,157 view

ธาตุแทรนซิชัน
                   นักเรียนได้ศึกษาสมบัติบางประการของธาตุหมู่ A มาแล้ว ต่อไปจะได้ศึกษาธาตุอีกกลุ่มหนึ่งซึ่งอยู่ระหว่างธาตุหมู่ IIA และหมู่ IIIA ที่เรียกว่า ธาตุแทรนซิชัน ประกอบด้วยธาตุหมู่ IB ถึงหมู่ VIIIB รวมทั้งกลุ่มแลนทาไนด์กับกลุ่มแอกทิไนด์ ดังรูป 3.4
 


รูป 3.4  ตารางธาตุแสดงเฉพาะธาตุแทรนซิชัน



               ธาตุแทรนซิชันเหล่านี้มีอยู่ทั้งในธรรมชาติและได้จากการสังเคราะห์ บางธาตุเป็นธาตุกัมมันตรังสีธาตุแทรนซิชันมีสมบัติอย่างไร จะได้ศึกษาต่อไป

3.4.1  สมบัติของธาตุแทรนซิชัน
               นักเคมีจัดธาตุแทรนซิชันไว้ในกลุ่มของธาตุที่เป็นโลหะ แต่ไม่ได้เป็นกลุ่มเดียวกับธาตุหมู่ IA  IIA  และ IIIA  เพราะเหตุใดจึงจัดธาตุแทรนซิชันไว้อีกกลุ่มหนึ่ง เพื่อตอบคำถามนี้ให้ศึกษาสมบัติของธาตุแทรนซิชันเปรียบเทียบกับสมบัติของธาตุหมู่ IA และ IIA ที่อยู่ในคาบเดียวกันจากตาราง 3.5

ตาราง 3.5  สมบัติบางประการของโพแทสเซียม แคลเซียม และธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4


                  - ธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 กับโลหะโพแทสเซียมและแคลเซียม มีสมบัติใดคล้ายกันและสมบัติใดแตกต่างกัน

                   จากตาราง 3.5  พบว่าธาตุแทรนซิชันในคาบที่  4  มีสมบัติหลายประการคล้ายกับโลหะโพแทสเซียมและแคลเซียม เช่น พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 และอิเล็กโทรเนกาติวิตีมีค่าต่ำ แต่จุดหลอมเหลว  จุดเดือด  และความหนาแน่นมีค่าสูง และสูงมากกว่าหมู่ IA และหมู่ IIA ธาตุเทรนซิชัน จึงควรเป็นโลหะ แต่ธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 มีสมบัติบางประการที่แตกต่างจากโลหะโพแทสเซียมและแคลเซียมคือ มีขนาดอะตอมใกล้เคียงกันภายในกลุ่มของธาตุแทรนซิชันเอง แต่มีขนาดเล็กกว่าโลหะโพแทสเซียมและแคลเซียม นักเรียนคิดว่าเพราะเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น ให้พิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุโพแทสเซียมแคลเซียมและธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 ในตาราง 3.6

ตาราง 3.6  การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุโพแทสเซียม แคลเซียม และธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4


* [Ar] แทนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุอาร์กอน



                  -  การจัดอิเล็กตรอนของธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 กับโลหะ K และ Ca แตกต่างกันอย่างไร
                  -  ธาตุแทรนซิชันในคาบที่  4  มีการบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยใด มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่าใด

                   เมื่อพิจารณาข้อมูลในตาราง 3.6  จะเห็นได้ว่าธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 ส่วนใหญ่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 2 และมีจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยที่อยู่ถัดจากระดับพลังงานนอกสุดเข้าไปไม่เท่ากัน เนื่องจากอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายบรรจุอยู่ในระดับพลังงานย่อย  3d เช่น ธาตุ  Sc  มีจำนวนอิเล็กตรอนใน 3d เป็น  1  ธาตุ  Ti ซึ่งอยู่ในลำดับถัดไปมีอิเล็กตรอนใน 3d เป็น 2 และเพิ่มขึ้นจนครบ  10  ในธาตุ Cu การที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นในออร์บิทัล 3d ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนวงในที่สามารถกำบังแรงดึงดูดจากนิวเคลียสที่มีต่ออิเล็กตรอนในออร์บิทัล 4s  ได้มากแม้ว่าประจุในนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น ขนาดอะตอมของธาตุแทรนซิชันคาบที่ 4  จากซ้ายไปขวาจะมีขนาดลดลงเล็กน้อยและไม่แตกต่างกันอย่างชัดเจนเหมือนธาตุโพแทสเซียมและแคลเซียม ดังตาราง 3.5
                   จากการศึกษาเรื่องพันธะเคมีที่ผ่านมา นักเรียนบอกได้หรือไม่ว่า เมื่อธาตุกลุ่ม A ทำปฏิกิริยากัน อิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเป็นอิเล็กตรอนในระดับพลังงานใด และจะเหมือนหรือแตกต่างจากธาตุแทรนซิชันหรือไม่

3.4.2  สารประกอบของธาตุแทรนซิชัน
                 สารเคมีที่ได้ศึกษามาแล้ว เช่นKMnO_4   และCuSO_4   เป็นสารประกอบของธาตุแทรนซิชัน สารประกอบของธาตุในกลุ่มนี้แตกต่างจากสารประกอบของโลหะในกลุ่ม A  อย่างไร นักเรียนจะได้ศึกษาสมบัติของสารประกอบของโครเมียมและแมงกานีส เพื่อเป็นแนวทางในการศึกษาสมบัติของธาตุแทรนซิชันอื่นๆ ต่อไป

การทดลอง 3.3  การศึกษาสมบัติของสารประกอบของโครเมียมและแมงกานีส
ตอนที่ 1  สารประกอบของโครเมียม
1.  ใส่สารละลาย K_2 Cr_2 CO_7   0.1 mol/dm^3จำนวน0.5 dm^3ลงในหลอดทดลองขนาดเล็ก
2.  เติมสารละลายH_2 SO_4  1 mol/dm^3 จำนวน0.5 dm^3เขย่า สังเกตสีของสารละลาย
3.  เติมสารละลายH_2 O_2   เข้มข้นร้อยละ  6  โดยปริมาตร จำนวน  0.5 mol/cm^3เขย่า สังเกตการเปลี่ยนแปลง

ตอนที่ 2  สารประกอบของแมงกานีส
1.  ใส่ NaOH  0.5 g ลงในหลอดทดลองขนาดกลางและใส่  MnO_2   ลงไปจำนวน 0.33 g โดยให้อยู่บน NaOH แล้วเผาจน NaOH หลอมรวมเป็นเนื้อเดียวกับMnO_2    ตั้งไว้ให้เย็นแล้วเติมน้ำกลั่นลงไป  5 cm^3เขย่า และตั้งไว้จนส่วนที่ไม่ละลายตกตะกอน สังเกตสีของสารละลาย
2.  รินสารละลายจากข้อ  1  ประมาณ 2 cm^3ใส่ในหลอดทดลองขนาดกลาง  เติมสารละลายH_2 SO_4   1 mol/dm^3ลงไป 1 cm^3เขย่าและสังเกตการเปลี่ยนแปลง
3.  หยดสารละลายNa_2 S   0.1 mol/dm^3ลงในสารละลายข้อ 2 ทีละหยดและเขย่าจนตะกอนไม่เกิดเพิ่มขึ้น สังเกตสีของตะกอนและสารละลาย กรองแล้วเก็บสารละลายที่กรองได้ไว้ทำการทดลองต่อไป
4.  รินสารละลายจากข้อ 3  ประมาณ  2 cm^3เติมสารละลายNaOH  2mol/dm^3ลงไปทีละหยดพร้อมกับเขย่า สังเกตสีของตะกอนที่เกิดขึ้นครั้งแรก แล้วเขย่าต่อไปอีกประมาณ  2  นาทีสังเกตสีของตะกอนและสารละลาย

ตาราง 3.7  สีของสารประกอบและไอออนของโครเมียมและแมงกานีสในน้ำ

*  ไม่ละลายน้ำ

                  -  สารที่เกิดขึ้นจากการทดลองในแต่ละตอนคือสารใดบ้าง ให้พิจารณาโดยเทียบกับสีของสารและไอออนในตาราง 3.7
                  -  เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในการทดลอง
                  -  เลขออกซิเดชันของแมงกานิสและโครเมียมในแต่ละปฏิกิริยามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร
                  -  สีของสารมีความสัมพันธ์กับเลขออกซิเดชันหรือไม่ อย่างไร

                   เมื่อเปรียบเทียบสีของสารละลายจากผลการทดลองกับข้อมูลในตาราง 3.7  รวมทั้งใช้ความรู้เกี่ยวกับเลขออกซิเดชันของธาตุ สามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจากผลการทดลองในตอนที่  1  ได้ว่า  เมื่อเติมกรดซัลฟิวริกลงในสารละลายโพแทสเซียมไดโครเมต สารละลายยังคงมีสีส้มแสดงว่า {\rmCr}_{\rm 2} O_7^{2 - }ไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง เมื่อเติมสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ลงไปอีกสารหนึ่ง สารละลายเปลี่ยนเป็นสีเขียว แสดงว่าโครเมียมอะตอมใน{\rm Cr}_{\rm 2} O_7^{2 - }ซึ่งมีเลขออกซิเดชัน  +6  เปลี่ยนเป็น Cr^3+ซึ่งมีเลขออกซิเดชัน  +3  เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในตอนที่ 1 ได้ดังนี้


           


ในทำนองเดียวกันจากการทดลองตอนที่  2  เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นได้ดังนี   

                          

             

                   จากผลการทดลองทั้งสองตอนทำให้ทราบว่าโครเมียมและแมงกานีสมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่านอกจากนี้สารประกอบของทั้งโครเมียมและแมงกานีสที่มีเลขออกซิเดชันแตกต่างกันจะมีสีแตกต่างกันด้วย เช่นโครเมียมที่มีเลขออกซิเดชัน  +2  และ  +3  จะมีสีฟ้าและเขียว ตามลำดับ ส่วนแมงกานีสที่มีเลขออกซิเดชัน  +3   +6  และ  +7 จะมีสีน้ำตาล สีเขียว และสีม่วงแดงตามลำดับ
                  นักเรียนคิดว่าเพราะเหตุใดโครเมียมและแมงกานีสจึงมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า เพื่อเป็นแนวทางในการอธิบายธาตุเทรนซิชันอื่นๆ ให้พิจารณาตัวอย่างการจัดเรียงอิเล็กตรอนของโครเมียมและโครเมียมไอออนในตาราง 3.8

ตาราง 3.8  การจัดเรียงอิเล็กตรอนของโครเมียมและโครเมียมไอออนที่มีเลขออกซิเดชันต่างๆ



                   จากตาราง 3.8  จะพบว่าโครเมียมเกิดเป็นไอออนที่มีประจุได้ตั้งแต่  +1  ถึง  +6  โดยที่การเกิดเป็น [tex]Cr^ +[/tex] อะตอมจะเสีย  1 อิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุดก่อนคือ 4s เมื่อเกิดเป็นไอออนที่มีประจุสูงขึ้น อะตอมจะเสียอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงาน 3d การที่โครเมียมสามารถให้อิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ถัดเข้าไปจากระดับพลังงานนอกสุดและเกิดเป็นไอออนที่เสถียร ทำให้โครเมียมมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า ธาตุแทรนซิซันอื่นๆ ก็สามารถให้อิเล็กตรอนในลักษณะเดียวกับโครเมียมและมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่าจึงเกิดสารประกอบได้หลายชนิดซึ่งนักเรียนได้ศึกษาเลขออกซิเดชันของธาตุในสารประกอบของธาตุเหล่านี้มาแล้ว

3.4.3  สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชัน
                 สารประกอบของธาตุแทรนซิชันชนิดต่างๆ เช่น KMnO_4ประกอบด้วยK^ +และMnO_4^ -ส่วนK_3 Fe(CN)_6   ประกอบด้วยK^ +และFe(CN)_6^ 3-ทั้งMnO_4^ -และFe(CN)_6^ 3-จัดเป็นไอออนเชิงซ้อนที่มีธาตุแทรนซิชันเป็นอะตอมกลางและยึดเหนี่ยวกับอะตอมหรือไอออนอื่นๆ ที่มาล้อมรอบด้วยพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ เขียนแสดงได้ดังนี้


 
                      สารประกอบที่ประกอบด้วยไอออนเชิงซ้อนจัดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน ธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่จะเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อย ธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่จะเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีสีต่างๆ กันดังที่ได้ศึกษามาแล้วในการทดลอง 3.3 ต่อไปจะศึกษาว่าสีของสารประกอบของธาตุแทรนซิชันเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของเลขออกซิเดชันเพียงประการเดียวหรือมีปัจจัยอื่นมาเกี่ยวข้องด้วย โดยใช้โลหะทองแดงเป็นตัวอย่างของธาตุแทรนซิชันจากการทดลองต่อไปนี้

การทดลอง 3.4  การเตรียมสารประกอบเชิงซ้อนของทองแดง
               สารประกอบของธาตุแทรนซิชันชนิดต่างๆ เช่น KMnO_4ประกอบด้วยK^ +และMnO_4^ -ส่วนK_3 Fe(CN)_6   ประกอบด้วยK^ +และFe(CN)_6^ 3-ทั้งMnO_4^ -และFe(CN)_6^ 3-จัดเป็นไอออนเชิงซ้อนที่มีธาตุแทรนซิชันเป็นอะตอมกลางและยึดเหนี่ยวกับอะตอมหรือไอออนอื่นๆ ที่มาล้อมรอบด้วยพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ เขียนแสดงได้ดังนี้

                  -  สีของสารที่เตรียมได้แตกต่างจากสารตั้งต้นหรือไม่ อย่างไร
                  -  สารที่เตรียมได้เมื่อเก็บไว้ 1 คืน มีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร

                     จากการทดลองเมื่อเติมสารละลายแอมโมเนียเข้มข้นลงในสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟต จะเกิดตะกอนสีครามของเตตระแอมมีนคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตมอนอไฮเดรต โดยมีสูตรเป็น Cu(NH_3 )SO_4  \cdot H_2 Oซึ่งแตกต่างจากสารตั้งต้นที่มีสีฟ้า การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเขียนสมการแสดงได้ดังนี้


 
                  เมื่อเก็บผลึกไว้ 1 คืนสีของผลึกจะเปลี่ยนเป็นสีเขียวแกมฟ้า เนื่องจากผลึกนี้สลายตัวให้น้ำและแอมโมเนียออกมาอย่างละ 1 โมเลกุลเกิดเป็น Cu(NH_3 )_3 SO_4ดังสมการ
 


                 ถ้าพิจารณาเลขออกซิเดชันของทองแดงในสารประกอบทั้งสามชนิดจะพบว่ามีค่า  +2  เท่ากัน แต่ชนิดและจำนวนโมเลกุลของสารที่มาล้อมรอบคอปเปอร์ (II) ไอออนแตกต่างกัน ตัวอย่างสารประกอบเชิงซ้อนของธาตุอื่นๆ แสดงในตาราง 3.9


                  -  เพราะเหตุใดสารประกอบเชิงซ้อนแต่ละคู่ต่อไปนี้มีสีแตกต่างกัน
                                    ก.  สารลำดับที่  2  กับ  4
                                    ข.  สารลำดับที่  1  กับ  2  และ  6  กับ  7
                                    ค.  สารลำดับที่  3  กับ  4  และ  9  กับ  10
                                    ง.  สารลำดับที่  13  กับ  14
                  -  ปัจจัยใดบ้างที่ทำให้สารประกอบเชิงซ้อนมีสีแตกต่างกัน

                  จากข้อมูลในตาราง 3.9  ช่วยให้มีความรู้ว่าธาตุแทรนซิชันชนิดหนึ่งๆ อาจเกิดเป็นสารประกอบที่มีธาตุองค์ประกอบเหมือนกันได้มากกว่าหนึ่งชนิดสารประกอบแต่ละชนิดมีสีแตกต่างกันซึ่งขึ้นอยู่กับเลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชัน ชนิดและจำนวนโมเลกุลหรือไอออนที่ล้อมรอบธาตุแทรนซิชันนั้น