4. ธาตุแทรนซิชัน

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

ธาตุแทรนซิชันเหล่านี้มีอยู่ทั้งในธรรมชาติและได้จากการสังเคราะห์ บางธาตุเป็นธาตุกัมมันตรังสีธาตุแทรนซิชันมีสมบัติอย่างไร จะได้ศึกษาต่อไป

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

ตาราง 3.5  สมบัติบางประการของโพแทสเซียม แคลเซียม และธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4

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

2.  สารประกอบของธาตุแทรนซิชัน
                 สารเคมีที่ได้ศึกษามาแล้ว เช่น KMnO₄   และ CuSO₄   เป็นสารประกอบของธาตุแทรนซิชัน สารประกอบของธาตุในกลุ่มนี้แตกต่างจากสารประกอบของโลหะในกลุ่ม A  อย่างไร นักเรียนจะได้ศึกษาสมบัติของสารประกอบของโครเมียมและแมงกานีส เพื่อเป็นแนวทางในการศึกษาสมบัติของธาตุแทรนซิชันอื่นๆ ต่อไป

การทดลอง 3.3  การศึกษาสมบัติของสารประกอบของโครเมียมและแมงกานีส

ตอนที่ 1  สารประกอบของโครเมียม
1.  ใส่สารละลาย K₂Cr₂CO₇    0.1 mol/dm³จำนวน0.5 dm³ลงในหลอดทดลองขนาดเล็ก
2.  เติมสารละลาย H₂SO₄  1 mol/ dm³ จำนวน dm³0.5 dm³เขย่า สังเกตสีของสารละลาย
3.  เติมสารละลาย H₂O₂   เข้มข้นร้อยละ  6  โดยปริมาตร จำนวน  0.5 mol/cm³เขย่า สังเกตการเปลี่ยนแปลง

ตอนที่ 2  สารประกอบของแมงกานีส

1.  ใส่ NaOH  0.5 g ลงในหลอดทดลองขนาดกลางและใส่ MnO₂     ลงไปจำนวน 0.33 g โดยให้อยู่บน NaOH แล้วเผาจน NaOH หลอมรวมเป็นเนื้อเดียวกับ  MnO₂   ตั้งไว้ให้เย็นแล้วเติมน้ำกลั่นลงไป  5 cm³เขย่า และตั้งไว้จนส่วนที่ไม่ละลายตกตะกอน สังเกตสีของสารละลาย

2.  รินสารละลายจากข้อ  1  ประมาณ 2 cm³ใส่ในหลอดทดลองขนาดกลาง  เติมสารละลาย H₂SO₄   1 mol/ dm³ลงไป 1 cm³เขย่าและสังเกตการเปลี่ยนแปลง
3.  หยดสารละลาย Na₂S   0.1 mol/ dm³ลงในสารละลายข้อ 2 ทีละหยดและเขย่าจนตะกอนไม่เกิดเพิ่มขึ้น สังเกตสีของตะกอนและสารละลาย กรองแล้วเก็บสารละลายที่กรองได้ไว้ทำการทดลองต่อไป
4.  รินสารละลายจากข้อ 3  ประมาณ  2 cm³เติมสารละลายNaOH  2mol/ dm³ลงไปทีละหยดพร้อมกับเขย่า สังเกตสีของตะกอนที่เกิดขึ้นครั้งแรก แล้วเขย่าต่อไปอีกประมาณ  2  นาทีสังเกตสีของตะกอนและสารละลาย

ตาราง 3.7  สีของสารประกอบและไอออนของโครเมียมและแมงกานีสในน้ำ

*  ไม่ละลายน้ำ

เมื่อเปรียบเทียบสีของสารละลายจากผลการทดลองกับข้อมูลในตาราง 3.7  รวมทั้งใช้ความรู้เกี่ยวกับเลขออกซิเดชันของธาตุ สามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจากผลการทดลองในตอนที่  1  ได้ว่า  เมื่อเติมกรดซัลฟิวริกลงในสารละลายโพแทสเซียมไดโครเมต สารละลายยังคงมีสีส้มแสดงว่า Cr₂O₇^2-ไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง เมื่อเติมสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ลงไปอีกสารหนึ่ง สารละลายเปลี่ยนเป็นสีเขียว แสดงว่าโครเมียมอะตอมในCr₂O₇^2-ซึ่งมีเลขออกซิเดชัน  +6  เปลี่ยนเป็นCr³  + ซึ่งมีเลขออกซิเดชัน  +3  เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในตอนที่ 1 ได้ดังนี้

Cr₂O^2-(aq) + 8H⁺(aq) +3H₂O₂(l)      →         2cr³⁺(aq) + 7H₂O(aq)+ 3O₂(g)

ในทำนองเดียวกันจากการทดลองตอนที่  2  เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นได้ดังนี้  

2MnO₂ (s) + 4OH^-(aq) + O₂(g)   ➝    2MnO^2-₇ (aq) + 2H₂O(l) 

สีดำ                                                       สีเขียว

จากผลการทดลองทั้งสองตอนทำให้ทราบว่าโครเมียมและแมงกานีสมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่านอกจากนี้สารประกอบของทั้งโครเมียมและแมงกานีสที่มีเลขออกซิเดชันแตกต่างกันจะมีสีแตกต่างกันด้วย เช่นโครเมียมที่มีเลขออกซิเดชัน  +2  และ  +3  จะมีสีฟ้าและเขียว ตามลำดับ ส่วนแมงกานีสที่มีเลขออกซิเดชัน  +3   +6  และ  +7 จะมีสีน้ำตาล สีเขียว และสีม่วงแดงตามลำดับ

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.  สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชัน
                 สารประกอบของธาตุแทรนซิชันชนิดต่างๆ เช่น KMnO₄ประกอบด้วย K⁺และ MnO₄^-ส่วนK₃Fe(CN)₆ประกอบด้วย K⁺และ Fe(CN)₆^3-ทั้ง MnO₄^-และ Fe(CN)₆^3-จัดเป็นไอออนเชิงซ้อนที่มีธาตุแทรนซิชันเป็นอะตอมกลางและยึดเหนี่ยวกับอะตอมหรือไอออนอื่นๆ ที่มาล้อมรอบด้วยพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ เขียนแสดงได้ดังนี้