Overgangsmetaller som katalysatorer: Egenskaber og anvendelser

Overgangsmetaller er nogen af diverse metalliske elementer såsom krom, jern og nickel, der har valenselektroner i to skaller i stedet for kun én. Et valenselektron refererer til et enkelt elektron, der er ansvarlig for atomets kemiske egenskaber. Overgangsmetaller er gode metalliske katalysatorer, fordi de nemt låner og tager elektroner fra andre molekyler. En katalysator er et kemisk stof, der, når det tilføjes en kemisk reaktion, ikke påvirker reaktionens termodynamik, men øger reaktionshastigheden.

Effekt af katalysatorer

Katalysatorer virker ved katalytiske baner ind i reaktionen. De øger hyppigheden af kollissioner mellem reaktanter, men ændrer ikke deres fysiske eller kemiske egenskaber. Katalysatorer påvirker reaktionshastigheden uden at påvirke termodynamikken. Katalysatorer giver dermed en alternativ, lavere-energibane for reaktionen at finde sted på. En katalysator påvirker reaktionens overgangstilstand ved at give overgangstilstanden en lavere-energi-aktiveringsbane.

Overgangsmetaller

Overgangsmetaller forveksles ofte med "d-blok"-metaller i det periodiske system. Selvom overgangsmetaller tilhører d-blokken i det periodiske system af grundstoffer, kan ikke alle d-blok-metaller kaldes overgangsmetaller. For eksempel er scandium og zink ikke overgangsmetaller, selvom de er d-blok-elementer. For at et d-blok-element kan være et overgangsmetal, skal det besidde en ufuldstændig fyldt d-orbital.

Hvorfor overgangsmetaller er gode katalysatorer

Den vigtigste grund til, at overgangsmetaller er gode katalysatorer, er, at de kan låne elektroner eller trække elektroner fra reagenset, afhængigt af reaktionens natur. Evnen til at være i en række oksidationstilstande, evnen til at skifte mellem oksidationstilstande og evnen til at danne komplekser med reagenserne og være en god kilde til elektroner gør overgangsmetaller til gode katalysatorer.

Overgangsmetaller som elektronaccepter og donator

Scandium-ion Sc3+ har ingen d-elektroner og er ikke et overgangsmetal. Zink-ion, Zn2+, har en fuldstændig fyldt d-orbital, og så er det ikke et overgangsmetal. Overgangsmetaller skal have d-elektroner at spare, og de har variable og udvekselbare oksidationstilstande. Kobber er et ideelt eksempel på et overgangsmetal med sine variable oksidationstilstande Cu2+ og Cu3+. Den ufuldstændige d-orbital tillader metallet at lette udveksling af elektroner. Overgangsmetaller kan både give og modtage elektroner nemt, hvilket gør dem gunstige som katalysatorer. En metals oksidationstilstand refererer til metallets evne til at danne kemiske bindinger.

Overgangsmetallers virkemåde

Overgangsmetaller virker ved at danne komplekser med reagenset. Hvis reaktionens overgangstilstand kræver elektroner, gennemgår overgangsmetallerne i metalkomplekserne oxidations- eller reduktionsreaktioner for at levere elektroner. Hvis der er en overskudsopbygning af elektroner, kan overgangsmetallerne holde den ekstra elektron-tæthed, derved at hjælpe reaktionen med at finde sted. Egenskaben ved overgangsmetaller at være gode katalysatorer afhænger også af metallens og overgangsmetalkompleksens absorptions- eller adsorptions-egenskaber.