Kim loại chuyển tiếp là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Kim loại chuyển tiếp là gì?

Kim loại chuyển tiếp là nhóm nguyên tố hóa học nằm ở phần trung tâm của bảng tuần hoàn, bao gồm các nguyên tố thuộc khối d (nhóm 3 đến 12) và khối f (gồm họ lantan và actini). Thuật ngữ "chuyển tiếp" phản ánh vai trò trung gian của chúng giữa các nguyên tố kim loại kiềm/kiềm thổ ở bên trái và các nguyên tố phi kim ở bên phải bảng tuần hoàn.

Kim loại chuyển tiếp được đặc trưng bởi khả năng tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa, tạo phức chất mạnh, có màu đặc trưng do cấu trúc điện tử d hoặc f chưa bão hòa, và thường là chất xúc tác quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học. Chúng đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như luyện kim, xúc tác công nghiệp, công nghệ cao và y học.

Phân loại và vị trí trong bảng tuần hoàn

Kim loại chuyển tiếp được chia thành hai nhóm chính:

• Kim loại chuyển tiếp d-block: Bao gồm các nguyên tố từ nhóm 3 đến nhóm 12, ví dụ như sắt (Fe), đồng (Cu), niken (Ni), kẽm (Zn), bạc (Ag), vàng (Au)...
• Kim loại chuyển tiếp f-block (chuyển tiếp trong): Gồm hai dãy lantan và actini, là các nguyên tố có electron lấp đầy phân lớp 4f và 5f, như cerium (Ce), neodymium (Nd), uranium (U), thorium (Th)...

Nhóm f-block thường được xếp riêng dưới bảng tuần hoàn để giữ cho hình dạng bảng gọn gàng hơn.

Cấu hình electron và ý nghĩa

Đặc điểm quan trọng nhất của kim loại chuyển tiếp là có phân lớp d hoặc f chưa đầy, dẫn đến tính chất đặc trưng như màu sắc, trạng thái oxi hóa đa dạng và khả năng tạo phức. Electron của các nguyên tố này thường điền vào phân lớp d trước khi phân lớp s của lớp kế tiếp hoàn thành.

Ví dụ, cấu hình electron của sắt là:

[Ar] 3d6 4s2

Tuy nhiên, khi ion hóa, electron lớp 4s sẽ mất trước:

Fe2+: [Ar] 3d6

Điều này giải thích vì sao các kim loại này có nhiều trạng thái oxi hóa và tương tác mạnh với các ligand khác nhau.

Trạng thái oxi hóa phong phú

Một trong những đặc điểm nổi bật của kim loại chuyển tiếp là khả năng tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa. Điều này giúp chúng dễ tham gia vào các phản ứng oxi hóa-khử và là thành phần chủ yếu trong các chất xúc tác công nghiệp.

Một số ví dụ điển hình:

• Mangan (Mn): Có các mức oxi hóa từ +2 đến +7. Mangan(VII) tồn tại trong hợp chất permanganat (MnO₄⁻), là chất oxi hóa mạnh.
• Crom (Cr): Có các mức oxi hóa +2, +3 và +6, với Cr(VI) trong hợp chất như CrO₄²⁻ là chất độc và có khả năng oxi hóa cao.
• Sắt (Fe): Thường thấy ở +2 và +3, đóng vai trò trong sinh học (hemoglobin) và công nghiệp (sản xuất thép).

Màu sắc đặc trưng

Hầu hết các ion kim loại chuyển tiếp có màu vì sự chuyển dịch điện tử giữa các mức năng lượng trong phân lớp d. Các ion có các cấu hình electron d chưa đầy có thể hấp thụ ánh sáng ở vùng khả kiến, làm cho các hợp chất của chúng có màu sắc đặc trưng.

Ion kim loại	Màu đặc trưng
Cu2+	Xanh lam
Cr3+	Lục tím
MnO₄−	Tím đậm
Fe3+	Nâu vàng

Khả năng tạo phức chất

Kim loại chuyển tiếp có khả năng tạo phức chất với các phân tử hoặc ion mang cặp electron tự do gọi là ligand. Điều này xảy ra vì các ion kim loại có mật độ điện tích cao và orbital d trống. Các phức chất này có vai trò quan trọng trong hóa học, sinh học và công nghiệp.

Ví dụ:

• [Cu(H₂O)₆]2+: Dung dịch có màu xanh lam, tồn tại trong dung dịch đồng(II) sunfat.
• [Fe(CN)₆]3−: Phức chất với cyanide, thường dùng để kiểm tra sự có mặt của sắt.

Tính xúc tác

Nhờ khả năng thay đổi trạng thái oxi hóa linh hoạt và tạo phức tạm thời với các chất phản ứng, kim loại chuyển tiếp đóng vai trò như chất xúc tác hiệu quả trong nhiều phản ứng.

• Palladium (Pd) và platin (Pt): Dùng trong phản ứng hydro hóa và công nghiệp lọc dầu.
• Vanadi (V): Là chất xúc tác trong quá trình sản xuất axit sulfuric (quá trình tiếp xúc).
• Nickel (Ni): Xúc tác trong phản ứng chuyển hóa dầu thực vật thành bơ thực vật.

Xem thêm: Catalysis in Industry – Britannica

Tính chất từ

Một số kim loại chuyển tiếp thể hiện tính chất từ như sắt từ, phản từ hoặc thuận từ tùy vào cách sắp xếp spin của các electron d. Ví dụ:

• Sắt (Fe), coban (Co), niken (Ni): Có tính sắt từ mạnh, ứng dụng trong sản xuất nam châm vĩnh cửu.
• Mn và Cr: Có tính phản từ hoặc thuận từ tùy vào trạng thái oxi hóa.

Vai trò trong sinh học

Kim loại chuyển tiếp cũng đóng vai trò sinh học thiết yếu:

• Fe: Là thành phần chính trong hemoglobin, giúp vận chuyển oxy trong máu.
• Zn: Là cofactor trong hơn 300 enzym khác nhau, tham gia vào quá trình phân giải protein và tổng hợp DNA.
• Cu: Góp phần vào quá trình hô hấp tế bào và chuyển hóa năng lượng.

Phản ứng hóa học tiêu biểu

Phản ứng khử permanganat trong môi trường axit là ví dụ điển hình cho phản ứng oxi hóa-khử liên quan đến kim loại chuyển tiếp:

$MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O$

Hoặc quá trình oxy hóa ion sắt (II) thành sắt (III):

$Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-$

Ứng dụng thực tiễn

• Công nghiệp luyện kim: Sắt, niken, crom được dùng trong sản xuất hợp kim bền nhiệt và thép không gỉ.
• Điện tử và năng lượng: Lanthan và neodymium dùng trong nam châm đất hiếm và pin lithium-ion.
• Y học: Cisplatin (Pt) là thuốc điều trị ung thư hiệu quả. Radioisotope của Tc dùng trong chẩn đoán hình ảnh y học.
• Nông nghiệp: Vi lượng Zn và Cu cần thiết cho sự phát triển của cây trồng và động vật.

Tài liệu và nguồn tham khảo

• Encyclopædia Britannica – Transition Element
• Chemguide – Transition Metals
• PubChem – Cơ sở dữ liệu hóa học
• Royal Society of Chemistry – Periodic Table