전이 원소
1. 개요
transition elements/轉移 元素
말 그대로 옮겨간다는 의미를 가지고 있었으며, 따라서 같은 뜻의 천이(遷移)원소라고도 한다. 이런 뜻을 갖게 된 이유는, 원소들을 분류하던 초기에 7족 원소와 1족 원소로 사이에 위치한 원소였기 때문이다. 지금은 딱히 틀린 것은 아니지만 별 의미가 없다. 죄다 금속이라 전이 금속이라고도 한다. 3족부터 12족까지(학자에 따라 11족까지라고 하는 경우도 있다. 12족의 경우엔 d오비탈이 꽉 차있으므로.)의 원소이다. 전이 원소가 아닌 원소들을 통틀어 전형 원소라고 부르나, 전형 원소의 경우 각 족마다 이름이 다 있기 때문에 보통 그 이름을 사용하는 편.
화학 전공자들은 무기화학에서 3족부터 12족까지 외워야하는 경우도 있다. 일반화학 수준의 시험에는 4주기 전이 금속 10개와 팔라듐, 백금, 은, 금, 카드뮴, 수은정도만 나온다. 전이 원소 중 이 16개는 외워놔야한다.
10족 전이 원소인 니켈, 팔라듐, 백금의 경우 유기 화학의 이중 결합 알켄(alkene)에 대한 첨가 반응인 수소화 반응에서 촉매로 사용된다.
대부분 M이나 N껍질에 전자가 채워지고 원자번호의 증가에 따라 안쪽의 전자 껍질에 전자수가 증가하며, 원자가 전자는 대부분 2개이다. 그러므로 전이원소는 족이 달라져도 성질은 비슷하다. 산화수는 다양하다.
순수한 상태에서는 모두 금속이다. 즉, 화합물이 아닌 홑원소물질은 모두 금속이다. 화합물을 이루는 경우에는 대부분 상자성(常磁性)을 띤다. 또 유색화합물이 많고, 착물(錯物)을 만들기 쉬우며, 주기율표 상의 양 옆 족(族)과 유사성이 있다. 대부분 반응성이 약하여 전이원소의 단체나 화합물은 촉매로 쓰이는 경우가 많다. 모두 금속이다 보니 금속의 특징을 고스란히 갖고 있다. 즉, 밀도가 높고, 녹는 점과 끓는 점이 높다. 이는 d 부껍질 전자에 의한 금속 결합으로 인해, 공유 전자 수에 따라 결합이 증가하기 때문이다. 단, 12족은 예외. d 부껍질이 꽉 차있어서 d-d 결합을 할 수 없어서이다. 수은이 좋은 예이다.
전이금속은 coordination chemistry에서 자세하게 다루게된다. 전이금속의 성질상 complex를 이룰때 18전자규칙을 만족하려고한다. 18전자규칙이란 중심 전이금속이 가지고 있는 d전자의 수와 주변 ligand의 전자 수를 총 합하였을 때 18개가 되어야한다는 것이다. 이런 규칙을 만족하는 조건은 strong field가 주어지는 리간드를 가져야하는데 대표적으로 CO ligand가 있다. 이렇게 공유결합을 통해 18전자를 이룬다는 점 때문에 전이금속에 여러가지 ligand를 달아 고분자를 합성하는 촉매로 많이 이용하고있다.
2. 각 족에 대한 문서
희토류 원소
4족 원소
5족 원소
6족 원소
7족 원소
8족 원소
9족 원소
백금족 원소
구리족 원소
3. 특징
1. 전자 배치
보통은 4주기 원소들의 전자배치는 4s 오비탈에 먼저 채워지고 그 후에 3d 오비탈이 채워진다. 이 상태에서 다시 전자를 빼내려고 할 때에는 3d오비탈의 전자들에 의한 가리움 효과에 의해 4s의 에너지 준위가 높아져 먼저 빠져나간다.
하지만 예외적으로 크로뮴(Cr)은 이고, 구리(Cu)는 이다. 이 예외를 설명하기 위한 방법으로는 먼저 4s와 3d오비탈은 에너지 준위가 비슷하여 훈트의 규칙을 따라 홀전자가 최대가 되게 하는 쪽으로 된다고 해석한다.
2. 환원전위.
원자번호가 커질수록 대체적으로 환원전위가 증가한다. 대부분의 4주기 전이금속들은 음수의 값을 갖고 있고, 예외적으로 구리(Cu)만 양수 값을 갖고 있다. 따라서 Cu를 제외한 다른 것들은 수소이온과 만나 수소기체를 형성하고 만약 여러 전이금속이 있다면 환원/산화 전위가 클수록 그 반응이 우선적으로 반응한다.
3. 산화수
전이 금속은 1가지 이상의 산화 상태를 갖고 있다. 스칸듐(Sc)부터 망가니즈(Mn)까지는 전자를 4s, 3d에서 모두 빼낼 수 있어 최대 산화수가 각각 3, 4, 5, 6, 7이고, 철부터는 유효핵전하가 증가해 에너지 준위가 상대적으로 높은 4s의 전자들만 빠지고 3d의 전자들은 쉽게 빠져나가지 못한다. 그래서 철부터 아연까지는 주로 2+의 산화수를 갖게 된다.
4. 란타넘족 수축
원자의 크기는 내부의 전자에 의한 가리움효과에 의해 바깥 전자들이 중심에서 멀어지고, 원자 사이즈가 커진다. 하지만 5d 이후 4f오비탈의 전자가 5d오비탈 안의 원자와 비슷한 에너지 준위를 갖고 있어, 5d가 큰 가리움 효과를 크게 주지 못하고 원자번호가 증가할수록 유효핵전하가 계속 커져 전체적으로 중심방향으로 수축하게 된다.