Metalli di transizione come catalizzatori: proprietà e applicazioni

I metalli di transizione sono elementi metallici come cromo, ferro e nichel che hanno elettroni di valenza in due gusci invece che uno. Un elettrone di valenza è un singolo elettrone responsabile delle proprietà chimiche dell'atomo. I metalli di transizione sono buoni catalizzatori metallici perché cedono e accettano facilmente elettroni da altre molecole. Un catalizzatore è una sostanza chimica che, aggiunta a una reazione, non ne altera la termodinamica ma ne aumenta la velocità.

Effetto dei catalizzatori

I catalizzatori agiscono attraverso vie catalitiche nella reazione. Aumentano la frequenza di collisioni tra reagenti senza cambiarne le proprietà fisiche o chimiche. Influenzano la velocità senza alterare la termodinamica. Forniscono così una via alternativa a minor energia per la reazione. Un catalizzatore influenza lo stato di transizione fornendo un percorso di attivazione a minor energia.

Metalli di transizione

I metalli di transizione sono spesso confusi con i metalli "blocco d" nella tavola periodica. Sebbene appartengano al blocco d, non tutti i metalli del blocco d sono metalli di transizione. Ad esempio, scandio e zinco non lo sono, pur essendo elementi del blocco d. Perché un elemento del blocco d sia un metallo di transizione, deve possedere un orbitale d incompletamente riempito.

Perché i metalli di transizione sono buoni catalizzatori

La ragione principale è che possono cedere o sottrarre elettroni al reagente, a seconda della reazione. La capacità di assumere vari stati di ossidazione, di interconvertirsi tra essi e di formare complessi con i reagenti come fonte di elettroni li rende buoni catalizzatori.

Metalli di transizione come accettori e donatori di elettroni

Lo ione scandio Sc3+ non ha elettroni d e non è un metallo di transizione. Lo ione zinco Zn2+ ha orbitale d completamente riempito e non lo è. I metalli di transizione devono avere elettroni d disponibili e stati di ossidazione variabili e intercambiabili. Il rame è un esempio ideale con stati Cu2+ e Cu3+. L'orbitale d incompleto permette lo scambio di elettroni. I metalli di transizione possono sia donare che accettare elettroni facilmente, favorendo il ruolo catalitico. Lo stato di ossidazione si riferisce alla capacità del metallo di formare legami chimici.

Azione dei metalli di transizione

I metalli di transizione agiscono formando complessi con il reagente. Se lo stato di transizione richiede elettroni, i metalli nei complessi subiscono ossidazione o riduzione per fornirli. Se c'è eccesso di elettroni, i metalli trattengono la densità elettronica in eccesso, facilitando la reazione. La proprietà catalitica dipende anche dalle proprietà di assorbimento o adsorbimento del metallo e del complesso.