Övergångsmetaller är metalliska grundämnen – som krom, järn och nickel – som har valenselektroner i två skal i stället för endast ett. Valenselektronerna är de elektroner som bestämmer atomens kemiska egenskaper. Det som gör övergångsmetallerna till så effektiva katalysatorer är deras unika förmåga att både avge och ta upp elektroner från andra molekyler.
En katalysator är ett kemiskt ämne som, när det tillsätts en kemisk reaktion, ökar reaktionshastigheten utan att påverka reaktionens termodynamik. Nedan förklarar vi närmare hur detta fungerar och varför just övergångsmetaller är så lämpade för uppgiften.
Katalysatorer verkar genom att öppna alternativa reaktionsvägar. De ökar frekvensen av kollisioner mellan reaktanterna utan att förändra deras fysikaliska eller kemiska egenskaper. På så sätt påverkas reaktionshastigheten, men inte reaktionens termodynamik.
I grunden innebär katalys att reaktionen får en alternativ väg med lägre energi. Katalysatorn påverkar reaktionens övergångstillstånd genom att erbjuda en aktiveringsväg med lägre energi, vilket sänker aktiveringsenergin och snabbar upp hela processen.
Övergångsmetaller förväxlas ofta med de så kallade d-blockmetallerna i periodiska systemet. Även om alla övergångsmetaller tillhör d-blocket är det inte alla d-blockelement som räknas som övergångsmetaller. Skandium och zink är exempelvis inte övergångsmetaller, trots att de tillhör d-blocket.
För att ett d-blockelement ska klassificeras som en övergångsmetall krävs att det har en ofullständigt fylld d-orbital. Det är denna egenskap som ger metallerna deras karakteristiska kemiska beteende och deras katalytiska förmågor.
Den viktigaste anledningen till att övergångsmetaller fungerar så väl som katalysatorer är att de kan avge elektroner till reaktanterna eller dra till sig elektroner från dem, beroende på reaktionens natur. Tre egenskaper är särskilt avgörande:
Skandiumjonen Sc3+ saknar d-elektroner och betraktas därför inte som en övergångsmetall. Zinkjonen Zn2+ har en helt fylld d-orbital och räknas av samma skäl inte heller dit. Övergångsmetaller måste ha d-elektroner tillgängliga, och de kännetecknas av variabla och utbytbara oxidationssteg.
Koppar är ett utmärkt exempel med sina växlande oxidationssteg Cu2+ och Cu3+. Den ofullständiga d-orbitalen gör att metallen kan underlätta utbytet av elektroner. Eftersom övergångsmetaller lika lätt kan ge som ta emot elektroner blir de idealiska som katalysatorer. En metals oxidationssteg beskriver dess förmåga att bilda kemiska bindningar.
Övergångsmetaller verkar genom att bilda komplex med reaktanterna. Kräver reaktionens övergångstillstånd elektroner, undergår metallerna i komplexen oxidation eller reduktion för att leverera dem. Uppstår i stället ett överskott av elektroner kan övergångsmetallerna lagra den extra elektrondensiteten, vilket hjälper reaktionen att fortgå.
Även metallens absorptions- och adsorptionsegenskaper spelar roll för hur effektiv katalysatorn är, tillsammans med egenskaperna hos själva övergångsmetallkomplexet. Tillsammans gör dessa faktorer övergångsmetallerna till några av de mest mångsidiga och användbara katalysatorerna inom kemin.
Hälsa och Sjukdom © https://www.sjukdom.online