Configuración Electrónica de los Elementos d-block

Los elementos del bloque d son aquellos que se pueden encontrar en la tabla periódica contemporánea desde el tercer al duodécimo grupo. Los electrones de valencia de estos elementos se encuentran en el orbital d. Los elementos del bloque d a veces se conocen como elementos de transición o metales de transición. Los orbitales 3d, 4d y 5d están representados por las tres primeras filas de los elementos del bloque d, respectivamente.

Los elementos del bloque d son aquellos que tienen electrones (1 a 10) en el orbital d del penúltimo nivel de energía y en el orbital más externo (1-2). A pesar de que los electrones no llenan el orbital ‘d’ en los metales del grupo 12, su química es comparable a la de los grupos anteriores en muchos aspectos, y por lo tanto se clasifican como elementos del bloque d. Las propiedades metálicas como maleabilidad y ductilidad, alta conductividad eléctrica y térmica y buena resistencia a la tracción son típicas de estos elementos. El bloque d se divide en cuatro series, cada una de las cuales corresponde al llenado de los orbitales 3d, 4d, 5d o 6d. Cada serie tiene diez elementos que ocupan el orbital ‘d’.

• 3d: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn
• 4d: Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd
• 5d: La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg
• 6d: incompleto.

Los elementos del bloque d

Los grupos 4 a 11 están formados por elementos de transición. Los elementos de transición incluyen escandio e itrio del Grupo 3, que tienen una subcapa d parcialmente llena en forma metálica. Los elementos en las 12 columnas del bloque d, como Zn, Cd y Hg, tienen orbitales d completamente llenos y, por lo tanto, no se consideran elementos de transición. Los elementos de transición obtienen su nombre del hecho de que se colocan entre los elementos de bloque s y p y tienen características que hacen la transición entre ellos. Entonces, mientras que todos los metales de transición son elementos de bloque d, no todos los metales de transición son elementos de transición.

Propiedades de los metales de transición

• Entre sus suborbitales (n+1) s y (n+1) p, se añaden electrones a los suborbitales ‘d’.
• En la tabla periódica, se encuentra entre los elementos del bloque s y p.
• Las diferencias en las propiedades entre los elementos del bloque s y p.

En las tres series de transiciones,

1. La energía de ionización de los elementos crece gradualmente en una fila.
2. La densidad, la electronegatividad, las conductividades eléctricas y térmicas aumentan desde la izquierda de la serie 3d hasta la esquina derecha de los elementos de transición 5d, mientras que las entalpías de hidratación de los cationes metálicos disminuyen.

Esto sugiere que los metales de transición se están volviendo menos reactivos y de naturaleza más «noble». Los metales (Pt, Au) en la esquina inferior derecha del bloque d tienen energías de ionización tan altas, electronegatividad creciente y entalpías bajas de hidratación decrecientes que comúnmente se les conoce como «metales nobles».

Configuración Electrónica de Elementos d-Block

La configuración eléctrica de los elementos del bloque D es (n-1)d ^1-10 ns ^1-2 . Los orbitales medio llenos y los orbitales d completamente llenos son estables para estos elementos. La configuración electrónica del cromo, que incluye orbitales d y s medio llenos en su configuración (3d ⁵ 4s ¹ ) es un ejemplo de esto. La configuración electrónica del cobre es otro ejemplo. El cobre tiene un arreglo electrónico 3d ¹⁰ 4s ^{1 en lugar de un 3d 9} 4s ². La estabilidad relativa del orbital d completamente lleno puede deberse a esto. Tanto en su estado de oxidación fundamental como general, el zinc, el mercurio, el cadmio y el copernicio tienen orbitales totalmente llenos. Como resultado, estos metales no se clasifican como elementos de transición, mientras que el resto se clasifican como elementos de bloque d.

• Período 4, la configuración electrónica de los elementos de transición es (Ar) 4s ^1-2 3d ^1-10 .
• Período 5, la configuración electrónica de los elementos de transición es (Kr) 5s ^1-2 4d ^1-10 .
• Período 6, la configuración electrónica de los elementos de transición es (Xe) 4s ^1-2 3d ^1-10 .

De acuerdo con el principio de Aufbau y la regla de multiplicidad de Hund, los electrones se agregan a la subcapa 3d de izquierda a derecha a lo largo del período.

Elemento	Configuración electrónica
Carolina del Sur	4s 2 3d 1
ti	4s 2 3d 2
V	4s 2 3d 3
cr	4s 1 3d 5
Minnesota	4s 2 3d 5
Fe	4s 2 3d 6
Co	4s 2 3d 7
Ni	4s 2 3d 8
cobre	4s 1 3d 10
zinc	4s 2 3d 10

Todas las series tienen anomalías, que pueden explicarse por las siguientes consideraciones.

1. La distancia entre los orbitales ns y (n-1) d en términos de energía.
2. Los orbitales medio llenos son más estables que los orbitales parcialmente llenos.
3. Emparejamiento de energía para electrones en orbitales s.

El cromo tiene una configuración electrónica 4s ¹ 3d ⁵ en lugar de una configuración electrónica 4s ² 3d ⁴ , mientras que el cobre tiene una configuración electrónica 4s ¹ 3d ¹⁰ en lugar de una 4s ² 3d ⁹ . La estabilidad de los orbitales medio llenos en relación con los orbitales parcialmente llenos explica estas rarezas en la primera serie de transición.

Desde el niobio en adelante, la presencia de electrones en los orbitales d parece preferirse al intercambio de electrones en los orbitales s en la segunda serie de metales de transición. El electrón puede elegir entre compartir el orbital s o ser estimulado al orbital d desde los orbitales s y d disponibles. Obviamente, la elección está determinada por la cantidad de energía repulsiva superada durante el intercambio y la diferencia de energía entre los orbitales s y d.

Debido a que los orbitales s y d tienen aproximadamente la misma energía en la segunda serie, los electrones eligen ocupar el orbital d. Como resultado, el orbital s tiene solo un electrón en el niobio. Los metales de transición de la tercera serie, por otro lado, tienen un mayor número de configuraciones s emparejadas, incluso a expensas de orbitales medio llenos. Esta serie sigue el llenado de los orbitales 4f y la contracción de los lantánidos que sigue.

Debido al tamaño más pequeño, el electrón ‘f’ proporciona una gran protección para los orbitales d. La brecha de energía entre los orbitales s y 5d aumenta como resultado del blindaje, y la energía de emparejamiento es menor que la energía de excitación. A pesar de la estabilidad proporcionada por los orbitales medio llenos, el tungsteno no permite la excitación de electrones.

Ejemplos de preguntas 

Pregunta 1: ¿Cuáles son las propiedades metálicas de los metales de transición?

Solución:

La maleabilidad, la ductilidad, la alta resistencia a la tracción y el brillo metálico son características de los metales de transición. Tienen tendencia a cristalizar y generalmente son buenos conductores de calor y electricidad. Por otro lado, se pueden ver tendencias en las propiedades metálicas de los elementos de transición. Elementos como el cromo y el molibdeno se encuentran entre los metales de transición más duros porque contienen una gran cantidad de electrones desapareados.

Pregunta 2: ¿Cuáles son los usos de los metales de transición?

Solución:  

El níquel es un metal de transición que se utiliza en gran medida en la producción de acero inoxidable. El cobre, un metal de transición con alta resistencia a la tracción, maleabilidad, ductilidad y conductividad eléctrica, se usa comúnmente en cables eléctricos.

Pregunta 3: ¿Por qué algunos metales de transición se denominan metales nobles?

Solución:

Los metales nobles son elementos en el bloque d de la esquina inferior derecha de la tabla periódica moderna (como el oro, la plata y el platino). Estos metales son particularmente poco reactivos debido a sus bajas entalpías de hidratación y altas entalpías de ionización.

Pregunta 4: ¿Qué son los elementos de transición interna?

Solución:

La tabla periódica divide los elementos en dos grupos: lantánidos y actínidos. Los elementos de transición interna componen un total de 30 elementos en estas categorías. A menudo se colocan detrás de la sección central de la tabla periódica.

Pregunta 5: ¿Por qué todos los elementos de transición son metales?

Solución:

Los elementos de transición son todos metales porque sus capas más externas tienen solo dos electrones. Debido a los fuertes enlaces metálicos, también son maleables, duros y dúctiles.