English narration · English + 中文 subtitles burned in · การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ
28.1
Transition elements · ธาตุทรานซิชัน
Syllabus · หลักสูตร
English
define a transition element as a d-block element which forms one or more stable ions with incomplete d orbitals
sketch the shape of a $3\text{d}_{xy}$ orbital and $3\text{d}_{z^2}$ orbital
understand that transition elements have the following properties: (a) they have variable oxidation states (b) they behave as catalysts (c) they form complex ions (d) they form coloured compounds
explain why transition elements have variable oxidation states in terms of the similarity in energy of the 3d and the 4s sub-shells
explain why transition elements behave as catalysts in terms of having more than one stable oxidation state, and vacant d orbitals that are energetically accessible and can form dative bonds with ligands
explain why transition elements form complex ions in terms of vacant d orbitals that are energetically accessible
ไทย
นิยาม ธาตุทรานซิชัน เป็น d-block element ที่สร้างไอออนที่เสถียรหนึ่งหรือมากกว่าที่มี orbital d ไม่เต็ม
วาดรูปทรงของ orbital $3\text{d}_{xy}$ และ orbital $3\text{d}_{z^2}$
อธิบายเหตุผลที่ธาตุทรานซิชันมีสถานะออกซิเดชันที่หลากหลายตามความคล้ายคลึงกันของพลังงานของ sub-shell 3d และ 4s
อธิบายเหตุผลที่ธาตุทรานซิชันทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตามการมีสถานะออกซิเดชันที่เสถียรมากกว่าหนึ่งและ orbital d ที่ว่างซึ่งมีพลังงานเข้าถึงได้และสามารถสร้างพันธะโคออร์ดิเนตกับ ลิแกนด์
อธิบายเหตุผลที่ธาตุทรานซิชันสร้างไอออนคอมเพล็กซ์ตาม orbital d ที่ว่างซึ่งมีพลังงานเข้าถึงได้
Source: Cambridge International syllabus · แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
English
A transition element 过渡元素 is a d-block element that forms one or more stable ions with incomplete d orbitals. (Scandium and zinc are in the d-block but are not transition elements, because their stable ions have empty or full d orbitals.)
The 3d orbitals 轨道 have set shapes: the $3\text{d}_{xy}$ orbital has four lobes pointing between the axes, and the $3\text{d}_{z^2}$ orbital has two lobes along the $z$-axis with a ring around the middle.
Four key properties (and why)
Property
Reason
variable oxidation state 氧化态
the 3d and 4s sub-shells are close in energy, so similar small amounts of energy remove different numbers of electrons
act as a catalyst 催化剂
they have more than one stable oxidation state, and vacant d orbitals that can form dative bonds
form complex ions
vacant d orbitals can accept lone pairs
form coloured compounds
electrons move between split d orbitals (see below)
ไทย
ธาตุทรานซิชันคือ d-block element ที่สร้างไอออนเสถียรหนึ่งหรือมากกว่าที่มี d orbitals ไม่เต็ม (Scandium และ zinc อยู่ใน d-block แต่ไม่ใช่ธาตุทรานซิชัน เพราะไอออนเสถียรของพวกมันมี d orbitalsว่างเปล่าหรือเต็มแล้ว)
3d orbitals มีรูปร่างที่กำหนดไว้: $3\text{d}_{xy}$ orbital มีสี่กลีบชี้ระหว่างแกน และ $3\text{d}_{z^2}$ orbital มีสองกลีบตาม $z$-axis พร้อมวงแหวนอยู่ตรงกลาง
สี่คุณสมบัติสำคัญ (และเหตุผล)
คุณสมบัติ
เหตุผล
สถานะออกซิเดชันแปรผัน
sub-shells ของ 3d และ 4s อยู่ใกล้กันด้านพลังงาน ดังนั้นพลังงานเล็กน้อยที่เท่ากันจึงสามารถดึงอิเล็กตรอนจำนวนแตกต่างกันออกไปได้
ทำหน้าที่เป็น ตัวเร่งปฏิกิริยา
พวกมันมีสถานะออกซิเดชันเสถียรหลายระดับ และมี d orbitals ว่างเปล่าที่สามารถสร้างพันธะโคออร์ดิเนต
สร้างไอออนคอมเพล็กซ์
d orbitals ว่างเปล่าสามารถรับคู่โดดเดี่ยวได้
สร้างสารประกอบสี
อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ระหว่าง d orbitals ที่แยกชั้น (ดูด้านล่าง)
describe and explain the reactions of transition elements with ligands to form complexes, including the complexes of copper(II) and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions
define the term ligand as a species that contains a lone pair of electrons that forms a dative covalent bond to a central metal atom/ion
understand and use the terms: (a) monodentate ligand including as examples $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ and $\text{CN}^-$ (b) bidentate ligand including as examples 1,2-diaminoethane, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ and the ethanedioate ion, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ (c) polydentate ligand including as an example $\text{EDTA}^{4-}$
define the term complex as a molecule or ion formed by a central metal atom/ion surrounded by one or more ligands
describe the geometry (shape and bond angles) of transition element complexes which are linear, square planar, tetrahedral or octahedral
(a) state what is meant by coordination number (b) predict the formula and charge of a complex ion, given the metal ion, its charge or oxidation state, the ligand and its coordination number or geometry
explain qualitatively that ligand exchange can occur, including the complexes of copper(II) ions and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions
predict, using $E^\ominus$ values, the feasibility of redox reactions involving transition elements and their ions
describe the reactions of, and perform calculations involving: (a) $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ in acid solution given suitable data (b) $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ in acid solution given suitable data (c) $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$ given suitable data
perform calculations involving other redox systems given suitable data
Source: Cambridge International syllabus · แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
English
A transition metal ion can be surrounded by complex ions 配离子. The species attached are ligands.
A ligand 配体 is a species with a lone pair of electrons that forms a dative covalent bond 配位键 to the central metal ion. (The lone pair 孤对电子 is what it donates.) Ligands are grouped by how many such bonds they can form:
monodentate 单齿: one bond ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$, $\text{CN}^-$).
bidentate 双齿: two bonds (1,2-diaminoethane "en", and the ethanedioate ion $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$).
polydentate 多齿: many bonds ($\text{EDTA}^{4-}$, which uses six).
A complex 配合物 is a central metal atom or ion surrounded by one or more ligands. Its shape can be linear 直线形, square planar 平面正方形, tetrahedral 四面体形 or octahedral 八面体形.
The coordination number 配位数 is the number of dative bonds from the ligands to the central ion (6 → octahedral, 4 → tetrahedral or square planar, 2 → linear). To predict the charge of a complex, add the metal's charge and all the ligand charges.
Ligand exchange
In ligand exchange 配体交换 one ligand replaces another, often with a colour change. For copper(II):
With concentrated $\text{HCl}$ it becomes yellow $[\text{CuCl}_4]^{2-}$; cobalt(II) behaves in a similar way.
Redox reactions of transition ions
Use $E^{\ominus}$ values to predict whether a redox reaction is feasible. Common titrations you should be able to calculate include $\text{MnO}_4^-/\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ and $\text{MnO}_4^-/\text{Fe}^{2+}$ in acid (purple to colourless), and $\text{Cu}^{2+}/\text{I}^-$ (which makes iodine, then titrated with thiosulfate).
Worked example. In acid, $\text{MnO}_4^-$ reacts with $\text{Fe}^{2+}$ in the ratio $1:5$ (see the balanced equation above). A $25.0\ \text{cm}^3$ sample of $\text{Fe}^{2+}$ solution needs $22.0\ \text{cm}^3$ of $0.0200\ \text{mol dm}^{-3}$$\text{KMnO}_4$ to reach the end point. Find the concentration of the $\text{Fe}^{2+}$.
Moles of $\text{MnO}_4^-$ used $= 0.0200 \times \dfrac{22.0}{1000} = 4.40 \times 10^{-4}\ \text{mol}$. Each mole of $\text{MnO}_4^-$ reacts with $5$ moles of $\text{Fe}^{2+}$, so moles of $\text{Fe}^{2+} = 5 \times 4.40 \times 10^{-4} = 2.20 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. This was in $25.0\ \text{cm}^3$, so
ไอออนโลหะทรานซิชันสามารถถูกรอบด้วย ไอออนคอมเพล็กซ์ Species ที่เชื่อมต่อกับมันคือลิแองด์
ลิแองด์ คือ species ที่มีคู่โดดเดี่ยวของอิเล็กตรอนซึ่งสร้าง พันธะโคออร์ดิเนต กับไอออนโลหะ trung tâm ( คู่โดดเดี่ยว คือสิ่งที่มันบริจาค) ลิแองด์ถูกจัดกลุ่มตามจำนวนพันธะดังกล่าวที่มันสามารถสร้างได้:
Why complexes are coloured · เหตุผลที่คอมเพล็กซ์มีสี
Syllabus · หลักสูตร
English
define and use the terms degenerate and non-degenerate d orbitals
describe the splitting of degenerate d orbitals into two non-degenerate sets of d orbitals of higher energy, and use of $\Delta E$ in: (a) octahedral complexes, two higher and three lower d orbitals (b) tetrahedral complexes, three higher and two lower d orbitals
explain why transition elements form coloured compounds in terms of the frequency of light absorbed as an electron is promoted between two non-degenerate d orbitals
describe, in qualitative terms, the effects of different ligands on $\Delta E$, frequency of light absorbed, and hence the complementary colour that is observed
use the complexes of copper(II) ions and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions as examples of ligand exchange affecting the colour observed
ไทย
นิยามและใช้คำศัพท์ degenerate และ non-degenerate d orbitals
อธิบายการแยกของ d orbitals ที่ degenerate เป็นสองกลุ่ม non-degenerate ของ d orbitals ที่มีพลังงานสูงขึ้น และการใช้ $\Delta E$ ใน: (ก) คอมเพล็กซ์ octahedral, d orbitals สูงขึ้นสองตัวและต่ำลงสามตัว (ข) คอมเพล็กซ์ tetrahedral, d orbitals สูงขึ้นสามตัวและต่ำลงสองตัว
อธิบายเหตุผลที่ธาตุทรานซิชันสร้าง สารประกอบที่มีสี ตามความถี่ของแสงที่ถูกดูดซับเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นระหว่าง d orbitals สองตัวที่ไม่ degenerate
Source: Cambridge International syllabus · แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
English
In a free ion the five d orbitals are degenerate 简并 — they have the same energy. When ligands come close, they split the d orbitals into two non-degenerate 非简并 sets, separated by an energy gap $\Delta E$:
octahedral: three lower and two higher orbitals.
tetrahedral: two lower and three higher orbitals.
A complex absorbs light whose frequency matches $\Delta E$, promoting an electron from a lower to a higher d orbital. The colour you see is the complementary colour 互补色 of the light absorbed. Different ligands give a different $\Delta E$, so they change the frequency absorbed and hence the colour — which is why ligand exchange changes the colour.
ไทย
ในไอออนอิสระ d orbitals ทั้งห้าเป็น degenerate — มีพลังงานเท่ากัน เมื่อลิแกนด์เข้ามาใกล้ มันจะแยก d orbitals ออกเป็นสองชุด non-degenerate แยกออกจากกันด้วยช่องว่างพลังงาน $\Delta E$:
octahedral: สาม orbital ต่ำและสอง orbital สูง
tetrahedral: สอง orbital ต่ำและสาม orbital สูง
คอมเพล็กซ์ดูดกลืนแสงที่มีความถี่ตรงกับ $\Delta E$, กระตุ้นอิเล็กตรอนจาก orbital d ต่ำขึ้นสู่ orbital d สูง สีที่คุณ เห็น คือ สีเสริม ของแสงที่ดูดกลืน ลิแกนด์ที่แตกต่างกันให้ช่องว่าง $\Delta E$ ที่ต่างกัน ดังนั้นจึงเปลี่ยนความถี่ที่ดูดกลืนและดังนั้นเปลี่ยนสี — นั่นคือเหตุผลที่การแลกเปลี่ยนลิแกนด์เปลี่ยนสี
Stereoisomerism in complexes · สเตอริโอไอโซเมอร์ในคอมเพล็กซ์
Syllabus · หลักสูตร
English
describe the types of stereoisomerism shown by complexes, including those associated with bidentate ligands: (a) geometrical (cis/trans) isomerism, e.g. square planar such as $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$ and octahedral such as $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ and $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ (b) optical isomerism, e.g. $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$ and $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$
deduce the overall polarity of complexes such as those described in 28.4.1(a) and 28.4.1(b)
Source: Cambridge International syllabus · แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
English
geometrical isomerism 几何异构 (cis 顺式 / trans 反式) appears in square planar complexes such as $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, and in octahedral complexes such as $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$.
optical isomerism 旋光异构 appears in octahedral complexes with bidentate ligands, such as $[\text{Ni}(\text{en})_3]^{2+}$, which has two non-superimposable mirror images.
You can also deduce the polarity of a complex: a cis form may be polar, while the matching trans form is often non-polar because its dipoles cancel.
define the stability constant, $K_{\text{stab}}$, of a complex as the equilibrium constant for the formation of the complex ion in a solvent (from its constituent ions or molecules)
write an expression for a $K_{\text{stab}}$ of a complex ($[\text{H}_2\text{O}]$ should not be included)
use $K_{\text{stab}}$ expressions to perform calculations
describe and explain ligand exchanges in terms of $K_{\text{stab}}$ values and understand that a large $K_{\text{stab}}$ is due to the formation of a stable complex ion
อธิบายและอธิบายการแลกเปลี่ยนลิแกนด์ใน terms of $K_{\text{stab}}$ values และเข้าใจว่าค่า $K_{\text{stab}}$ ที่สูงเป็นผลมาจากการเกิดไอออนคอมเพล็กซ์ที่มีความเสถียร
Source: Cambridge International syllabus · แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
English
The stability constant 稳定常数 ($K_{\text{stab}}$) is the equilibrium constant for forming a complex ion from the metal ion and its ligands in solution (water is left out of the expression).
A large$K_{\text{stab}}$ means a very stable complex. In a ligand exchange, the position moves towards the complex with the larger $K_{\text{stab}}$ — that is why a ligand that forms a more stable complex can push out a weaker one.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · เลือกหนึ่งตัว และเว็บจะติดตามคุณ — หมายเหตุ, ใบงาน, วิดีโอ และการฝึกฝนจะเปิดอยู่ที่นั้น
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · พิมพ์เพื่อค้นหาบันทึก, บทเรียน, โค้ด, คำศัพท์ และคำถามข้อสอบเก่าในทุกวิชา