전이금속(transition metal, 轉移金屬) 또는 전이원소(transition element, 轉移元素)는 주기율표의 d-구역 원소를 말한다. 주기율표의 3족에서 12족 원소가 모두 포함된다. 전이금속이라는 이름은 원소들을 분류하던 초기에 원자번호 순으로 원소를 나열하면 이 원소들이 전형 원소로 전이되는 중간단계 역할을 한다 하여 붙여진 이름이다. 전이금속은 착화합물을 만든다. 결정장 이론과 리간드장 이론이 착화합물의 화학을 설명한다.
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전이금속의 특성
전이금속은 주기율표에서 4~7주기, 3~12족 까지의 원소들을 말한다. 때문에 다른 원소들의 경우 한 주기에서 주족 원소의 화학적 성질이 원자가 전자의 수가 변화함에 따라 크게 변하지만, 전이금속들은 주어진 족에서 뿐만 아니라 같은 주기에서도 많은 유사성을 보여준다. 그 중에서도 첫 주기 전이금속인 스칸듐에서 아연까지는 다른 전이금속 계열을 대표하는 아주 중요한 금속 원소이다.
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 [Ar] 4s^1 3d^5이고, 구리(Cu)는 [Ar] 4s^1 3d^10이다. 이 예외를 설명하기 위한 방법으로는 먼저 4s와 3d오비탈은 에너지 준위가 비슷하여 훈트의 규칙을 따라 홀전자가 최대가 되게 하는 쪽으로 된다고 해석한다.
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.
전이금속은 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.
원자의 크기는 내부의 전자에 의한 가리움 효과에 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.
전이금속의 이온화
전이금속은 특이하게도 이온화되는 과정에서4s 오비탈의 에너지가 3d 오비탈의 에너지보다 상당히 높아진다. 이로 인해 중성원자 상태에서 에너지 준위가 3d 보다 낮았던 4s 오비탈에서 전자가 먼저 나가게 된다.
전이금속의 착이온
전이금속도 일반금속과 마찬가지로 광택, 전기전도성, 열전도성을 가진다. 그 중에서도 비금속과 함께 이온 결합 화합물을 형성하는데, 이 때 일반금속과는 달리 일정 수의 리간드와 함께 착이온 형태로 존재한다. 때문에 착이온은 전이금속과 리간드간 결합이 이루어져 생성된 이온을 말한다.
전이금속의 오비탈 준위 순서
전이금속의 오비탈 준위 순서는 일반적으로 알려진 (n-1)p<<ns<(n-1)d,np 와는 달리 d오비탈 붕괴와 스핀오비탈 상호작용 등 몇몇 요인으로 인해 일반적인 전이금속, 즉 (n-1)p⁶이상의 결합한 원자의 원자가 오비탈, p블록과 d블록에서의 올바른 에너지 순서는 (n-1)p<<(n-1)d<ns<np이다.
참고자료
같이 보기
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