Ciri-ciri Umum Kimia Logam Transisi

Ditulis oleh Jim Clark pada 06-10-2007

Halaman ini menjelaskan apa yang dimaksud dengan logam transisi berdasarkan syarat-syarat struktur elektronik, dan kemudian diteruskan dengan melihat ciri-ciri umum kimia logam transisi. Termasuk didalamnya perubahan tingkat oksidasi (bilangan oksidasi), pembentukan ion kompleks, ion berwarna, dan aktivitas katalitik.

Struktur elektronik logam transisi

Apakah logam transisi itu?

Istilah logam transisi (atau unsur) dan unsur blok d kadang-kadang dapat digunakan secara bersamaan jika keduanya memberikan arti yang sama. Keduanya tidak sama - terdapat perbedaan yang tidak kentara diantara dua istilah tersebut.

Kita akan membahas unsur-unsur blok d terlebih dahulu:

unsur-unsur blok d

Kamu akan mengingat bahwa ketika kamu membuat tabel periodik dan ketika meletakkan elektron, sesuatu yang ganjil terjadi setelah argon.

Pada argon, tingkat 3s dan 3p terisi penuh, tetapi setelah itu daripada mengisi tingkat 3d berikutnya, malahan mengisi tingkat 4s terlebih dahulu menghasilkan kalium dan kemudian kalsium.

Setelah itu baru tingkat orbital 3d yang akan diisi.

Unsur-unsur dalam tabel periodik yang bersesuaian dengan pengisian tingkat d disebut dengan unsur-unsur blok d. Baris pertama ditunjukkan melalui tabel periodik singkat di bawah ini.

Struktur elektronik unsur-unsur blok d adalah sebagai berikut:

Sc		[Ar] 3d¹4s²
Ti		[Ar] 3d²4s²
V		[Ar] 3d³4s²
Cr		[Ar] 3d⁵4s¹
Mn		[Ar] 3d⁵4s²
Fe		[Ar] 3d⁶4s²
Co		[Ar] 3d⁷4s²
Ni		[Ar] 3d⁸4s²
Cu		[Ar] 3d¹⁰4s¹
Zn		[Ar] 3d¹⁰4s²

Kamu dapat memperhatikan bahwa pola pengisiannya sama sekali tidak teratur! Pola ini dilanggar pada kromium dan tembaga.

Logam-logam transisi

Tidak semua unsur-unsur blok d termasuk sebagai logam transisi! Ada ketidakcocokan pada berbagai UK-based syllabus, tetapi pada umumnya menggunakan definisi:

Logam transisi adalah sesuatu yang dapat membentyk saty atau lebih ion stabil yang memiliki orbidal d yang tidak terisi (incompletely filled d orbitals.)

Berdasarkan pengertian ini, skandium dan seng tidak termasuk logam transisi - sekalipun termasuk anggota blok d.

Skandium memiliki struktur elektronik [Ar] 3d¹4s². Ketika skandium membentuk ion, skandium selalu kehilangan 3 elektron terluar dan pada akhirnya sesuai dengan struktur argon. Ion Sc³⁺ tidak memiliki elektron d dan karena itu tidak sesuai dengan definisi tersebut diatas.

Seng memiliki struktur elektronik [Ar] 3d¹⁰4s². Ketika seng membentuk ion, seng selalu kehilangan dua elektron 4s menghasilkan ion 2+ dengan struktur elektronik [Ar] 3d¹⁰. Ion seng memiliki tingkat d yang terisi penuh dan juga tidak sesuai dengan definisi tersebut diatas.

Hal yang berbeda, tembaga, dengan struktur elektronik [Ar] 3d¹⁰4s¹, membentuk dua ion. Pada ion Cu⁺ struktur elektroniknya adalah [Ar] 3d¹⁰. Akan tetapi, pada umumnya membentuk ion Cu²⁺ yang memiliki struktur [Ar] 3d⁹.

Tembaga termasuk logam transisi karena ion Cu²⁺ memiliki tingkat orbital d yang tidak terisi penuh.

Ion-ion logam transisi

Kamu dapat memahami fakta bahwa ketika tabel periodik disusun, orbital 4s lebih dahulu diisi sebelum orbital-orbital 3 d. Hal ini karena pada atom kosong, orbital 4s memiliki energi yang lebih rendah dibandingkan orbital-orbital 3d.

Akan tetapi, sekali elektron menempati orbitalnya, terjadi perubahan tingkat energi - dan ini terjadi pada semua unsur-unsur transisi, orbital 4s berkedudukan paling luar, tingkat energi orbital paling tinggi.

Urutan yang terbalik dari orbital-orbital 3d dan 4s hanya dapat digunakan untuk menempatkan atom pada tempat pertama. Dalam mematuhi aturan, kamu memperlakukan elektron- elektron 4s sebagai elektron-elektron paling luar.

Ingat ini:

Ketika unsur-unsur blok d membentuk ion, elektron-elektron 4s menghilang terlebih dahulu.

Penulisan struktur elektronik untuk Co²⁺:

Co		[Ar] 3d⁷4s²
Co²⁺		[Ar] 3d⁷

Ion 2+ terbentuk melalui kehilangan dua elektron 4s.

Penulisan struktur elektronik untuk V³⁺:

V		[Ar] 3d³4s²
V³⁺		[Ar] 3d²

Elektron-elektron 4s menghilang terlebih dahulu kemudian diikuti oleh satu elektron 3d.

Perubahan tingkat oksidasi (bilangan)

Salah satu ciri kunci dari kimia logam transisi adalah bermacam-macamnya tingkat oksidasi (bilangan oksidasi) yang dapat ditunjukkan oleh logam.

Sesuatu angapan yang salah, untuk memberikan kesan bahwa hanya logam transisi saja yang memiliki perubahan tingkat oksidasi. Sebagai contoh, unsur-unsur seperti belerang dan klor memiliki bermacam-macam tingkat oksidasi pada persenyawaannya - dan sudah sangat jelas bahwa belerang dan klor tidak termasuk logam transisi.

Akan tetapi, perubahan ini tidak sebanyak pada logam selain unsur-unsur transisi. Logam yang dikenal yang berasal dari grup utama tabel periodik, hanya timbal dan timah saja yang menunjukkan perubahan tingkat oksidasi sampai tingkat tertentu.

Contoh perubahan tingkat oksidasi dalam logam-logam transisi

Besi

Besi pada umumnya memiliki dua tingkat oksidasi (+2 dan +3) dalam bentuk, sebagai contoh, Fe²⁺ dan Fe³⁺. Besi juga dapat memiliki bilangan oksidasi +6 pada ion ferat(VI), FeO₄^2-..

Mangan

Mangan memiliki tingkat oksidasi yang bermacam-macam pada persenyawaannya. Sebagai contoh:

+2	in Mn²⁺
+3	in Mn₂O₃
+4	in MnO₂
+6	in MnO₄^2-
+7	in MnO₄^-

Contoh-contoh yang lain

Kamu dapat menemukan contoh-contoh di atas dan contoh- contoh yang lain dengan lebih mendalam jika kamu mengeksplor sifat kimia dari masing-masing logam pada menu logam transisi. Menu tersebut merupakan sambungan dari menu ini yang terletak pada bagian bawah halaman ini.

Keterangan tentang perubahan tingkat oksidasi pada logam transisi

Perhatikan bentuk ion sederhana seperti Fe²⁺ dan Fe³⁺

Ketika logam membentuk senyawa ionik, rumus senyawa yang dihasilkan tergantung pada proses energetika. Secara keseluruhan, senyawa yang terbentuk merupakan suatu senyawa yang paling banyak melepaskan energi. Lebih banyak energi yang dilepaskan, senyawa lebih stabil.

Terdapat beberapa pengertian mengenai istilah energi, tetapi kuncinya adalah:

Jumlah energi yang diperlukan untuk mengionisasi logam (penjumlahan berbagai energi ionisasi).
Jumlah energi yang dilepaskan ketika terjadi pembentukan senyawa. Jumlah energi ini merupakan salah satu dari entalpi kisi jika kamu berfikir tentang padatan, atau entalpi hidrasi ion jika kamu berfikir tentang larutan.

Ion yang bermuatan lebih tinggi, kamu memiliki lebih banyak elektron untuk dihilangkan dan lebih banyak energi ionisasi yang kamu perlukan.

Tetapi pada kasus ini, ion bermuatan lebih tinggi, lebih besar energi yang dilepaskan oleh salah satu diantara entalpi kisi atau entalpi hidrasi ion logam.

Berfikir tentang logam non-transisi yang khas (kalsium)

Kalsium klorida adalah CaCl₂. Mengapa begitu?

Jika kamu berusaha untuk membuat CaCl, (mengandung sebuah ion Ca⁺), proses keseluruhan adalah sedikit eksoterm.

Malahan dengan membuat ion Ca²⁺, kamu memiliki banyak energi untuk mensuplai energi ionisasi, tetapi kamu kehilangan lebih banyak energi kisi. Hal ini disebabkan karena antaraksi yang terjadi antara ion klorida dengan ion Ca²⁺ lebih banyak dibandingkan jika kamu hanya memiliki satu ion +1 saja. Keseluruan proses sangat eksoterm.

Karena pembentukan CaCl₂ lebih banyak melepaskan energi dibanding pembentukan CaCl, menyebabkan CaCl₂ lebih stabil - dan cenderung terbentuk.

Bagaimana dengan CaCl₃? Saat ini kamu harus menghilangkan elektron lain dari kalsium.

Dua yang pertama berasal dari tingkat 4s. Satu yang ketiga datang dari 3p. Keadaan ini menyebabkan elektron-elektron lebih dekat ke inti dan karena itu lebih sulit untuk dihilangkan. Terjadi lompatan yang besar pada energi ionisasi antara elektron kedua dan ketiga yang dihilangkan.

Meskipun hal ini akan memberikan keuntungan pada segi entalpi kisi, tetapi entalpi tersebut tidak cukup untuk menggantikan kelebihan energi ionisasi, dan secara keseluruhan proses ini sangat endoterm.

Sesuatu hal yang tidak cukup tepat secara energetika untuk membuat CaCl₃!

Berfikir tentang logam transisi khas (besi)

Berikut ini perubahan struktur elektronik besi untuk membuat ion 2+ atau 3+.

Fe		[Ar] 3d⁶4s²
Fe²⁺		[Ar] 3d⁶
Fe³⁺		[Ar] 3d⁵

Orbital 4s dan orbital-orbital 3d memiliki energi yang sangat mirip. Tidak terdapat lonjakan jumlah energi yang sangat besar yang kamu perlukan untuk menghilangkan elektron ketiga dibandingkan dengan yang elektron pertama dan kedua.

Gambaran untuk ketiga energi ionisasi pertama (dalam kJ mol-1) untuk besi dibandingkan dengan kalsium adalah:

metal	1st IE	2nd IE	3rd IE
Ca	590	1150	4940
Fe	762	1560	2960

Terdapat kenaikan energi ionisasi yang disebabkan elektron yang lebih banyak yang terdapat pada atom karena kamu memiliki bilangan proton yang sama pada beberapa elektron. Akan tetapi, terdapat sedikit kenaikan ketika kamu memiliki elektron ketiga dari besi dibanding dari kalsium.

Pada kasus besi, kelebihan energi ionisasi dapat digantikan lebih banyak atau lebih sedikit oleh kelebihan entalpi kisi atau entalpi hidrasi yang tersusun ketika terjadi pembentukan senyawa 3+.

Keuntungan dari ini semua adalah perubahan entalpi keseluruhan tidak terlalu berbeda ketika kamu membuat, katakanlah, FeCl₂ atau FeCl₃. Hal ini berarti bahwa tidak terlalu sulit untuk mengubah kedua senyawa.

Pembentukan ion-ion kompleks

Apakah ion kompleks itu?
Ion kompleks memiliki ion logam pada pusatnya dengan jumlah tertentu molekul-molekul atau ion-ion yang mengelilinginya. Ion-ion yang mengelilinginya itu dapat berdempet dengan ion pusat melalui ikatan koordinasi (dative covalent). (Pada beberapa kasus, ikatan yang terbentuk sebenarnya lebih rumit dibandingkan dengan ikatan koordinasi).

Molekul-molekul atau ion-ion yang mengelilingi logam pusat disebut dengan ligan-ligan.

Yang termasuk pada ligan sederhana adalah air, amonia dan ion klorida.

Dimana semua ligan-ligan tersebut memiliki pasangan elektron tak berikatan yang aktif pada tingkat energi paling luar. Pasangan elektron tak berikatan ini digunakan untuk membentuk ikatan koordinasi dengan ion logam.

Beberapa contoh ion kompleks yang dibentuk oleh logam transisi

[Fe(H₂O)₆]²⁺

[Co(NH₃)₆]²⁺

[Cr(OH)₆]^3-

[CuCl₄]^2-

Logam-logam yang lain juga dapat membentuk ion-ion kompleks - ini tidak berarti hanya logam transisi saja. Akan tetapi, logam-logam transisi dapat membentuk ion-ion kompleks yang beragam

Pembentukan senyawa-senyawa berwarna

Beberapa contoh yang lazim

Diagram menunjukkan kisaran warna untuk beberapa ion kompleks logam yang lazim.

Kamu dapat menemukan ion-ion kompleks logam tersebut diatas dan ion-ion kompleks logam yang lain jika kamu membuka halaman yang berhubungan dari menu logam transisi (link pada bagian bawah halaman).

Kemungkinan yang lain, kamu dapat mengekplorasi menu ion-ion kompleks (mengikuti link pada kotak bantuan pada bagian atas layar).

Asal mula munculnya warna pada ion-ion logam transisi

Ketika sinar putih melewati larutan yang berisi salah satu dari ion tersebut, atau sinar putih tersebut direfleksikan oleh larutan tersebut, beberapa warna dari sinar dapat di absorpsi (diserap) oleh larutan tersebut. Warna yang dapat dilihat oleh mata kamu adalah warna yang tertinggal (tidak di absorpsi).

Pelekatan ligan pada ion logam merupakan efek dari energi orbital-orbital d. Sinar yang diserap sebagai akibat dari perpindahan elektron diantara orbital d yang satu dengan yang lain. Penjelasan yang lebih jelas dapat dilihat pada halaman yang lain.

Aktivitas katalitik

Logam transisi dan persenyawaannya merupakan katalis yang baik. Beberapa kasus yang nyata dapat dilihat dibawah ini, tetapi kamu akan menemukan penjelasan katalisis secara mendalam pada bagian lain situs (ikuti link setelah contoh).

Logam transisi dan senyawa-senyawanya dapat berfungsi sebagai katalis karena memiliki kemampuan mengubah tingkat oksidasi atau, pada kasus logam, dapat meng-adsorp substansi yang lain pada permukaan logam dan mengaktivasi substansi tersebut selama proses berlangsung. Semua bagian ini dibahas pada bagian katalisis.

Logam transisi sebagai katalis

Besi pada Proses Haber

Prose Haber menggabungkan hidrogen dan nitrogen untuk membuat amonia dengan menggunakan katalis besi.

Nikel pada hidrogenasi ikatan C=C

Reaksi ini terdapat pada bagian inti pembuatan margarin dari minyak tumbuhan.

Akan tetapi, contoh sederhana terjadi pada reaksi antara etana dengan hidrogen melalui keberadaan katalis nikel.

Senyawa-senyawa logam transisi sebagai katalis

Vanadium(V) oksida pada Proses Contact

Bagian inti Proses Contact adalah reaksi konversi belerang dioksida menjadi belerang trioksida. Gas belerang dioksida dilewatkan bersamaan dengan udara (sebagai sumber oksigen) diatas padatan katalis vanadium(V) oksida.

Ion-ion besi pada reaksi antara ion-ion persulfat dan ion-ion iodida

Ion persulfat (ion peroksodisulfat), S₂O₈^2-, merupakan agen pengoksidasi yang sangat kuat. Ion iodida sangat mudah dioksidasi menjadi iodin. Dan reaksi antara keduanya berlangsung sangat lambat pada larutan dengan pelarut air.

Reaksi di katalisis oleh keberadaan salah satu diantara ion besi(II) atau ion besi(III).