Übergangsmetalle als Katalysatoren: Eigenschaften & Anwendungen

Übergangsmetalle sind verschiedene metallische Elemente wie Chrom, Eisen und Nickel, die Valenzelektronen in zwei Schalen statt nur einer haben. Ein Valenzelektron bezieht sich auf ein einzelnes Elektron, das für die chemischen Eigenschaften des Atoms verantwortlich ist. Übergangsmetalle sind gute Metallkatalysatoren, weil sie leicht Elektronen an andere Moleküle abgeben und von ihnen aufnehmen. Ein Katalysator ist eine chemische Substanz, die, wenn sie einer chemischen Reaktion zugesetzt wird, die Thermodynamik einer Reaktion nicht beeinflusst, aber die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.

Wirkung von Katalysatoren

• Katalysatoren wirken, indem sie katalytische Wege in die Reaktion einschleusen. Sie erhöhen die Häufigkeit der Kollisionen zwischen Reaktanten, ändern jedoch nicht deren physikalische oder chemische Eigenschaften. Katalysatoren beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit, ohne die Thermodynamik zu beeinflussen. Katalysatoren bieten somit einen alternativen, niedrigenergetischen Weg für die Reaktion an. Ein Katalysator beeinflusst den Übergangszustand einer Reaktion, indem er dem Übergangszustand einen niedrigenergetischen Aktivierungsweg bietet.

Übergangsmetalle

• Übergangsmetalle werden oft mit „d-Block“-Metallen im Periodensystem verwechselt. Obwohl Übergangsmetalle zum d-Block des Periodensystems der Elemente gehören, können nicht alle d-Block-Metalle als Übergangsmetalle bezeichnet werden. Zum Beispiel sind Scandium und Zink keine Übergangsmetalle, obwohl sie d-Block-Elemente sind. Damit ein d-Block-Element ein Übergangsmetall sein kann, muss es ein unvollständig besetztes d-Orbital besitzen.

Warum Übergangsmetalle gute Katalysatoren sind

• Der wichtigste Grund, warum Übergangsmetalle gute Katalysatoren sind, ist, dass sie Elektronen leihen oder dem Reagenz entziehen können, je nach Art der Reaktion. Die Fähigkeit von Übergangsmetallen, sich in verschiedenen Oxidationsstufen zu befinden, die Fähigkeit, zwischen den Oxidationsstufen zu wechseln, und die Fähigkeit, Komplexe mit den Reagenzien zu bilden und eine gute Elektronenquelle zu sein, machen Übergangsmetalle zu guten Katalysatoren.

Übergangsmetalle als Elektronenakzeptor und -donator

• Das Scandium-Ion Sc3+ hat keine d-Elektronen und ist kein Übergangsmetall. Das Zink-Ion Zn2+ hat ein vollständig besetztes d-Orbital und ist daher kein Übergangsmetall. Übergangsmetalle müssen über freie d-Elektronen verfügen und haben variable und austauschbare Oxidationsstufen. Kupfer ist ein ideales Beispiel für ein Übergangsmetall mit seinen variablen Oxidationsstufen Cu2+ und Cu3+. Das unvollständige d-Orbital ermöglicht dem Metall den Austausch von Elektronen zu erleichtern. Übergangsmetalle können sowohl Elektronen abgeben als auch aufnehmen, wodurch sie als Katalysatoren günstig sind. Der Oxidationsgrad eines Metalls bezieht sich auf die Fähigkeit des Metalls, chemische Bindungen einzugehen.

Wirkung von Übergangsmetallen

• Übergangsmetalle wirken, indem sie Komplexe mit dem Reagenz bilden. Wenn der Übergangszustand der Reaktion Elektronen erfordert, durchlaufen die Übergangsmetalle in den Metallkomplexen Oxidations- oder Reduktionsreaktionen, um Elektronen bereitzustellen. Wenn ein übermäßiger Elektronenaufbau vorliegt, können die Übergangsmetalle die überschüssige Elektronendichte halten und so das Eintreten der Reaktion unterstützen. Die Eigenschaft von Übergangsmetallen, gute Katalysatoren zu sein, hängt auch von den Absorptions- oder Adsorptions-Eigenschaften des Metalls und des Übergangsmetallkomplexes ab.