המתכות שבאמצע
מתכות המעבר ממלאות את עשר העמודות שבאמצע הטבלה המחזורית, גוש d. השורה הראשונה שלהן מתחילה בסקנדיום ומסתיימת באבץ, ויש בה ברזל, ניקל ונחושת, המתכות שמהן עשויים גשרים, חוטי חשמל ומטבעות. האטומים שלהן ממלאים את תת־הרמה 3d: כל צעד לאורך השורה מוסיף לה עוד אלקטרון.
שני דברים מבדילים את המתכות האלה מהמתכות האלקליות שבצד שמאל של הטבלה. רובן יוצרות יונים ביותר ממטען אחד, והתרכובות שלהן צבעוניות לעתים קרובות. שני הדברים נובעים מאלקטרוני ה־d.
מתכת אחת, כמה מטענים
נתרן מוסר אלקטרון אחד בקלות. כדי לקחת ממנו אלקטרון שני צריך לפרוץ לקליפה פנימית מלאה, וזה עולה בערך פי תשעה אנרגיה, ולכן נתרן יוצר רק Na⁺.
לאלקטרוני ה־4s החיצוניים של מתכת מעבר ולאלקטרוני ה־3d שלה יש אנרגיות דומות. ברזל מוסר את שני אלקטרוני ה־4s והופך ל־Fe²⁺, ומסירת אלקטרון 3d נוסף, כדי להפוך ל־Fe³⁺, עולה רק בערך פי שניים. שני היונים נפוצים: חלודה היא ברזל(III), והברזל שבדם שלכם הוא בעיקר ברזל(II). כרום יוצר Cr²⁺, Cr³⁺, ובכרומטים גם את דרגת החמצון +6. מנגן מגיע מ־+2 ועד +7.
מעבר בין מטענים פירושו קבלה או מסירה של אלקטרונים, ולכן המתכות האלה מופיעות בכל מקום שבו צריך להעביר אלקטרונים הלאה: בסוללות ובאלקטרוכימיה, באנזימים ובזרזים של התעשייה.
במתקן שבסצנה הכרום מופיע פעמיים. Cr³⁺, עם שלושה אלקטרוני d, כחול עמוק; Cr²⁺, עם ארבעה, כחול שמיים. אלקטרון אחד נוסף משנה את הצבע.
שישה שכנים, חמישה אורביטלים
יון מתכת במים אף פעם לא לבד. שש מולקולות מים מצטופפות סביבו, כשקצה החמצן פונה פנימה, בקודקודים של אוקטהדר. מולקולות או יונים שקשורים כך למתכת נקראים ליגנדים.
חמשת אורביטלי ה־d של היון פונים לכיוונים שונים. שניים מהם מכוונים היישר אל הליגנדים; שלושת האחרים מכוונים אל הרווחים שביניהם. האלקטרונים של הליגנדים דוחים חזק יותר אלקטרון שנמצא בשניים שמכוונים אליהם, ולכן האנרגיה של שני האורביטלים האלה עולה, ושל שלושת האחרים יורדת. חמשת האורביטלים, שביון חשוף יש להם אותה אנרגיה, מתפצלים לשתי רמות שיש ביניהן פער. הפער הזה נקרא פיצול שדה הליגנדים, Δ.
נסו: הזיזו את התקרבות לאורביטלים לאמצע. שש מולקולות המים עומדות סביב יון הנחושת, שני האורביטלים הכתומים מכוונים אליהן ושלושת הכחולים מכוונים ביניהן. אחר כך המשיכו אל אורביטלים וצפו בחמשת האורביטלים מסתדרים בשתי רמות.
להוציא צבע אחד מהאור הלבן
ביונים האלה Δ הוא בין 100 ל־300 kJ/mol בערך. זו האנרגיה של פוטונים של אור נראה או של תת־אדום קרוב, כי האנרגיה של פוטון נקבעת לפי אורך הגל שלו (ספקטרום אטומי מסביר למה).
כשאור לבן עובר דרך המבחנה, פוטונים שהאנרגיה שלהם מתאימה לפער יכולים להרים אלקטרון מהרמה התחתונה לעליונה. הפוטונים האלה נבלעים. האלקטרון חוזר במהרה למטה ומוסר את האנרגיה שלו למים ככמות זעירה של חום, לא כאור. כל שאר הצבעים עוברים ישר, והעין רואה את מה שנשאר.
לטיטניום(III) יש Δ ≈ 243 kJ/mol, האנרגיה של פוטון באורך גל של 493 nm, אור כחול־ירקרק. כשמוציאים כחול־ירקרק מאור לבן, האדום והסגול שנשארים נראים סגולים־אדמדמים. נחושת(II) במים בולעת הכי חזק בסביבות 790 nm, ממש מעבר לקצה האדום של הספקטרום, ופס הבליעה שלה מגיע לאדום ולכתום. כשמוציאים את האדום, התמיסה נראית כחולה בהירה.
התרשים שליד הסצנה מראה כמה חזק המבחנה שבחרתם בולעת כל אורך גל, את האור שהיא מוציאה ואת הצבע שנשאר.
למה חלקם חסרי צבע
כדי שיהיה צבע צריך אלקטרון שיכול לקפוץ מעל הפער. סקנדיום(III) איבד את כל אלקטרוני ה־d שלו, כך שאין מה להרים, והמלחים שלו לבנים. לאבץ(II) יש את כל העשרה: שתי הרמות מלאות ולאלקטרון אין לאן ללכת. גם מלחי אבץ לבנים.
מנגן(II) הוא היוצא דופן. יש לו חמישה אלקטרוני d, אחד בכל אורביטל, וכולם מסתובבים באותו כיוון. כדי לעלות למעלה, אלקטרון היה צריך להצטרף לאלקטרון שכבר נמצא שם, ושני אלקטרונים יכולים לחלוק אורביטל רק אם הספינים שלהם הפוכים. אור כמעט אף פעם לא הופך ספין, ולכן Mn²⁺ בולע רק עקבות של אור, והמלחים שלו ורודים חיוורים מאוד.
נסו: בחרו Sc³⁺, Zn²⁺ ו־Mn²⁺ כשהתקרבות לאורביטלים על אורביטלים. הפוטון עובר דרכם בכל פעם.
ליגנדים משנים את הצבע
אמוניה נקשרת דרך אטום חנקן, וזוג האלקטרונים החופשי שלו דוחף את אורביטלי ה־d חזק יותר מהחמצן של המים. החליפו את המים באמוניה, ו־Δ גדל בערך ברבע, כך שכל פסי הבליעה זזים לאורכי גל קצרים יותר וכל צבע משתנה. נחושת(II) הכחולה הבהירה הופכת לכחול רויאלי עמוק, בדיקה קלאסית לנחושת. ניקל(II) הירוק הופך לכחול.
כימאים מדרגים ליגנדים לפי כמה רחוק הם מפצלים את אורביטלי ה־d: מכלוריד (פחות ממים), דרך אמוניה, ועד ציאניד, שמפצל אותם בערך פי 1.7 ממים.
נסו: בחרו Cu²⁺ והזיזו את ליגנדים של אמוניה מ־0, הכול מים, עד 6, הכול אמוניה. פס הבליעה גולש מהתת־אדום אל הכתום, והמבחנה מעמיקה.
מה המודל הזה משמיט
הצבעים מחושבים מפסי בליעה שנמדדו לכל יון כשהוא מוקף בשש מולקולות מים, מעוגלים, בריכוז אחד, דרך 1.5 cm של תמיסה ותחת אור לבן אחיד; מסך יכול רק לקרב אותם. ההנחה היא שאמוניה מזיזה כל פס בפרופורציה ל־Δ, לפי כלל אצבע של כימאים (כל אמוניה נחשבת כמו 1.25 מולקולות מים). התזוזות האמיתיות שונות מעט.
סולם האנרגיה מראה אלקטרון אחד שקופץ. ביונים שיש להם בין שניים לשמונה אלקטרוני d, האלקטרונים גם דוחים זה את זה, ומזה נוצרים להם פסים נוספים; התרשים כולל אותם, אבל הסולם לא מראה מאין הם באים. נחושת(II), כרום(II) וטיטניום(III) גם מתעוותים מעט מהצורה הסימטרית, וזה מרחיב את הפסים שלהם. נחושת(II) אמיתית מחזיקה חזק רק ארבע מולקולות אמוניה.
במעבדה אמיתית, הוספת אמוניה לכמה מהיונים האלה יוצרת משקע של הידרוקסיד ולא קומפלקס אמוניה, ברזל(II) מאדים לאט באוויר כשהוא הופך לברזל(III), וכרום(II) עושה זאת תוך דקות. וגם לא כל צבע בא מאלקטרוני d: לפרמנגנט הסגול ולדיכרומט הכתום אין כאלה, והם צבעוניים כי אלקטרון קופץ מהחמצן אל המתכת. ביונים עם ארבעה ליגנדים האורביטלים מתפצלים בתבנית אחרת: נייר קובלט כלוריד יבש כחול כי הקובלט שבו מחזיק ארבעה כלורידים, והוא הופך לוורוד כשהוא נרטב ושש מולקולות מים תופסות את מקומם.