מתכות המעבר.

שלב 1 מתוך 6

אלקטרוני d

מתכות המעבר ממלאות את עשרת הטורים שבאמצע הטבלה. בשורה הרביעית, אחרי אשלגן וסידן, האלקטרונים הבאים לא נכנסים לקליפה החיצונית אלא לתת־קליפה פנימית, 3d, שיש בה מקום לעשרה. מסקנדיום ועד אבץ כל יסוד מוסיף אלקטרון אחד ל־3d. לאטום ברזל, למשל, $26$⁠ אלקטרונים: $18$⁠ כמו ארגון, שניים בקליפה החיצונית, 4s, ושישה ב־3d.

כשאטום של מתכת מעבר נעשה יון, הוא מוסר קודם את שני האלקטרונים של 4s, ורק אחר כך אלקטרוני d. המדף בסצנה מראה מבחנה עם תמיסה של Fe²⁺. כמה אלקטרוני d יש ליון הזה?

שלב 2 מתוך 6

כמה מטענים

נתרן מוסר אלקטרון אחד בקלות, אבל אלקטרון שני היה צריך לבוא מקליפה פנימית מלאה, וזה עולה פי תשעה בערך. לכן לנתרן יש רק Na⁺. אצל מתכות המעבר זה אחרת: ברזל יוצר גם Fe²⁺ וגם Fe³⁺. החלודה היא ברזל (III), והברזל שבדם הוא בעיקר ברזל (II).

במדף יש כרום פעמיים. בחרו ביון מתכת בין ⁦Cr³⁺⁩ ל⁦Cr²⁺⁩: לשלושה אלקטרוני d יש צבע כחול עמוק, ולארבעה כחול בהיר. אלקטרון אחד יותר משנה את הצבע.

שלב 3 מתוך 6

צבע אחד יוצא

יון מתכת במים אף פעם לא לבד: שש מולקולות מים מקיפות אותו, וקוראים להן ליגנדים. שניים מחמשת אורביטלי d מצביעים ישר אל הליגנדים ונדחפים למעלה באנרגיה, ושלושה מצביעים ביניהם ויורדים. הפער בין שתי הרמות נקרא פיצול שדה הליגנדים, Δ.

כשאור לבן עובר בתמיסה, פוטונים שהאנרגיה שלהם שווה ל־Δ מרימים אלקטרון לרמה העליונה ונבלעים. כל שאר הצבעים עוברים, והעין רואה את מה שנשאר. בסצנה ⁦Ti³⁺⁩: הוא בולע אור כחול־ירוק, ב־493 nm, ונשארים אדום וסגול. הגרף שליד הסצנה מראה מה נבלע ומה רואים.

שלב 4 מתוך 6

יונים חסרי צבע

התקרבות לאורביטלים עומדת על אורביטלים. בחרו ב⁦Sc³⁺⁩, ב⁦Zn²⁺⁩ וב⁦Mn²⁺⁩, והסתכלו על הפוטון. לצבע צריך אלקטרון שיכול לקפוץ מעל הפער. מנגן (II) הוא מקרה מיוחד: לכל אחד מחמשת האלקטרונים שלו אורביטל משלו, וכולם באותו ספין, ולכן הוא בולע רק שמץ, והמלחים שלו ורודים חיוורים מאוד.

שלב 5 מתוך 6

אמוניה מזיזה את הפס

אמוניה נקשרת ליון דרך זוג אלקטרונים של חנקן, שדוחה את אורביטלי d חזק יותר מהחמצן של המים. כשמחליפים את המים באמוניה, Δ גדל בערך ברבע. בסצנה ⁦Cu²⁺⁩ במים, כחול בהיר. נבאו לאן יזוז פס הבליעה כשכל ששת הליגנדים יהיו אמוניה.

שלב 6 מתוך 6

פער גדול יותר

האנרגיה של פוטון קבועה לפי אורך הגל שלו: פוטון של 790 nm נושא, למול של פוטונים, בערך 151 kJ. קראו בגרף את Δ של נחושת במים, וחשבו מה הוא יהיה כשכל הליגנדים יהיו אמוניה.