في هذا المقال
1. الفكرة العامة للدرس
الشرح ببساطة: الدرس هو المدخل الرئيسي للباب الأول (العناصر الانتقالية). نتعرف فيه على موقع العناصر الانتقالية في الجدول الدوري الحديث وتصنيفها إلى رئيسية (الفئة d) وداخلية (الفئة f)، ثم نركز بشكل كامل على "عناصر السلسلة الانتقالية الرئيسية الأولى" (من السكانديوم حتى الخارصين).
أولاً: موقع وتصنيف العناصر الانتقالية
الموقع العام: تقع العناصر الانتقالية في منتصف الجدول الدوري الحديث (بين الفئة s على اليسار والفئة p على اليمين).
عددها: أكثر من 60 عنصراً من أصل 118 عنصراً مكونة للجدول الدوري، أي أنها تمثل أكثر من نصف عناصر الجدول الدوري.
التصنيف الرئيسي: تنقسم إلى نوعين:
عناصر انتقالية رئيسية: وهي عناصر الفئة d.
عناصر انتقالية داخلية: وهي عناصر الفئة f.
ملحوظة على الفئة f: تم فصل الفئة f أسفل الجدول الدوري لتسهيل دراسة الجدول الدوري بشكل منتظم. وهي تتكون من سلسلتين في الدورتين السادسة والسابعة:
اللانثانيدات: تقع في الدورة السادسة، ويتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعي 4f.
الأكتينيدات: تقع في الدورة السابعة، ويتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعي 5f.
(قاعدة رقم المستوى الفرعي f: هو n-2 حيث n هي رقم الدورة).
ثانياً: وصف وتفاصيل الفئة d (العناصر الانتقالية الرئيسية)
الموقع بالتحديد: تقع في وسط الجدول الدوري الحديث بين المجموعتين 2A و 3A.
عدد الأعمدة والمجموعات:
تحتوي على 10 أعمدة رأسية؛ لأن المستوى الفرعي d يحتوي على 5 اوربيتالات، وكل اوربيتال يتشبع بـ 2 الكترون (5 \times 2 = 10).
تحتوي على 8 مجموعات رأسية (وليس 10)؛ بسبب وجود المجموعة الثامنة (Group VIII) التي تضم 3 أعمدة رأسية (الأعمدة 8 و9 و10) لوجود تشابه أفقي بين عناصرها أكثر من التشابه الراسي.
تترتب المجموعات من اليسار إلى اليمين كالتالي: 3B, 4B, 5B, 6B, 7B ثم المجموعة الثامنة VIII (بدون حرف B) ثم 1B, 2B.
بالترقيم الحديث: تبدأ من المجموعة 3 إلى المجموعة 12.
ثالثاً: السلاسل الأربع للفئة d
تنقسم الفئة d إلى 4 سلاسل افقية:
السلسلة الانتقالية الأولى: تقع في الدورة الرابعة بعد عنصر الكالسيوم (_{20}Ca). يتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعي 3d (4s^{1-2} 3d^{1-10}). تبدأ بعنصر السكانديوم (_{21}Sc) وتنتهي بعنصر الخارصين/الزنك (_{30}Zn) وتضم 10 عناصر.
السلسلة الانتقالية الثانية: تقع في الدورة الخامسة. يتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعي 4d (5s^{1-2} 4d^{1-10}). تبدأ بعنصر اليوتريوم (_{39}Y) وتنتهي بعنصر الكادميوم (_{48}Cd).
السلسلة الانتقالية الثالثة: تقع في الدورة السادسة. يتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعي 5d (6s^{1-2} 5d^{1-10}). تبدأ بعنصر اللانثانيوم (_{57}La) وتنتهي بعنصر الزئبق (_{80}Hg).
السلسلة الانتقالية الرابعة: تقع في الدورة السابعة. يتتابع فيها امتلاء المستوى الفرعي 6d (7s^{1-2} 6d^{1-10}). تبدأ بعنصر الأكتينيوم (_{89}Ac) وتنتهي بعنصر الكوبرنيسيوم (_{112}Cn).
رابعاً: الأهمية الاقتصادية لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى
رغم أن نسبة عناصر السلسلة الأولى مجتمعة في القشرة الأرضية أقل من 7%، إلا أن لها أهمية اقتصادية ضخمة جداً.
إليك العناصر العشرة بالتفصيل:
السكانديوم (_{21}Sc):
التوزيع: [Ar]_{18} 4s^2 3d^1 | الدورة: 4 | المجموعة: 3B (الحديث: 3) | الالكترونات المفردة: 1.
الوجود: يوجد بكميات صغيرة جداً موزعة على نطاق واسع في القشرة الأرضية (نسبته 0.0026\%).
الاستخدامات والسبائك:
سبيكة السكانديوم مع الألومنيوم: تتميز بخفتها وشجّة صلابتها؛ لذا تستخدم في صناعة طائرات الميج المقاتلة.
إضافة السكانديوم إلى مصابيح ابخرة الزئبق: لإنتاج ضوء عال الكفاءة يشبه ضوء الشمس، وتستخدم في التصوير التلفزيوني أثناء الليل وملاعب كرة القدم والآثار.
التيتانيوم (_{22}Ti):
التوزيع: [Ar]_{18} 4s^2 3d^2 | الدورة: 4 | المجموعة: 4B (الحديث: 4) | الالكترونات المفردة: 2.
الخصائص: عنصر شديد الصلابة كالصلب ولكنه أقل منه كثافة (أخف منه). يحافظ على قوته ومتانته في درجات الحرارة العالية. نسبته في القشرة الأرضية 0.6\%.
الاستخدامات والسبائك:
عمليات زراعة الأسنان والمفاصل الصناعية: لأن الجسم لا يلفظه ولا يسبب أي نوع من التسمم.
سبيكة التيتانيوم مع الألومنيوم: تستخدم في صناعة الطائرات ومركبات الفضاء؛ لأنه يحافظ على متانته في درجات الحرارة العالية في الوقت الذي تنخفض فيه متانة الألومنيوم.
أهم مركباته: ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO_2)؛ يدخل في تركيب مستحضرات الحماية من أشعة الشمس (Sunblock) لأن دقائقه النانوية تمنع وصول الأشعة فوق البنفسجية (UV) للجلد.
الفانديوم (_{23}V):
التوزيع: [Ar]_{18} 4s^2 3d^3 | الدورة: 4 | المجموعة: 5B (الحديث: 5) | الالكترونات المفردة: 3.
الاستخدامات والسبائك:
سبيكة الفانديوم مع الصلب (الحديد): تتميز بقساوة عالية وقدرة كبيرة على مقاومة التآكل؛ وتستخدم في صناعة زمبركات السيارات (زمنبركات/سوست السيارات).
أهم مركباته: خامس أكسيد الفانديوم (V_2O_5)؛ يستخدم كـ:
صبغة في صناعة السيراميك والزجاج.
عامل حفاز في صناعة المغناطيسيات فائقة التوصيل.
عامل حفاز في تحضير حمض الهيدروكلوريك/السلفوريك (حمض الكبريتيك H_2SO_4) بطريقة التلامس.
عامل حفاز في الكيمياء العضوية.
الكروم (_{24}Cr):
التوزيع (حالة شاذة): [Ar]_{18} 4s^1 3d^5 | الدورة: 4 | المجموعة: 6B (الحديث: 6) | الالكترونات المفردة: 6 (واحد في 4s وخمسة في 3d).
الخصائص (الخمول الكيميائي الظاهري): عنصر على درجة عالية من النشاط الكيميائي، ولكنه يقاوم فعل العوامل الجوية بسبب تكون طبقة غير مسامية من الأكسيد على سطحه، حجم جزيئاتها أكبر من حجم ذرات العنصر نفسه، مما يمنع استمرار التفاعل مع أكسجين الجو.
الاستخدامات: طلاء المعادن ودباغة الجلود.
أهم مركباته:
أكسيد الكروم III (Cr_2O_3): يستخدم في عمل الأصباغ.
ثنائي كرومات البوتاسيوم (K_2Cr_2O_7): مادة مؤكسدة.
المنجنيز (_{25}Mn):
التوزيع: [Ar]_{18} 4s^2 3d^5 | الدورة: 4 | المجموعة: 7B (الحديث: 7) | الالكترونات المفردة: 5.
الخصائص: عنصر هش في حالته النقية، لذلك لا يستخدم وهو نقي أبداً بل في صورة سبائك أو مركبات.
السبائك:
سبيكة المنجنيز مع الحديد: أصلب من الصلب، وتستخدم في خطوط السكك الحديدية.
سبيكة المنجنيز مع الألومنيوم: تقاوم التآكل، وتستخدم في عبوات المشروبات الغازية (الكانز).
أهم مركباته:
ثاني أكسيد المنجنيز (MnO_2): عامل مؤكسد قوي في صناعة العمود الجاف، وعامل حفاز في انحلال فوق أكسيد الهيدروجين (H_2O_2).
برمنجانات البوتاسيوم (KMnO_4): مادة مؤكسدة ومطهرة تستخدم في المجال الطبي (تعقيم غرف العمليات).
كبريتات المنجنيز (MnSO_4): مبيد للفطريات والحشرات.
الحديد (_{26}Fe):
التوزيع: [Ar]_{18} 4s^2 3d^6 | الدورة: 4 | المجموعة: المجموعة الثامنة VIII (الحديث: 8) | الالكترونات المفردة: 4.
الخصائص والوفرة: قابل للتمغنط. وهو أكثر عناصر السلسلة وفرة في القشرة الأرضية بنسبة 5.1\%. (ترتيبه الأول على سلسلته، الثاني على الفلزات بعد الألومنيوم، والرابع من حيث الانتشار على مستوى كافة عناصر القشرة الأرضية).
الاستخدامات: الخرسانات المسلحة، أبراج الكهرباء، السكاكين، أدوات الجراحة، مواسير البنادق والمدافع، وصناعة المغناطيسيات.
استخدامه كعامل حفاز:
تحضير غاز النشادر (الأمونيا) بطريقة هابر - بوش.
تحويل الغاز المائي (CO + H_2) إلى وقود سائل بطريقة فيشر - تروبش.
الكوبالت (_{27}Co):
التوزيع: [Ar]_{18} 4s^2 3d^7 | الدورة: 4 | المجموعة: المجموعة الثامنة VIII (الحديث: 9) | الالكترونات المفردة: 3.
الخصائص: يشبه الحديد في أنه قابل للتمغنط. وله 12 نظيراً مشعاً أهمها الكوبالت 60 (^{60}Co) الذي تصدر منه أشعة جاما ذات القدرة العالية على الاختراق.
استخدامات الكوبالت 60: حفظ الأغذية، الكشف عن عيوب الصناعة (مثل الشقوق ووصلات اللحام)، وتأكيد الأورام الخبيثة وتشخيصها وعلاجها.
استخدامات الكوبالت العامة: صناعة المغناطيسيات، وصناعة البطاريات الجافة في السيارات الحديثة.
النيكل (_{28}Ni):
التوزيع: [Ar]_{18} 4s^2 3d^8 | الدورة: 4 | المجموعة: المجموعة الثامنة VIII (الحديث: 10) | الالكترونات المفردة: 2.
الخصائص: له مظهر معدني لامع، ويقاوم التآكل والأحماض.
السبائك والاستخدامات:
سبيكة النيكل - كادميوم: تُستخدم في بطاريات القابلة لإعادة الشحن.
سبيكة النيكل - كروم (النيكروم): تُستخدم في ملفات التسخين والأفران الكهربائية؛ لأنها تقاوم التآكل والمسألة حتى وهي تسخن لدرجة الاحمرار.
سبيكة النيكل مع الصلب: تتميز بالصلابة ومقاومة الصدأ والأحماض.
طلاء المعادن: لحيمايتها من الصدأ والتآكل وإعطائها مظهراً لامعاً.
النيكل المجزأ: يستخدم كعامل حفاز في عمليات هدرجة الزيوت.
النحاس (_{29}Cu):
التوزيع (حالة شاذة): [Ar]_{18} 4s^1 3d^{10} | الدورة: 4 | المجموعة: 1B (الحديث: 11) | الالكترونات المفردة: 1 (في المستوى 4s).
التاريخ والخصائص: أول فلز عرفه الإنسان. موصل ممتاز للكهرباء.
السبائك: سبيكة البرونز وتتكون من النحاس والقصدير (القصدير عنصر ممثل ينتهي بالبناء p).
الاستخدامات: الكابلات الكهربائية، وصناعة العملات المعدنية.
أهم مركباته:
كبريتات النحاس II (CuSO_4): مبيد للحشرات، ومبيد للفطريات في عمليات تنقية مياه الشرب.
محلول فيهلنج: للكشف عن سكر الجلوكوز؛ حيث يتحول لونه من الأزرق إلى البرتقالي مع مريض السكر، بينما يظل أزرق مع الشخص السليم.
الخارصين / الزنك (_{30}Zn):
التوزيع: [Ar]_{18} 4s^2 3d^{10} | الدورة: 4 | المجموعة: 2B (الحديث: 12) | الالكترونات المفردة: 0.
الاستخدام الأساسي: جلفنة باقي المعادن لحمايتها من الصدأ.
أهم مركباته:
أكسيد الخارصين (ZnO): يدخل في صناعة الدهانات، المطاط، ومستحضرات التجميل.
كبريتيد الخارصين (ZnS): يدخل في صناعة الطلائات المضيئة والشاشات المضيئة لأشعة X (الأشعة السينية).
3. كل المعلومات المهمة
التعريفات والمصطلحات الأساسية:
العناصر الانتقالية: عناصر الفئتين d و f وتقع في منتصف الجدول الدوري.
الخمول الكيميائي الظاهري للكروم: ظاهرة تكون طبقة غير مسامية من الأكسيد على سطح الكروم حجم جزيئاتها أكبر من حجم ذرات الفلز نفسه، فتمنع النفاذ واستمرار التفاعل مع الجو.
الجلفنة: تغطية أسطح المعادن بطبقة من الخارصين لحمايتها من الصدأ والتآكل.
طريقة هابر - بوش: طريقة تحضير غاز النشادر من عنصريه (الهيدروجين والنيتروجين) باستخدام الحديد كعامل حفاز.
طريقة فيشر - تروبش: تحويل الغاز المائي (خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين) إلى وقود سائل باستخدام الحديد كعامل حفاز.
طريقة التلامس: طريقة تحضير حمض الكبريتيك باستخدام خامس أكسيد الفانديوم (V_2O_5) كعامل حفاز.
محلول فيهلنج: أحد مركبات النحاس الكاشفة عن سكر الجلوكوز، يتحول من الأزرق إلى البرتقالي.
سبيكة البرونز: سبيكة مكونة من النحاس والقصدير.
العلاقات بين الأشياء والأسباب والنتائج:
السبب: احتواء المستوى الفرعي d على 5 اوربيتالات تشبع بـ 10 الكترونات \leftarrow النتيجة: الفئة d تتكون من 10 أعمدة رأسية.
السبب: وجود تشابه أفقي بين عناصر الأعمدة (8 و9 و10) أكبر من التشابه الراسي \leftarrow النتيجة: وضعها جميعاً في مجموعة واحدة هي "المجموعة الثامنة VIII".
السبب: الكروم والنحاس يحتاجان للوصول لحالة الاستقرار \leftarrow النتيجة: شذوذ التوزيع الالكتروني بنقل الكترون من 4s إلى 3d ليكون نصف مكتمل (3d^5) في الكروم أو تام الامتلاء (3d^{10}) في النحاس.
السبب: هشاشة المنجنيز الشديدة وهو نقي \leftarrow النتيجة: لا يستخدم إطلاقاً في الصورة النقية، بل دائماً في صورة سبائك أو مركبات.
السبب: تكون طبقة أكسيد غير مسامية حجم جزيئاتها أكبر من ذرات الكروم \leftarrow النتيجة: توقف تفاعل الكروم مع أكسجين الجو رغم نشاطه.
تنبيه حول المعلومات الطبية والصحية
المعلومات الطبية والصحية الواردة في هذا المقال هي معلومات تعليمية عامة تهدف إلى توضيح التطبيقات العلمية للعناصر الانتقالية، ولا تُعد تشخيصًا طبيًا أو علاجًا أو توصية شخصية. تختلف الاستخدامات الطبية للمواد والعناصر وفقًا لتركيبها الكيميائي وتركيزها وطريقة استخدامها، كما تخضع المنتجات والأجهزة الطبية للمعايير والاختبارات واللوائح التنظيمية المعمول بها. لذلك لا ينبغي استخدام المعلومات الواردة هنا لاتخاذ قرار طبي فردي دون الرجوع إلى الطبيب أو المختص.
التيتانيوم والزرعات الطبية
يُستخدم التيتانيوم وبعض سبائكه في عدد من التطبيقات الطبية، ومنها بعض زرعات الأسنان والعظام، بسبب خصائصه مثل مقاومة التآكل والقوة والتوافق الحيوي المناسب لبعض التطبيقات الطبية. ويعتمد استخدام أي زرعة طبية على تصميمها وخصائصها وطريقة تصنيعها وظروف المريض، ولذلك فإن هذه المعلومة توضح الاستخدام العلمي العام للتيتانيوم ولا تمثل توصية باستخدام نوع معين من الزرعات.
المصدر: National Center for Biotechnology Information (NCBI)، مراجعات علمية حول استخدام سبائك التيتانيوم في التطبيقات الطبية والزرعات.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4738729/
ثاني أكسيد التيتانيوم وواقيات الشمس
يدخل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) في تركيب بعض مستحضرات الوقاية من الشمس. وتوضح إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) المعلومات التنظيمية المتعلقة باستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم في منتجات الوقاية من الشمس. ويعتمد أمان وفعالية المنتج على تركيب المستحضر وتركيزه وطريقة استخدامه، وليس على المادة الخام وحدها.
المصدر: U.S. Food and Drug Administration (FDA).
الكوبالت-60 والتطبيقات الطبية
الكوبالت-60 نظير مشع يصدر أشعة جاما ذات قدرة اختراق عالية، وله تطبيقات في المجالات الطبية والصناعية. ومن التطبيقات الطبية استخدام مصادر الكوبالت-60 في بعض أنظمة العلاج الإشعاعي. ويتم ذلك باستخدام أجهزة متخصصة وتحت إشراف متخصصين، ولذلك فإن ذكر هذا الاستخدام هنا هو وصف علمي عام وليس توجيهًا علاجيًا أو توصية لحالة مرضية معينة.
كما تُستخدم أشعة جاما الصادرة من مصادر الكوبالت-60 في بعض تطبيقات تشعيع الأغذية وتعقيم بعض المنتجات والأجهزة الطبية وفق إجراءات ومعايير محددة.
المصدر: International Atomic Energy Agency (IAEA).
https://nucleus.iaea.org/sites/diif/Pages/GammaRT.aspx
برمنجنات البوتاسيوم
برمنجنات البوتاسيوم (KMnO₄) مادة مؤكسدة قوية، ولها تطبيقات في بعض عمليات معالجة المياه. ويختلف استخدامها عن الاستخدامات الطبية المباشرة، ولا ينبغي اعتبار المعلومات الواردة في هذا المقال إرشادًا لاستخدامها كدواء أو مطهر دون الرجوع إلى تعليمات المختصين والجهات التنظيمية.
المصدر: U.S. Environmental Protection Agency (EPA).
https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=2000229L.TXT
محلول فيهلنج والجلوكوز
يُستخدم اختبار فيهلنج في الكيمياء للكشف عن المواد المختزلة، ومنها بعض السكريات المختزلة، من خلال تفاعل كيميائي يؤدي إلى تغير في اللون وتكوين راسب تحت ظروف الاختبار المناسبة. ويُذكر هذا الاستخدام هنا لأغراض تعليمية كيميائية فقط، ولا يُقصد به تشخيص مرض السكري أو استبدال الفحوص الطبية المعتمدة.
حدود المعلومات الطبية في هذا المقال
الأمثلة السابقة توضح بعض الاستخدامات العلمية والصحية للعناصر الانتقالية، لكنها لا تقدم جرعات علاجية أو تعليمات لاستخدام الأدوية أو المواد المشعة أو الأجهزة الطبية. كما أن وجود عنصر كيميائي في منتج طبي لا يعني أن استخدام العنصر الخام مباشرة آمن أو مناسب للإنسان؛ إذ يعتمد الاستخدام الطبي على الشكل الكيميائي للمادة، والنقاوة، والتركيز، وطريقة التصنيع، وطريقة الاستخدام، والاختبارات والمعايير التنظيمية.
لذلك يجب التعامل مع المعلومات الطبية والصحية الواردة في هذا المقال باعتبارها معلومات تثقيفية عامة وليست تشخيصًا أو علاجًا أو نصيحة طبية شخصية.
النقاش
التعليقات (0)
فكرة تضيفها، أو سؤال يفتح حوارًا.
الرجاء تسجيل الدخول لتتمكن من التعليق