الخواص العامة والمميزة لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى | شرح شامل لكيمياء الصف الثالث الثانوي

الخواص العامة والمميزة لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى

الصف: الثالث الثانوي

المادة: الكيمياء

الباب الأول: العناصر الانتقالية

تُعد عناصر السلسلة الانتقالية الأولى من أهم أجزاء الكيمياء في المرحلة الثانوية؛ لأنها تجمع بين مجموعة من الخواص الفيزيائية والكيميائية المميزة، مثل المغناطيسية وتكوين المركبات الملونة والنشاط الحفزي.

وتبدأ السلسلة الانتقالية الأولى من الاسكانديوم Sc (21) وتمتد حتى الخارصين Zn (30)، مع ملاحظة مهمة: الخارصين يقع في عناصر الفئة d، لكنه لا يُعد عنصرًا انتقاليًا بالمعنى الدقيق؛ لأن أيونه الشائع Zn²⁺ يمتلك مستوى فرعي d ممتلئًا تمامًا d¹⁰.

---

أولًا: الخواص العامة لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى

1. الكتلة الذرية

بوجه عام تزداد الكتلة الذرية بزيادة العدد الذري خلال السلسلة.

لكن يوجد شذوذ ملحوظ عند النيكل Ni عند مقارنة الكتل الذرية بالعناصر المجاورة.

فالقيم القياسية تقريبًا:

- الكوبلت Co = 58.933

- النيكل Ni = 58.693

- النحاس Cu = 63.546

وتوضح بيانات NIST أن النيكل يمتلك عدة نظائر طبيعية، ومتوسط كتلها يؤدي إلى كتلة ذرية قياسية مقدارها نحو 58.6934.

للحفظ:

«الكتلة الذرية تزداد عمومًا بزيادة العدد الذري، مع وجود شذوذ عند النيكل.»

---

2. نصف القطر الذري

يحدث تغير نصف القطر الذري خلال السلسلة بسبب التغير في الشحنة النووية وعدد الإلكترونات الموجودة في المستوى الفرعي 3d.

من Sc إلى V يقل نصف القطر الذري نتيجة زيادة قوة جذب النواة للإلكترونات.

أما من Cr إلى Ni فيحدث تغير صغير نسبيًا ويصبح نصف القطر ثابتًا تقريبًا؛ لأن تأثير زيادة الشحنة النووية يتوازن إلى حد كبير مع تأثير زيادة التنافر بين إلكترونات المستوى الفرعي 3d.

لذلك يمكن تلخيص الاتجاه الدراسي:

Sc → V: يقل نصف القطر

Cr → Ni: يثبت تقريبًا

---

3. الكثافة

الكثافة تساوي:

الكثافة = الكتلة / الحجم

وبوجه عام تزداد كثافة عناصر السلسلة الانتقالية الأولى مع زيادة العدد الذري، نتيجة زيادة الكتلة الذرية مع عدم حدوث زيادة كبيرة في الحجم الذري.

ومن البيانات الفعلية مثلًا:

- كثافة Co ≈ 8.86 g/cm³

- كثافة Ni ≈ 8.90 g/cm³

وهو ما يوضح أن كثافة النيكل أكبر قليلًا من كثافة الكوبلت رغم أن كتلته الذرية أقل منه.

نقطة امتحانية مهمة:

لا تخلط بين ترتيب الكتلة وترتيب الكثافة.

---

4. الخواص الفلزية

عناصر السلسلة الانتقالية الأولى فلزات، ومن أهم خواصها:

- لها بريق فلزي.

- جيدة التوصيل للحرارة والكهرباء.

- قابلة للطرق والسحب.

- تتميز عمومًا بدرجات انصهار وغليان مرتفعة.

- كثير منها يتميز بكثافة مرتفعة.

وتؤكد الجمعية الملكية للكيمياء RSC أن الفلزات الانتقالية تتميز عمومًا بكونها صلبة وكثيفة ولامعة وموصلة جيدة للحرارة والكهرباء وقابلة للطرق والسحب.

---

5. درجات الانصهار والغليان

تتميز عناصر السلسلة الانتقالية بدرجات انصهار وغليان مرتفعة نسبيًا بسبب قوة الترابط الفلزي.

ويرتبط ذلك بمشاركة إلكترونات التكافؤ، ومنها إلكترونات المستويين الفرعيين 4s و3d، في الترابط الفلزي.

أعلى درجة انصهار في السلسلة

يُعد الكروم Cr من أعلى عناصر السلسلة الأولى في درجة الانصهار، وتبلغ درجة انصهاره نحو 1907°C وفق بيانات RSC. كما أن تركيبه الإلكتروني هو:

Cr: [Ar] 3d⁵ 4s¹

---

6. النشاط الكيميائي

يختلف النشاط الكيميائي من عنصر إلى آخر.

فبعض العناصر أكثر نشاطًا من غيرها، بينما يتميز بعضها بمقاومة أكبر للتفاعل.

ومن الأمثلة الدراسية:

Sc → أكثر نشاطًا نسبيًا

Fe → نشاط متوسط

Cu → أقل نشاطًا نسبيًا

ويجب الانتباه إلى أن النشاط الكيميائي لا يسير في اتجاه واحد بسيط عبر السلسلة كلها.

---

ثانيًا: الخواص المميزة للعناصر الانتقالية

من أشهر الخواص التي تميز كيمياء العناصر الانتقالية:

1. الخواص المغناطيسية.

2. تكوين المركبات والأيونات الملونة.

3. النشاط الحفزي.

4. تعدد حالات التأكسد وتكوين المعقدات.

وتوضح RSC أن تكوين المركبات الملونة والخواص الحفزية من الخواص المهمة المرتبطة بالفلزات الانتقالية.

---

1. الخاصية المغناطيسية

تنقسم المواد من حيث سلوكها المغناطيسي إلى مواد بارامغناطيسية ومواد دايامغناطيسية.

المواد البارامغناطيسية

هي المواد التي تحتوي على إلكترونات مفردة، ولذلك تنجذب إلى المجال المغناطيسي الخارجي.

وكلما زاد عدد الإلكترونات المفردة، زاد العزم المغناطيسي في النموذج الدراسي البسيط.

المواد الدايمغناطيسية

هي المواد التي لا تحتوي على إلكترونات مفردة؛ أي أن الإلكترونات تكون مزدوجة، ولذلك يكون تأثيرها المغناطيسي ضعيفًا في الاتجاه المعاكس للمجال الخارجي.

وتوضح المراجع التعليمية للكيمياء أن عدد الإلكترونات المفردة في أيون الفلز يساعد على تحديد سلوكه البارامغناطيسي أو الدايمغناطيسي.

قاعدة سريعة

إلكترونات مفردة → بارامغناطيسية

لا توجد إلكترونات مفردة → دايامغناطيسية

---

2. خاصية الألوان

من أشهر خصائص مركبات العناصر الانتقالية ظهور ألوان مختلفة.

ويرتبط ذلك غالبًا بوجود مستوى فرعي d غير ممتلئ في الأيون أو المعقد، حيث يمكن أن يحدث انتقال للإلكترون بين مستويات d مختلفة الطاقة.

عند امتصاص المركب جزءًا من الضوء المرئي، يظهر اللون الناتج من الضوء المنعكس أو المار، وغالبًا يكون اللون المرئي مكملًا للون الممتص.

مثال

أيون Cr³⁺ يمتلك تركيبًا d³، ويمكن أن تظهر معقداته المائية بألوان مميزة.

أما الأيونات ذات التركيب:

d⁰ أو d¹⁰

فغالبًا لا يظهر لها لون ناتج عن انتقالات d-d، ولذلك تكون كثير من معقداتها عديمة اللون، مع وجود استثناءات ممكنة بسبب انتقالات الشحنة.

ألوان مهمة للحفظ في المنهج

- Fe³⁺ المتهدرج: أصفر باهت

- Cu²⁺: أزرق

- Cr³⁺: أخضر

«ملاحظة مهمة: لون المركب قد يختلف باختلاف الأيون، وحالة التأكسد، والليجندات والوسط؛ لذلك لا يصح تعميم لون واحد على كل مركبات العنصر.»

---

3. الألوان المتممة

من أهم العلاقات التي تساعدك في أسئلة الألوان:

أحمر ↔ أخضر

برتقالي ↔ أزرق

أصفر ↔ بنفسجي

فإذا امتص المركب ضوءًا من لون معين، فإن اللون الذي نراه يكون اللون المكمل له تقريبًا.

---

4. العناصر الانتقالية كعوامل حفازة

تتميز العديد من العناصر الانتقالية ومركباتها بقدرتها على العمل كعوامل حفازة.

ما العامل الحفاز؟

هو مادة تساعد على زيادة سرعة التفاعل عن طريق توفير مسار للتفاعل يحتاج إلى طاقة تنشيط أقل.

وتتمكن العديد من الفلزات الانتقالية من أداء هذا الدور بسبب طبيعة إلكتروناتها وقدرتها على التفاعل مع المواد المتفاعلة وتكوين حالات وسيطة مناسبة.

---

ماذا يفعل العامل الحفاز؟

العامل الحفاز:

يقلل طاقة التنشيط.

يزيد سرعة التفاعل.

يساعد على الوصول إلى كمية معينة من الناتج في زمن أقل.

ولكنه لا يغير القيمة النهائية لـ ΔH للتفاعل؛ لأن ΔH تعتمد على الفرق بين طاقة النواتج وطاقة المتفاعلات، وليس على المسار الذي يسلكه التفاعل.

معادلة التغير في المحتوى الحراري:

ΔH = Hالنواتج − Hالمتفاعلات

---

أهم التعريفات التي يجب حفظها

البارامغناطيسية

خاصية المواد التي تحتوي على إلكترونات مفردة وتجذبها المجالات المغناطيسية.

الدايمغناطيسية

خاصية المواد التي لا تحتوي على إلكترونات مفردة، ويكون تأثيرها المغناطيسي في الاتجاه المعاكس للمجال الخارجي.

طاقة التنشيط

أقل طاقة لازمة لحدوث التفاعل الكيميائي.

العامل الحفاز

مادة تغير مسار التفاعل بحيث تقل طاقة التنشيط اللازمة، فتزداد سرعة التفاعل دون أن تُستهلك بالطريقة المعتادة كمتفاعل نهائي.

اللون المتمم

اللون الذي يظهر نتيجة الضوء المنعكس أو النافذ بعد امتصاص لون معين من الضوء.

---

أهم النقاط التي تحفظها قبل الامتحان

الكتلة الذرية

تزداد عمومًا بزيادة العدد الذري، مع وجود شذوذ عند Ni.

نصف القطر

يقل من Sc إلى V ثم يثبت تقريبًا من Cr إلى Ni.

الكثافة

تزداد بوجه عام خلال السلسلة.

درجة الانصهار

من أعلى القيم في السلسلة عند Cr.

المغناطيسية

إلكترونات مفردة → بارامغناطيسية.

إلكترونات مزدوجة فقط → دايامغناطيسية.

اللون

يرتبط غالبًا بوجود مستوى d غير ممتلئ وإمكان حدوث انتقالات إلكترونية مناسبة.

العامل الحفاز

يقلل طاقة التنشيط ويزيد سرعة التفاعل، ولا يغير ΔH.

---

فخاخ مهمة في أسئلة الامتحان

الفخ الأول: الخارصين عنصر انتقالي؟

الخارصين Zn يقع في الفئة d، لكنه ليس عنصرًا انتقاليًا بالمعنى الدقيق؛ لأن Zn²⁺ يمتلك تركيبًا d¹⁰ كامل الامتلاء.

لذلك انتبه جيدًا عند السؤال الذي يستخدم عبارة "العناصر الانتقالية" بدلًا من عبارة "عناصر الفئة d".

---

الفخ الثاني: كل مركبات الحديد والكوبلت والنيكل ملونة وبارامغناطيسية؟

لا يصح تعميم ذلك بهذه الصورة.

السلوك المغناطيسي واللون يعتمدان على الأيون وحالة التأكسد وتركيب المعقد.

فمثلًا الأيون ذو التركيب d⁰ أو d¹⁰ لا يمتلك إلكترونات d مفردة، ولذلك يكون دايامغناطيسيًا، وقد تكون معقداته عديمة اللون بالنسبة لانتقالات d-d.

---

الفخ الثالث: العامل الحفاز يغير ΔH؟

لا.

العامل الحفاز يغير مسار التفاعل وطاقة التنشيط، لكنه لا يغير فرق الطاقة بين النواتج والمتفاعلات، وبالتالي لا يغير ΔH.

---

الفخ الرابع: لون المادة هو اللون الممتص

لا.

اللون الذي نراه يرتبط بالضوء المنعكس أو النافذ، وغالبًا يكون مكملًا للون الممتص.

---

خلاصة الدرس في دقيقة واحدة

عناصر السلسلة الانتقالية الأولى تمتد من Sc إلى Zn، وتتميز بمجموعة من الخواص الفيزيائية والكيميائية.

تزداد الكتلة الذرية عمومًا بزيادة العدد الذري مع شذوذ عند Ni، بينما يقل نصف القطر في بداية السلسلة ثم يصبح التغير صغيرًا نسبيًا، وتزداد الكثافة بوجه عام.

أما الخواص المميزة للعناصر الانتقالية فتظهر بصورة واضحة في المغناطيسية وتكوين المركبات الملونة والنشاط الحفزي وتعدد حالات التأكسد.

وأهم قاعدة للمغناطيسية:

إلكترونات مفردة → بارامغناطيسية.

وأهم قاعدة للألوان:

وجود d غير ممتلئ قد يسمح بانتقالات إلكترونية تمتص جزءًا من الضوء المرئي، فيظهر اللون المكمل.

وأهم قاعدة للعوامل الحفازة:

العامل الحفاز يقلل طاقة التنشيط ويزيد سرعة التفاعل، ولا يغير قيمة ΔH.

---

مصادر للتحقق والتوسع

- المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا NIST: بيانات الأوزان الذرية والنظائر، ومنها بيانات النيكل.

- الجمعية الملكية للكيمياء RSC: معلومات العناصر الانتقالية وخواصها، ومنها الكروم والكوبلت والنيكل.

- RSC Education: خواص الفلزات الانتقالية ومركباتها.

- Chemistry LibreTexts: شرح الألوان والمغناطيسية وانتقالات إلكترونات d في المعقدات.

تنبيه: المقال تعليمي للمذاكرة والمراجعة، ويُفضّل مطابقته مع كتاب الوزارة والمنهج المقرر عند الاستعداد للامتحان.