இடைநிலை மற்றும் உள்இடைநிலைத் தனிமங்கள்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

இடைநிலை மற்றும் உள்இடைநிலைத் தனிமங்கள் பற்றி

நடுத்தரம் ~150 நிமிடப் படிப்பு

d-தொகுதி s-தொகுதிக்கும் p-தொகுதிக்கும் இடையே உள்ளது. f-தொகுதி தனிம வரிசை அட்டவணையின் அடியில் இரண்டு தனி வரிசைகளாக வைக்கப்பட்டுள்ளது. இவையே இடைநிலைத் தனிமங்களும் (Transition elements) உள் இடைநிலைத் தனிமங்களும் (Inner transition elements). ஆய்வகத்திலும் தொழிற்சாலையிலும் அடிக்கடி சந்திக்கும் இரும்பு, தாமிரம், குரோமியம், மாங்கனீசு ஆகியவையும், லாந்தனாய்டுகளும் ஆக்டினாய்டுகளும் இவற்றில் அடங்கும்.

இந்தப் பாடத்தில் வரும் ஏறக்குறைய ஒவ்வொரு பண்புக்கும் காரணம் பகுதியளவு நிரம்பிய d அல்லது f ஆர்பிட்டால்கள். (n-1)d, ns எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல்கள் நெருக்கமாக இருப்பதால் இடைநிலை உலோகங்கள் பல ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் காட்டுகின்றன. இணையாகாத d எலக்ட்ரான்கள் அவற்றின் அயனிகளைப் பாரா காந்தத் தன்மை உடையவையாக்குகின்றன. d-d இடப்பெயர்ச்சிகள் அவற்றின் பல சேர்மங்களுக்கு நிறம் தருகின்றன. ஆக்சிஜனேற்ற நிலையை மாற்றிக்கொள்ளும் இதே திறன்தான் அவை நல்ல வினைவேக மாற்றிகளாகச் செயல்படுவதற்கும் காரணம்.

அணு ஆரங்களின் மாறுபாட்டை விளக்குதல், சுழற்சி மட்டும் காந்தத் திருப்புத்திறனைக் கணக்கிடுதல், \(K_{2}Cr_{2}O_{7}\), \(KMnO_{4}\) ஆகியவற்றின் ஆக்சிஜனேற்ற வினைகளுக்குச் சமன் செய்த சமன்பாடுகள் எழுதுதல் ஆகியவை தேர்வில் அடிக்கடி கேட்கப்படுகின்றன. லாந்தனாய்டு குறுக்கமும், சிர்கோனியம், ஹாஃப்னியம் ஏறக்குறைய ஒரே அளவில் இருப்பது போன்ற அதன் விளைவுகளும் வழக்கமாக வரும் மற்றொரு தலைப்பு.

நீங்கள் கற்பவை

• நவீன தனிம வரிசை அட்டவணையில் d-தொகுதி, f-தொகுதித் தனிமங்களின் இடத்தைக் கண்டறிதல்.
• ஒரு இடைநிலை வரிசையில் அணு ஆரம், அயனியாக்கும் என்தால்பி ஆகியவற்றின் மாறுபாட்டை விளக்குதல்.
• ஒரு அயனியின் இணையாகாத எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கையிலிருந்து அதன் சுழற்சி மட்டும் காந்தத் திருப்புத்திறனைக் கணக்கிடுதல்.
• லாந்தனாய்டு குறுக்கத்தின் காரணத்தை விளக்கி அதன் விளைவுகளைக் கூறுதல்.
• பொட்டாசியம் டைகுரோமேட், பொட்டாசியம் பெர்மாங்கனேட் ஆகியவற்றின் தயாரிப்பையும் ஆக்சிஜனேற்ற வினைகளையும் விவரித்தல்.
• லாந்தனாய்டுகள், ஆக்டினாய்டுகளின் ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளையும் பிற பண்புகளையும் ஒப்பிடுதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• நீண்ட வடிவ தனிம வரிசை அட்டவணையும் அதன் தொகுதிகளும்.
• ஆர்பிட்டால்கள் நிரம்புவதற்கான ஆஃபா தத்துவமும் ஹுண்ட் விதியும்.
• ஆக்சிஜனேற்ற ஒடுக்க வினைகளும் ஆக்சிஜனேற்ற எண்களைக் கணக்கிடுதலும்.
• மறைத்தல் விளைவும் பயனுறு அணுக்கரு மின்சுமையும்.

இடைநிலை மற்றும் உள்இடைநிலைத் தனிமங்கள் — விரிவான விளக்கம்

d-தொகுதி மற்றும் f-தொகுதித் தனிமங்கள்

d-தொகுதியின் பொதுப் பண்புகள்

d-தொகுதித் தனிமங்கள் 3 முதல் 12 வரையிலான தொகுதிகளில் உள்ளன. ஒவ்வொரு வரிசையிலும் அவற்றின் d ஆர்பிட்டால்கள் நிரம்புகின்றன. துத்தநாகம், காட்மியம், பாதரசம் தவிர மற்றவை பொதுவாக அதிக அடர்த்தியும் அதிக உருகுநிலையும் கொண்ட கடினமான உலோகங்கள். (n-1)d, ns எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல்கள் ஒத்திருப்பதால் இரண்டு தொகுப்புகளும் பிணைப்பில் பயன்படலாம்; அதனால் இவை மாறுபடும் ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் காட்டுகின்றன. எடுத்துக்காட்டாக, மாங்கனீசு +2 முதல் +7 வரை எல்லா ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளையும் காட்டுகிறது.

எலக்ட்ரான் அமைப்பும் அணு ஆரங்களும்

பொதுவான எலக்ட்ரான் அமைப்பு \([\text{noble gas}]\,(n-1)d^{1-10} ns^{1-2}\). குரோமியம் (3d⁵ 4s¹), தாமிரம் (3d¹⁰ 4s¹) போன்ற சில விதிவிலக்குகள் உள்ளன. ஒரு வரிசையில் முதலில் அணுக்கரு மின்சுமை அதிகரிப்பதால் அணு ஆரம் குறைகிறது. நடுப்பகுதியில் ஆரம் ஏறக்குறைய மாறாமல் இருக்கிறது; ஏனெனில் சேரும் ஒவ்வொரு d எலக்ட்ரானும் வெளி எலக்ட்ரான்களை மறைத்து, கூடுதல் அணுக்கரு மின்சுமையின் பெரும்பகுதியை ஈடுசெய்கிறது. வரிசையின் இறுதியில், நிரம்பிய d ஆர்பிட்டால்களில் உள்ள இணை எலக்ட்ரான்களுக்கு இடையேயான விலக்குதலால் ஆரம் சிறிது அதிகரிக்கிறது.

காந்தப் பண்புகளும் வினைவேக மாற்றமும்

இணையாகாத எலக்ட்ரான்கள் கொண்ட அயனிகள் பாரா காந்தத் தன்மை உடையவை. சுழற்சி மட்டும் காந்தத் திருப்புத்திறன் \(\mu = \sqrt{n(n+2)}\) BM; இங்கு n என்பது இணையாகாத எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை. எனவே ஐந்து இணையாகாத எலக்ட்ரான்கள் கொண்ட Fe³⁺ க்கு \(\mu = \sqrt{35} \approx 5.92\) BM. இடைநிலை உலோகங்களும் அவற்றின் சேர்மங்களும் எளிதாக ஆக்சிஜனேற்ற நிலையை மாற்றிக்கொள்கின்றன; வினைபடு பொருள்கள் பரப்புக் கவரப்படும் ஒரு பரப்பையும் தருகின்றன. அதனால் அவை நல்ல வினைவேக மாற்றிகள். ஹேபர் முறையில் இரும்பும், தொடு முறையில் V₂O₅ உம் வழக்கமான எடுத்துக்காட்டுகள்.

பொட்டாசியம் டைகுரோமேட்டும் பொட்டாசியம் பெர்மாங்கனேட்டும்

இரண்டும் ஆய்வகத்தில் பயன்படும் வலிமையான ஆக்சிஜனேற்றிகள். கரைசலில் ஆரஞ்சு நிற டைகுரோமேட்டும் மஞ்சள் நிற குரோமேட்டும் சமநிலையில் உள்ளன. எது அதிகமாக இருக்கும் என்பதை pH முடிவு செய்கிறது: அமிலம் சேர்த்தால் டைகுரோமேட், காரம் சேர்த்தால் குரோமேட். பொட்டாசியம் பெர்மாங்கனேட் அடர் ஊதா நிறம் கொண்டது. அமில ஊடகத்தில் MnO₄^- ஐந்து எலக்ட்ரான்களை ஏற்று Mn²⁺ ஆக ஒடுக்கப்படுகிறது. நடுநிலை அல்லது மென்கார ஊடகத்தில் மூன்று எலக்ட்ரான்களை ஏற்று MnO₂ ஆக ஒடுக்கப்படுகிறது.

லாந்தனாய்டுகளும் லாந்தனாய்டு குறுக்கமும்

லாந்தனாய்டுகளில் 4f ஆர்பிட்டால்கள் நிரம்புகின்றன. லாந்தனம் முதல் லுட்டீசியம் வரை அணு ஆரமும் அயனி ஆரமும் சீராகக் குறைகின்றன. இதுவே லாந்தனாய்டு குறுக்கம் (Lanthanoid contraction). 4f எலக்ட்ரான்கள் வெளி எலக்ட்ரான்களைச் சரியாக மறைப்பதில்லை; அதனால் அதிகரிக்கும் அணுக்கரு மின்சுமை எலக்ட்ரான் மேகத்தை அருகே இழுக்கிறது. இதன் விளைவாக, ஒரே தொகுதியில் உள்ள இரண்டாம், மூன்றாம் இடைநிலை வரிசைத் தனிமங்கள், எ.கா. Zr, Hf, ஏறக்குறைய ஒரே அளவும் மிக ஒத்த வேதிப் பண்புகளும் கொண்டுள்ளன.

ஆக்டினாய்டுகளும் லாந்தனாய்டுகளுடன் ஒப்பீடும்

ஆக்டினாய்டுகளில் 5f ஆர்பிட்டால்கள் நிரம்புகின்றன; அவை அனைத்தும் கதிரியக்கத் தன்மை உடையவை. 5f, 6d, 7s ஆர்பிட்டால்களின் ஆற்றல்கள் நெருக்கமாக இருப்பதால் லாந்தனாய்டுகளை விட அதிக வகையான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் காட்டுகின்றன. இரண்டு வரிசைகளிலும் அளவு குறுக்கம் உண்டு. ஆனால் 5f எலக்ட்ரான்கள் 4f எலக்ட்ரான்களை விட இன்னும் மோசமாக மறைப்பதால், ஒரு தனிமத்திலிருந்து அடுத்த தனிமத்துக்கு ஆக்டினாய்டு குறுக்கம் அதிகமாக உள்ளது.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• ஒரு இடைநிலைத் தனிமத்தின் தொகுதி எண்ணையே அதன் d எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கையாக எடுத்துக்கொள்வது. இரும்பு 8 ஆம் தொகுதியில் உள்ளது; ஆனால் Fe3+ இல் ஐந்து d எலக்ட்ரான்கள் உள்ளன.
• 4d, 5d தனிமங்களை ஒப்பிடும்போது லாந்தனாய்டு குறுக்கத்தை மறந்து, Hf, Zr ஐ விட மிகப் பெரியதாக இருக்கும் என்று தவறாக எதிர்பார்ப்பது.
• ஒவ்வொரு இடைநிலை உலோக அயனியும் பாரா காந்தத் தன்மை உடையது என்று நினைப்பது. Sc3+, Zn2+ போன்ற d0 அல்லது d10 அமைப்பு கொண்ட அயனிகளில் இணையாகாத எலக்ட்ரான்கள் இல்லை; அவை டயா காந்தத் தன்மை உடையவை.
• குரோமேட்-டைகுரோமேட் சமநிலையை pH கட்டுப்படுத்துகிறது என்பதை மறப்பது: அமிலம் ஆரஞ்சு நிற டைகுரோமேட்டைத் தருகிறது; காரம் மஞ்சள் நிற குரோமேட்டைத் தருகிறது.
• ஒரு அயனியின் எலக்ட்ரான் அமைப்பை எழுதும்போது 4s எலக்ட்ரான்களுக்கு முன் 3d எலக்ட்ரான்களை நீக்குவது. 4s எலக்ட்ரான்களே முதலில் இழக்கப்படுகின்றன; எனவே Fe2+ என்பது 3d6, 3d4 4s2 அல்ல.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

இடைநிலை உலோகங்கள் ஏன் மாறுபடும் ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் காட்டுகின்றன?

அவற்றின் (n-1)d, ns எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல்கள் நெருக்கமானவை. எனவே இரண்டு துணைக்கூடுகளிலிருந்தும் எலக்ட்ரான்களைப் பிணைப்பில் இழக்கவோ பகிரவோ முடியும். பயன்படும் எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை ஒரு சேர்மத்திலிருந்து மற்றொரு சேர்மத்துக்கு மாறலாம்; இதனால் பல ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகள் கிடைக்கின்றன. எடுத்துக்காட்டாக, மாங்கனீசு MnSO4 இல் +2, MnO2 இல் +4, KMnO4 இல் +7.

லாந்தனாய்டு குறுக்கத்துக்குக் காரணம் என்ன?

லாந்தனம் முதல் லுட்டீசியம் வரை செல்லும்போது ஒவ்வொரு படியிலும் அணுக்கரு மின்சுமை ஒரு அலகு அதிகரிக்கிறது; கூடுதல் எலக்ட்ரான் 4f ஆர்பிட்டாலுக்குச் செல்கிறது. 4f எலக்ட்ரான்கள் வெளி எலக்ட்ரான்களைச் சரியாக மறைப்பதில்லை. அதனால் பயனுறு அணுக்கரு மின்சுமை உயர்ந்து, முழு எலக்ட்ரான் மேகமும் அணுக்கருவை நோக்கி இழுக்கப்படுகிறது. எனவே வரிசை முழுவதும் அளவு சீராகக் குறைகிறது.

ஒரு இடைநிலை உலோக அயனி நிறமுடையதா என்பதை எப்படி அறியலாம்?

பகுதியளவு நிரம்பிய d துணைக்கூடு (d1 முதல் d9) உள்ளதா என்று பாருங்கள். அத்தகைய அயனி கண்ணுறு ஒளியை உறிஞ்சி, ஒரு எலக்ட்ரானைக் கீழ் d ஆற்றல் மட்டத்திலிருந்து மேல் மட்டத்துக்கு உயர்த்த முடியும். நாம் காணும் நிறம் உறிஞ்சப்பட்ட ஒளியின் நிரப்பு நிறம். Sc3+, Zn2+ போன்ற d0 அல்லது d10 அமைப்பு கொண்ட அயனிகள் பொதுவாக நிறமற்றவை. MnO4- இன் ஊதா நிறம் விதிவிலக்கு; அது d-d இடப்பெயர்ச்சியால் அல்ல, மின்சுமை இடமாற்றத்தால் (charge transfer) ஏற்படுகிறது.

லாந்தனாய்டுகளும் ஆக்டினாய்டுகளும் எப்படி வேறுபடுகின்றன?

லாந்தனாய்டுகள் முக்கியமாக \(+3\) ஆக்சிஜனேற்ற நிலையைக் காட்டுகின்றன; புரோமெத்தியம் தவிர அவை கதிரியக்கத் தன்மை அற்றவை. ஆக்டினாய்டுகளின் 5f, 6d, 7s ஆர்பிட்டால்களின் ஆற்றல்கள் நெருக்கமாக இருப்பதால் அவை \(+7\) வரை அதிக வகையான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் காட்டுகின்றன. எல்லா ஆக்டினாய்டுகளும் கதிரியக்கத் தன்மை உடையவை. ஒரு ஆக்டினாய்டிலிருந்து அடுத்ததற்கு அளவுக் குறுக்கம் லாந்தனாய்டுகளை விட அதிகம்.

இடைநிலை உலோகங்கள் ஏன் நல்ல வினைவேக மாற்றிகள்?

அவை எளிதாக ஆக்சிஜனேற்ற நிலையை மாற்றிக்கொள்கின்றன. எனவே வினைபடு பொருள்களுடன் நிலையற்ற இடைநிலைச் சேர்மங்களை உருவாக்கி, பிறகு அவற்றை விளைபொருள்களாக விடுவிக்க முடியும். அவற்றின் பரப்பு வினைபடு மூலக்கூறுகளைக் கவர்ந்து அருகருகே கொண்டுவருகிறது. இந்த இரண்டு விளைவுகளும் குறைந்த கிளர்வு ஆற்றல் கொண்ட வழியைத் தருவதால் வினை வேகமாக நடக்கிறது.

இடைச்செருகல் சேர்மங்கள் என்றால் என்ன?

ஹைட்ரஜன், போரான், கார்பன், நைட்ரஜன் போன்ற சிறிய அணுக்கள் ஒரு இடைநிலை உலோகத்தின் படிக அணிக்கோவையில் உள்ள வெற்றிடங்களில் அமரும்போது இவை உருவாகின்றன. TiC, Fe3H ஆகியவை எடுத்துக்காட்டுகள். இவை பொதுவாக விகிதவியல் சாராதவை (non-stoichiometric), தூய உலோகத்தை விடக் கடினமானவை, அதிக உருகுநிலை கொண்டவை; இருந்தும் மின்சாரத்தைக் கடத்துகின்றன.