Ossidazione dei metalli di transizione: influenze sulla reattività chimica
Il concetto di numero di ossidazione negli elementi è strettamente legato al trasferimento di elettroni durante la formazione di un composto chimico. Tale numero determina anche la capacità di un atomo di ossidare o ridurre altre specie chimiche.
La presenza di più di un numero di ossidazione nei metalli di transizione è dovuta all’occupazione di elettroni negli orbitali d. Aumentando il numero atomico, anche il numero di elettroni negli orbitali d aumenta, portando ad un aumento del numero di ossidazione, causato principalmente dall’aumento degli elettroni spaiati.
Ad esempio, se un atomo possiede 5 elettroni nell’orbitale d, avrà 5 elettroni spaiati, corrispondenti al massimo numero di elettroni spaiati possibili nell’orbitale d. Allo stesso modo, l’orbitale s può interagire con l’orbitale d, permettendo la promozione di elettroni da un orbitale all’altro.
Un approccio rapido per determinare il massimo numero di ossidazione di un metallo di transizione, escludendo rame e cromo, consiste nel sommare il numero di elettroni spaiati negli orbitali d ai due elettroni dell’orbitale s.
I metalli di transizione, tranne lo scandio e lo zinco secondo la IUPAC, possono presentare vari numeri di ossidazione. Gli elementi evidenziano un incremento dei numeri di ossidazione dallo scandio al manganese, seguito da una diminuzione dal manganese allo zinco, correlato alla riduzione del numero di elettroni spaiati all’aumentare del riempimento dell’orbitale d.
Gli elementi con più numeri di ossidazione mostrano in genere una maggiore stabilità in alcuni di essi. Il titanio, ad esempio, presenta come numero di ossidazione più stabile il +4, mentre il manganese presenta tre numeri di ossidazione particolarmente stabili: +7, +4 e +2.
L’ossidazione più elevata e stabile di un elemento lo rende un eccellente agente ossidante, capace di trasformarsi in uno stato di ossidazione inferiore. Inoltre, un elemento con più di due stati di ossidazione può dare reazioni di disproporzione quando si trova in uno stato di ossidazione intermedio.
La reattività dei metalli di transizione è strettamente legata alla loro variazione di stato di ossidazione, e la stabilità relativa di questi numeri di ossidazione è di grande importanza nella chimica di questi elementi. Per fare riferimento a valori di potenziali normali di riduzione (E°), è utile utilizzare l’equazione di Gibbs per calcolare l’energia libera standard associata alla reazione di ossidazione.
Si noti che tali grandezze termodinamiche non forniscono indicazioni sulla cinetica delle reazioni.