siirtymäelementeillä on useita yhteisiä ominaisuuksia, joita ei löydy muista alkuaineista, mikä johtuu osittain täytetystä d-kuoresta. Näitä ovat

• sellaisten yhdisteiden muodostuminen, joiden väri johtuu D–D elektronisista siirtymistä
• yhdisteiden muodostuminen monissa hapetustiloissa johtuen suhteellisen pienestä energiaerosta eri mahdollisten hapetustilojen välillä
• monien paramagneettisten yhdisteiden muodostuminen parittomien d-elektronien läsnäolosta. Muutamat pääryhmän alkuaineiden yhdisteet ovat myös paramagneettisia (esim. typpioksidi, happi)

useimmat siirtymämetallit voivat sitoutua erilaisiin ligandeihin, mikä mahdollistaa monenlaiset siirtymämetallikompleksit.

värilliset yhdisteet

vasemmalta oikealle, vesiliuokset: Co(NO
3)
2 (punainen); K
2CR
2o
7 (oranssi); K
2cro
4 (Keltainen); nicl
2 (turkoosi); cuso
4 (Sininen); kmno
4 (Violetti).

väri siirtymäsarjan metalliyhdisteissä johtuu yleensä kahta päätyyppiä olevista elektronisista siirtymistä.

• charge transfer transitions. Elektroni voi hypätä pääasiassa ligandiorbitaalilta pääasiassa metalliorbitaalille, jolloin syntyy ligandista metalliin varauksensiirto (lmct). Näitä syntyy helpoimmin, kun metalli on korkeassa hapetustilassa. Esimerkiksi kromaatti -, dikromaatti-ja permanganaatti-ionien väri johtuu LMCT-siirtymistä. Toinen esimerkki on, että elohopeajodidi, HgI2, on punaista LMCT-siirtymän vuoksi.

metallin ligandin varauksensiirto (mlct) tapahtuu todennäköisimmin silloin, kun metalli on matalassa hapetustilassa ja ligandi pelkistyy helposti.

yleisvarauksensiirrossa transitiot johtavat voimakkaampiin väreihin kuin d-d-transitiot.

• D-D siirtymät. Elektroni hyppää d-orbitaalilta toiselle. Siirtymämetallien komplekseissa d-orbitaaleilla ei ole kaikilla samaa energiaa. D-orbitaalien jakautumiskuvio voidaan laskea kidekenttäteorian avulla. Halkaisun laajuus riippuu tietystä metallista, sen hapetustilasta ja ligandien luonteesta. Todelliset energiatasot on esitetty Tanaben-Suganon diagrammeissa.

centrosymmetrisissä komplekseissa, kuten oktaedrisissä komplekseissa, d-d-siirtymät ovat Laporte-säännön mukaan kiellettyjä ja tapahtuvat vain vibronikytkennän vuoksi, jossa molekyylien värähtely tapahtuu yhdessä D-d-siirtymän kanssa. Tetraedrikomplekseilla on jonkin verran voimakkaampi väri, koska D-ja p-orbitaalien sekoittaminen on mahdollista silloin, kun symmetriakeskusta ei ole, joten siirtymät eivät ole puhtaita d-d-siirtymiä. D-d-siirtymien aiheuttamien kaistojen mooliabsorptiokyky (ε) on suhteellisen alhainen, suurin piirtein välillä 5-500 M−1cm−1 (Missä M = mol dm−3). Jotkut D-d-siirtymät ovat spin kielletty. Esimerkki esiintyy oktaedrisissa, korkean Spinin komplekseissa mangaani (II), jolla on D5-konfiguraatio, jossa kaikilla viidellä elektronilla on yhdensuuntaiset Spinit; tällaisten kompleksien väri on paljon heikompi kuin komplekseilla, joissa on Spinin sallimia siirtymiä. Monet mangaani(II) – yhdisteet ovat lähes värittömiä. Spektri 2 +
osoittaa näkyvän spektrin suurimman mooliabsorptiokyvyn olevan noin 0,04 M−1cm−1.

Hapetustilat

siirtymämetalleille on ominaista, että niillä on kaksi tai useampia hapetustiloja, jotka eroavat yleensä yhdellä. Esimerkiksi vanadiinin yhdisteitä tunnetaan kaikissa hapetustiloissa välillä -1, kuten −
, ja +5, kuten vo3−

siirtymämetallien Hapetustilat. Kiinteissä pisteissä esiintyy yhteisiä hapetustiloja ja ontoissa pisteissä mahdollisia, mutta epätodennäköisiä tiloja.

ryhmien 13-18 Pääaineilla on myös useita hapetustiloja. Näiden alkuaineiden” yhteiset ” hapetustilat eroavat tyypillisesti kahdella yhden sijaan. Esimerkiksi galliumin yhdisteitä on hapetustiloissa +1 ja +3, joissa on yksi galliumatomi. Ga(II): n yhdistettä ei tunneta: millä tahansa tällaisella yhdisteellä olisi pariton elektroni ja se käyttäytyisi vapaana radikaalina ja tuhoutuisi nopeasti. Ainoat yhdisteet, joissa galliumin muodollinen hapetustila on +2, ovat dimeeriset yhdisteet, kuten 2−
, jotka sisältävät kunkin Ga-atomin parittomasta elektronista muodostuneen Ga-Ga-sidoksen. Näin ollen tärkein ero hapetustiloissa, siirtymäalkioiden ja muiden alkuaineiden välillä on se, että tunnetaan hapetustiloja, joissa alkuaineessa on yksi atomi ja yksi tai useampi pariton elektroneja.

ensimmäisen rivin siirtymämetallien suurin hapetustila on yhtä suuri kuin valenssielektronien määrä titaanista (+4) mangaaniin (+7) asti, mutta pienenee myöhemmissä alkuaineissa. Toisella rivillä maksimi esiintyy ruteniumin kanssa (+8) ja kolmannella rivillä maksimi esiintyy Iridiumin kanssa (+9). Yhdisteissä kuten −
ja OsO
4 alkuaineet saavuttavat vakaan konfiguraation kovalenttisella sidoksella.

alimmat hapetustilat ilmenevät metallikarbonyylikomplekseissa, kuten Cr(CO)
6 (hapetustila nolla) ja 2−
(hapetustila -2), joissa noudatetaan 18 elektronin sääntöä. Nämä kompleksit ovat myös kovalenttisia.

ioniyhdisteitä muodostuu useimmiten hapetustiloilla +2 ja +3. Vesiliuoksessa ioneja hydratoi (yleensä)kuusi vesimolekyyliä, jotka ovat järjestyneet oktaedrisesti.

magnetismi

Siirtymämetalliyhdisteet ovat paramagneettisia, kun niillä on yksi tai useampi pariton d-elektroneja. Oktaedrisissä komplekseissa, joissa on neljästä seitsemään d-elektronia, sekä korkea spin että matala spin-tila ovat mahdollisia. Tetraedriset siirtymämetallikompleksit, kuten 2 –
, ovat korkeita spinejä, koska kidekentän halkaisu on pieni niin, että pienempienergiaisilla orbitaaleilla olevien elektronien ansiosta saatava energia on aina pienempi kuin pyörähdysten parittamiseen tarvittava energia. Jotkin yhdisteet ovat diamagneettisia. Näitä ovat oktaedriset, matalapinoiset, D6-ja neliöplanaariset D8-kompleksit. Tällöin kidekentän halkaisu on sellainen, että kaikki elektronit ovat pareittain.

Ferromagnetismi tapahtuu, kun yksittäiset atomit ovat paramagneettisia ja spin-vektorit ovat samansuuntaisia keskenään kiteisessä materiaalissa. Metallinen rauta ja metalliseos alnico ovat esimerkkejä ferromagneettisista materiaaleista, joihin liittyy siirtymämetalleja. Anti-ferromagnetismi on toinen esimerkki magneettisesta ominaisuudesta, joka syntyy yksittäisten pyörähdysten tietystä kohdistumisesta kiinteässä olomuodossa.

katalyyttiset ominaisuudet

siirtymämetallit ja niiden yhdisteet tunnetaan homogeenisesta ja heterogeenisestä katalyyttisestä aktiivisuudestaan. Tämä aktiivisuus johtuu niiden kyvystä omaksua useita hapettumistiloja ja muodostaa komplekseja. Esimerkkejä ovat vanadiini(V) oksidi (kosketusprosessissa), hienoksi jaettu rauta (Haber-prosessissa) ja nikkeli (katalyyttisessä vedytyksessä). Kiinteällä pinnalla oleviin katalyytteihin (nanomateriaalipohjaisiin katalyytteihin) liittyy reagoivien molekyylien ja katalyytin pinnan atomien välisten sidosten muodostuminen (ensimmäisen rivin siirtymämetallit käyttävät sidosaineena 3D-ja 4S-elektroneja). Tämä lisää reaktanttien pitoisuutta katalyytin pinnalla ja heikentää myös reagoivien molekyylien sidoksia (aktivointienergia laskee). Myös koska siirtymämetalli-ionit voivat muuttaa hapetustilojaan, ne tehostuvat katalyytteinä.

mielenkiintoinen katalyysityyppi syntyy, kun reaktion tuotteet katalysoivat reaktiota, joka tuottaa enemmän katalyyttiä (autokatalyysi). Yksi esimerkki on oksaalihapon reaktio happamoituneen kaliumpermanganaatin (tai manganaatin (VII)) kanssa. Kun pieni Mn2+ on tuotettu, se voi reagoida MnO4: ää muodostavan mn3+: n kanssa. Tämän jälkeen tämä reagoi C2O4-ionien kanssa muodostaen jälleen MN2+: n.

fysikaaliset ominaisuudet

kuten nimestä voi päätellä, kaikki siirtymämetallit ovat metalleja ja siten sähkön johtimia.

yleensäkin siirtymämetalleilla on korkea tiheys ja korkeat sulamis-ja kiehumispisteet. Nämä ominaisuudet johtuvat delokalisoituneiden d-elektronien metallisidoksesta, mikä johtaa yhteenkuuluvuuteen, joka kasvaa jaettujen elektronien määrän myötä. Ryhmän 12 metalleilla on kuitenkin paljon matalammat sulamis-ja kiehumispisteet, koska niiden täydet d–alikuoret estävät D-D-sidoksen, mikä taas pyrkii erottamaan ne hyväksytyistä siirtymämetalleista. Elohopean sulamispiste on -38,83 °C (-37,89 °F) ja se on huoneenlämpötilassa nestettä.