ในวิชาเคมีโลหะทรานซิชัน (หรือธาตุทรานซิชัน ) คือธาตุเคมีในกลุ่ม dของตารางธาตุ (หมู่ 3 ถึง 12) แม้ว่าบางครั้งธาตุในหมู่ 12 (และบางครั้งหมู่ 3 ) จะถูกยกเว้นออกไป ธาตุ แลนทานอยด์และแอกทินอยด์ ( กลุ่ม f ) เรียกว่าโลหะทรานซิชันภายในและบางครั้งก็ถือว่าเป็นโลหะทรานซิชันด้วยเช่นกัน

ธาตุเหล่านี้เป็นโลหะมันวาวที่มี คุณสมบัติการนำ ไฟฟ้าและความร้อน ที่ดี ส่วนใหญ่ (ยกเว้นหมู่ 11และหมู่ 12) มีความแข็งและแข็งแรง และมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง พวกมันสามารถสร้างสารประกอบได้ในสถานะออกซิเดชัน ที่แตกต่างกันสองสถานะขึ้นไป และจับกับ ลิแกนด์หลากหลายชนิดเพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนซึ่งมักมีสี พวกมันสามารถสร้างโลหะผสม ที่มีประโยชน์มากมาย และมักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในรูปธาตุหรือในสารประกอบ เช่น สารประกอบเชิงซ้อนและออกไซด์ส่วนใหญ่มี คุณสมบัติ เป็นพาราแมกเนติก อย่างมาก เนื่องจากมีอิเล็กตรอน d ที่ไม่จับคู่เช่นเดียวกับสารประกอบหลายชนิดของพวกมัน ธาตุทั้งหมดที่มีคุณสมบัติเป็นเฟอร์โรแมกเนติกใกล้กับอุณหภูมิห้องเป็นโลหะทรานซิชัน ( เหล็กโคบอลต์และนิกเกล ) หรือโลหะทรานซิชันภายใน ( แกโดลิเนียม )

นักเคมีชาวอังกฤษCharles Rugeley Bury (1890–1968) เป็นคนแรกที่ใช้คำว่า " transition"ในบริบทนี้ในปี 1921 โดยอ้างถึงอนุกรมของธาตุทรานซิชันในช่วงการเปลี่ยนแปลงของชั้นอิเล็กตรอนภายใน (เช่นn  = 3 ในแถวที่ 4 ของตารางธาตุ) จากกลุ่มที่มีเสถียรภาพ 8 ตัว ไปเป็นกลุ่ม 18 ตัว หรือจาก 18 ไปเป็น 32 ตัว^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}ปัจจุบันธาตุเหล่านี้รู้จักกันในชื่อ d-block

หลักการตั้งชื่อทางเคมีของIUPAC ปี 2011 อธิบาย "โลหะทรานซิชัน" ว่าเป็นธาตุใดๆ ในหมู่ 3 ถึง 12 บนตารางธาตุ^{[ 4 ]}ซึ่งตรงกับ ธาตุ ในบล็อก d อย่างแม่นยำ และนักวิทยาศาสตร์หลายคนใช้คำจำกัดความนี้^{[ 5 ] [ 6 ]}ในทางปฏิบัติจริงอนุกรมแลนทานอยด์และแอกทินอยด์ในบล็อก fเรียกว่า "โลหะทรานซิชันภายใน" หนังสือสีแดง ปี 2005 อนุญาตให้ยกเว้นธาตุในหมู่ 12 ได้ แต่หลักการ ปี 2011 ไม่ ได้อนุญาต ^{[ 7 ]}

หนังสือทองคำของ IUPAC ^{[ 8 ]}นิยามโลหะทรานซิชันว่า " ธาตุที่มีอะตอมซึ่งมีซับเชลล์d ที่บรรจุไม่เต็มบางส่วน หรือสามารถก่อให้เกิด แคตไอออนที่มีซับเชลล์ d ไม่สมบูรณ์" แต่นิยามนี้มาจากหนังสือสีแดง ฉบับเก่า และไม่มีอยู่ในฉบับปัจจุบันแล้ว^{[ 7 ]}

ในกลุ่มธาตุ d-block อะตอมของธาตุต่างๆ จะมีอิเล็กตรอน d จำนวนระหว่างศูนย์ถึงสิบตัว

ตำราที่ตีพิมพ์และตารางธาตุแสดงความแตกต่างเกี่ยวกับสมาชิกที่หนักกว่าของกลุ่ม 3 [ ^{9 ] การ}วางแลนทานัมและแอคติเนียมในตำแหน่งเหล่านี้โดยทั่วไปไม่ได้รับการสนับสนุนจากหลักฐาน ทางกายภาพ เคมี และอิเล็กทรอนิกส์ [ ^{10 ] [ 11 ] [ 12 ]}ซึ่งส่วนใหญ่สนับสนุนการวางลูเทเซียมและลอว์เรนเซียมในตำแหน่งเหล่านั้น^{[ 13 ] [ 14 ]}ผู้เขียนบางคนชอบที่จะเว้นช่องว่างใต้อิตเทรียมไว้ ว่างเปล่าเป็นตัว ^{เลือก}ที่สาม แต่มีความสับสนว่ารูปแบบนี้หมายความว่ากลุ่ม 3 ประกอบด้วยสแกนเดียมและอิตเทรียมเท่านั้น หรือประกอบด้วยแลนทานัมและแอคตินัมทั้งหมดด้วย^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}นอกจากนี้ยังสร้างบล็อก f ที่มีความกว้าง 15 ธาตุ ในขณะที่กลศาสตร์ควอนตัมกำหนดว่าบล็อก f ควรมีความกว้างเพียง 14 ธาตุเท่านั้น^{[ 15 ]}รูปแบบที่มีลูเทเซียมและลอว์เรนเซียมในหมู่ 3 ได้รับการสนับสนุนจาก รายงาน IUPAC ปี 1988 ในด้านกายภาพ เคมี และอิเล็กทรอนิกส์^{[ 20 ]}และอีกครั้งโดยรายงานเบื้องต้นของ IUPAC ปี 2021 เนื่องจากเป็นรูปแบบเดียวที่อนุญาตให้ (1) รักษาลำดับของเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น (2) บล็อก f กว้าง 14 ธาตุ และ (3) หลีกเลี่ยงการแยกในบล็อก d ได้พร้อมกัน^{[ 15 ]}ยังคงพบการโต้แย้งในวรรณกรรมร่วมสมัยที่อ้างว่าปกป้องรูปแบบที่มีแลนทานัมและแอคติเนียมในหมู่ 3 แต่ผู้เขียนหลายคนพิจารณาว่าไม่สอดคล้องกันทางตรรกะ (ประเด็นโต้แย้งโดยเฉพาะคือการปฏิบัติต่อแอคติเนียมและทอเรียม ที่แตกต่างกัน ซึ่งทั้งสองสามารถใช้ 5f เป็นวงโคจรวาเลนซ์ได้แต่ไม่มีการครอบครอง 5f ในฐานะอะตอมเดี่ยว) ^{[ 14 ] [ 21 ] [ 22 ]}นักวิจัยส่วนใหญ่ที่พิจารณาปัญหานี้เห็นด้วยกับรูปแบบที่ปรับปรุงแล้วด้วยลูเทเซียมและลอว์เรนเซียม^{[ 14 ]}

ธาตุหมู่ 12 ได้แก่สังกะสี แคดเมียมและปรอทบางครั้งถูกแยกออกจากโลหะทรานซิชัน^{[ 1 ]}เนื่องจากธาตุเหล่านี้มีโครงสร้างอิเล็กตรอน [ ]d ¹⁰ s ²ซึ่งเปลือก d สมบูรณ์^{[ 23 ]} และยังคงมีเปลือก d ที่สมบูรณ์ใน สถานะออกซิเดชันที่รู้จักทั้งหมด ธาตุหมู่ 12 Zn, Cd และ Hg จึงอาจถูกจัดเป็น โลหะหลังทรานซิชันภายใต้เกณฑ์บางประการในกรณีนี้ อย่างไรก็ตาม การรวมธาตุเหล่านี้ไว้ในการอภิปรายเกี่ยวกับธาตุทรานซิชันมักเป็นเรื่องสะดวก ตัวอย่างเช่น เมื่ออภิปรายพลังงานเสถียรภาพสนามผลึกของธาตุทรานซิชันแถวแรก การรวมธาตุแคลเซียมและสังกะสีไว้ด้วยก็เป็นเรื่องสะดวก เนื่องจากทั้งCa²⁺และสังกะสี²⁺มีค่าเป็นศูนย์ ซึ่งสามารถนำมาเปรียบเทียบกับค่าของไอออนโลหะทรานซิชันอื่นๆ ได้ อีกตัวอย่างหนึ่งเกิดขึ้นในอนุกรม Irving–Williamsของค่าคงที่ความเสถียรของสารประกอบเชิงซ้อน ยิ่งไปกว่านั้น Zn, Cd และ Hg สามารถใช้ออร์บิทัล d ของพวกมันสำหรับการสร้างพันธะได้แม้ว่าจะไม่ทราบสถานะออกซิเดชันที่ต้องทำลายซับเชลล์ d อย่างเป็นทางการ ซึ่งทำให้พวกมันแตกต่างจากธาตุในบล็อก p ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

การสังเคราะห์ สารปรอท(IV) ฟลูออไรด์ ( HgF ) ในปี 2007 (แม้ว่าจะมีการโต้แย้งและยังไม่มีการจำลองแบบอิสระ)₄) ถูกนำมาใช้โดยบางคนเพื่อเสริมมุมมองที่ว่าธาตุหมู่ 12 ควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นโลหะทรานซิชัน^{[ 27 ]}แต่ผู้เขียนบางคนยังคงพิจารณาว่าสารประกอบนี้เป็นข้อยกเว้น^{[ 28 ]} คาดว่า โคเปอร์นิเซียมจะสามารถใช้อิเล็กตรอน d ของมันสำหรับเคมีได้ เนื่องจากซับเชลล์ 6d ของมัน ไม่เสถียรเนื่องจากผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพ ที่รุนแรง เนื่องจากเลขอะตอมที่สูงมาก และด้วยเหตุนี้จึงคาดว่าจะมีพฤติกรรมคล้ายโลหะทรานซิชันและแสดงสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่า +2 (ซึ่งยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดสำหรับธาตุหมู่ 12 ที่เบากว่า) แม้แต่ในไดแคตไอออนเปล่า Cn ²⁺ก็คาดว่าจะเป็น 6d ⁸ 7s ²ซึ่ง แตกต่างจาก Hg ²⁺ซึ่งเป็น 5d ¹⁰ 6s ⁰

แม้ว่าไมต์เนเรียมดาร์มสตัดเทียมและโรเอนต์เจเนียมจะอยู่ในกลุ่ม d และคาดว่าจะแสดงพฤติกรรมเป็นโลหะทรานซิชันคล้ายกับธาตุ ที่มีน้ำหนักเบากว่าอย่าง อิริเดียมแพลทินัมและทองคำแต่ก็ยังไม่มีการยืนยันทางทดลองในเรื่องนี้ยังไม่ชัดเจน ว่า โคเปอร์นิเซียมมีพฤติกรรมคล้ายปรอทหรือมีคุณสมบัติคล้ายกับก๊าซเฉื่อยเรดอน มากกว่ากัน ความเฉื่อยสัมพัทธ์ของ Cn น่าจะมาจากช่องว่างพลังงาน 7s–7p _1/2 ที่ขยายตัวตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ซึ่งมีการกล่าวถึงไว้แล้วในช่องว่าง 6s–6p _1/2ของ Hg ทำให้พันธะโลหะอ่อนลงและเป็นสาเหตุให้มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำอย่างที่ทราบกันดี

โลหะทรานซิชันที่มีเลขหมู่ต่ำหรือสูงกว่าจะถูกอธิบายว่าเป็น 'ต้น' หรือ 'ปลาย' ตามลำดับ เมื่อใช้ระบบการจัดประเภทแบบสองทาง โลหะทรานซิชันต้นจะอยู่ทางด้านซ้ายของบล็อก d ตั้งแต่หมู่ 3 ถึงหมู่ 7 โลหะทรานซิชันปลายจะอยู่ทางด้านขวาของบล็อก d ตั้งแต่หมู่ 8 ถึง 11 (หรือ 12 หากนับเป็นโลหะทรานซิชัน) ในระบบการจัดประเภทแบบสามทางอีกแบบหนึ่ง หมู่ 3, 4 และ 5 จัดเป็นโลหะทรานซิชันต้น หมู่ 6, 7 และ 8 จัดเป็นโลหะทรานซิชันกลาง และหมู่ 9, 10 และ 11 (และบางครั้งหมู่ 12) จัดเป็นโลหะทรานซิชันปลาย

ธาตุหนักกลุ่มที่ 2 ได้แก่แคลเซียมสตรอนเทียมและแบเรียมไม่มีออร์บิทัล d ที่เต็มในอะตอมเดี่ยว แต่เป็นที่ทราบกันว่ามีส่วนร่วมในการสร้างพันธะของออร์บิทัล d ในสารประกอบ บางชนิด และด้วยเหตุนี้จึงถูกเรียกว่าโลหะทรานซิชัน "กิตติมศักดิ์" ^{[ 29 ]} น่าจะ เป็นเช่นเดียวกันกับเรเดียม^{[ 30 ]}

ธาตุในกลุ่ม f ได้แก่ La–Yb และ Ac–No มีกิจกรรมทางเคมีของเปลือก (n−1)d แต่ที่สำคัญคือยังมีกิจกรรมทางเคมีของเปลือก (n−2)f ซึ่งไม่มีในธาตุในกลุ่ม d ดังนั้นจึงมักถูกพิจารณาแยกต่างหากว่าเป็นธาตุทรานซิชันภายใน

การจัดเรียงอิเล็กตรอนทั่วไปของอะตอมในกลุ่ม d คือ [ก๊าซเฉื่อย]( n  − 1)d ^0–10 n s ^0–2 n p ^0–1โดยที่ "[ก๊าซเฉื่อย]" คือการจัดเรียงอิเล็กตรอนของก๊าซเฉื่อยตัว สุดท้าย ที่อยู่ก่อนหน้าอะตอมนั้น และn คือ เลขควอนตัมหลักสูงสุดของออร์บิทัลที่มีอิเล็กตรอนอยู่ในอะตอมนั้น ตัวอย่างเช่น Ti ( Z  = 22) อยู่ในคาบที่ 4 ดังนั้นn = 4 อิเล็กตรอน 18 ตัวแรกมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเหมือนกับ Ar ในตอนท้ายของคาบที่ 3 และการจัดเรียงอิเล็กตรอนโดยรวมคือ [Ar]3d ² 4s ²โลหะทรานซิชันในคาบที่ 6 และ 7 ยังเพิ่มอิเล็กตรอนแกนกลาง ( n  − 2)f ¹⁴ซึ่งถูกละเว้นจากตารางด้านล่าง โดยทั่วไปแล้วออร์บิทัล p จะไม่ค่อยถูกเติมเต็มในอะตอมอิสระ (ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือลอว์เรนเซียมเนื่องจากผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพซึ่งมีความสำคัญที่ค่า Z สูงเช่นนั้น ) แต่ออร์บิทัล p สามารถมีส่วนช่วยในการสร้างพันธะเคมีในสารประกอบของโลหะทรานซิชันได้

กฎของมาเดลุงทำนายว่าออร์บิทัล d ภายในจะถูกเติมเต็มหลังจากออร์บิทัล s ในเปลือกวาเลนซ์โครงสร้างอิเล็กตรอน ทั่วไป ของอะตอมโลหะทรานซิชันจึงเขียนได้เป็น [ก๊าซเฉื่อย] n s ² ( n  − 1)d ^mกฎนี้เป็นเพียงการประมาณ แต่ใช้ได้กับโลหะทรานซิชันส่วนใหญ่ แม้ว่าจะใช้ไม่ได้กับสถานะพื้นฐานที่เป็นกลาง แต่ก็อธิบายสถานะกระตุ้นระดับต่ำได้อย่างแม่นยำ

ซับเชลล์ d เป็นซับเชลล์รองสุดท้ายและใช้สัญลักษณ์แทนด้วย ( n − 1)d ซับเชลล์ จำนวนอิเล็กตรอน s ในซับเชลล์ s ชั้นนอกสุดโดยทั่วไปจะมีหนึ่งหรือสองตัว ยกเว้นแพลเลเดียม (Pd) ซึ่งไม่มีอิเล็กตรอนในซับเชลล์ s นั้นในสถานะพื้นฐาน ซับเชลล์ s ในเปลือกวาเลนซ์แสดงด้วยสัญลักษณ์แทนด้วยn s เช่น 4s ในตารางธาตุ โลหะทรานซิชันมีอยู่ในสิบหมู่ (3 ถึง 12)

ธาตุในหมู่ 3 มี การจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบ n s ² ( n  − 1)d ¹ยกเว้นลอว์เรนเซียม (Lr) ซึ่งมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบ 7s ² 7p ¹ที่ไม่เติมเต็มออร์บิทัล 6d เลย อนุกรมการเปลี่ยนผ่านชุดแรกอยู่ในคาบที่ 4 และเริ่มต้นหลังจากแคลเซียม ( Z  = 20) ในหมู่ 2 ที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบ [Ar]4s ²หรือสแกนเดียม (Sc) ซึ่งเป็นธาตุแรกในหมู่ 3 ที่มีเลขอะตอมZ  = 21 และการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบ [Ar]4s ² 3d ¹ขึ้นอยู่กับนิยามที่ใช้ เมื่อเราเคลื่อนจากซ้ายไปขวา อิเล็กตรอนจะถูกเพิ่มเข้าไปในซับเชลล์ d เดียวกันจนเต็ม เนื่องจากอิเล็กตรอนที่เพิ่มเข้าไปจะเติมเต็มออร์บิทัล ( n − 1)d คุณสมบัติของธาตุในบล็อก d จึงแตกต่างจากธาตุในบล็อก s และ p ซึ่งการเติมเต็มเกิดขึ้นในออร์บิทัล s หรือ p ของเปลือกวาเลนซ์ การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุแต่ละชนิดที่มีอยู่ในอนุกรม d-block ทั้งหมดมีดังต่อไปนี้: ^{[ 31 ]}

การพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุอย่างละเอียดเผยให้เห็นว่ามีข้อยกเว้นบางประการสำหรับกฎของมาเดลุงตัวอย่างเช่น สำหรับ Cr กฎนี้ทำนายการจัดเรียงเป็น^{3d⁴4s² แต่}สเปกตรัมอะตอมที่สังเกตได้แสดงให้เห็นว่าสถานะพื้นฐาน ที่ ^{แท้จริง}คือ^3d⁵4s¹เพื่ออธิบายข้อยกเว้นดังกล่าว จำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบของประจุของนิวเคลียส ที่เพิ่มขึ้นต่อพลังงานของวงโคจร เช่นเดียวกับปฏิสัมพันธ์ ระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอน ซึ่งรวมถึงทั้งแรงผลักคูลอมบ์และพลังงานแลกเปลี่ยน^{[ 31 ]}ข้อยกเว้นเหล่านี้ไม่มีความสำคัญมากนักในทางเคมี เนื่องจากความแตกต่างของพลังงานระหว่างข้อยกเว้นกับการจัดเรียงที่คาดหวังนั้นค่อนข้างต่ำเสมอ^{[ 32 ]}

ออร์บิทัล ( n − 1)d ที่เกี่ยวข้องกับโลหะทรานซิชันมีความสำคัญมาก เนื่องจากมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติต่างๆ เช่น คุณสมบัติทางแม่เหล็ก สถานะออกซิเดชันที่เปลี่ยนแปลงได้ การเกิดสารประกอบสี เป็นต้น ออร์บิทัล s และ p ( n s และn p) มีส่วนร่วมในเรื่องนี้น้อยมาก เนื่องจากแทบจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเคลื่อนจากซ้ายไปขวาในอนุกรมทรานซิชัน ในโลหะทรานซิชัน มีความคล้ายคลึงกันในแนวนอนมากขึ้นในคุณสมบัติของธาตุในคาบเดียวกัน เมื่อเปรียบเทียบกับคาบที่ไม่มีออร์บิทัล d เกี่ยวข้อง นี่เป็นเพราะในอนุกรมทรานซิชัน การจัดเรียงอิเล็กตรอนในเปลือกวาเลนซ์ของธาตุจะไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ยังมีความคล้ายคลึงกันในหมู่ด้วยเช่นกัน

ธาตุทรานซิชันมีคุณสมบัติหลายอย่างที่เหมือนกัน แต่ไม่พบในธาตุอื่น ซึ่งเป็นผลมาจากเปลือก d ที่บรรจุไม่เต็ม คุณสมบัติเหล่านั้นได้แก่

• การก่อตัวของสารประกอบที่มีสีอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอนแบบ d–d
• การก่อตัวของสารประกอบในสถานะออกซิเดชันหลายสถานะ เนื่องมาจากช่องว่างพลังงานที่ค่อนข้างต่ำระหว่างสถานะออกซิเดชันที่เป็นไปได้ต่างๆ^{[ 33 ]}
• การก่อตัวของ สารประกอบ พาราแมกเนติก จำนวนมากเกิด ขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของอิเล็กตรอน d ที่ไม่จับคู่กัน สารประกอบบางชนิดของธาตุหมู่หลักก็เป็นพาราแมกเนติกเช่นกัน (เช่นไนตริกออกไซด์ออกซิเจน )

โลหะทรานซิชันส่วนใหญ่สามารถจับกับลิแกนด์ ได้หลากหลายชนิด ทำให้สามารถสร้างสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชันได้หลากหลายชนิด^{[ 34 ]}

สีในสารประกอบโลหะในอนุกรมทรานซิชันโดยทั่วไปเกิดจากการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอนสองประเภทหลัก

• การ ถ่ายโอนประจุอิเล็กตรอนอาจกระโดดจากออร์บิทัล ที่มี ลิแกนด์ เป็นหลัก ไปยังออร์บิทัลที่มีโลหะเป็นหลัก ทำให้เกิดการถ่ายโอนประจุจากลิแกนด์ไปยังโลหะ (LMCT) การถ่ายโอนเหล่านี้เกิดขึ้นได้ง่ายที่สุดเมื่อโลหะอยู่ในสถานะออกซิเดชันสูง ตัวอย่างเช่น สีของไอออนโคร เมต ไดโครเมตและเปอร์แมงกาเนต เกิดจากการถ่ายโอน LMCT อีกตัวอย่างหนึ่งคือเมอร์คิวริกไอโอไดด์ (HgI₂ ₎มีสีแดงเนื่องจากการถ่ายโอน LMCT

การเปลี่ยนสถานะจากการถ่ายโอนประจุจากโลหะไปยังลิแกนด์ (MLCT) มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นมากที่สุดเมื่อโลหะอยู่ในสถานะออกซิเดชันต่ำและลิแกนด์สามารถถูกรีดิวซ์ได้ง่าย

โดยทั่วไป การเปลี่ยนสถานะจากการถ่ายโอนประจุจะให้สีที่เข้มกว่าการเปลี่ยนสถานะจาก d เป็น d

• การเปลี่ยนผ่าน d–d คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากออร์บิทัล d หนึ่ง ไปยังอีกออร์บิทัลหนึ่ง ในสารประกอบของโลหะทรานซิชัน ออร์บิทัล d ไม่ได้มีพลังงานเท่ากันทั้งหมด รูปแบบการแยกตัวของออร์บิทัล d สามารถคำนวณได้โดยใช้ ทฤษฎี สนามผลึกขอบเขตของการแยกตัวขึ้นอยู่กับโลหะชนิดนั้น สถานะออกซิเดชัน และลักษณะของลิแกนด์ ระดับพลังงานที่แท้จริงแสดงอยู่ในแผนภาพTanabe–Sugano

ใน คอมเพล็กซ์ ที่มีจุดศูนย์กลางสมมาตรเช่น คอมเพล็กซ์ทรงแปดเหลี่ยม การเปลี่ยนผ่าน d–d ถูกห้ามโดยกฎของลาปอร์ตและเกิดขึ้นได้เฉพาะเนื่องจากการเชื่อมโยงแบบไวบรอนิกซึ่งการสั่นของโมเลกุลเกิดขึ้นพร้อมกับการเปลี่ยนผ่าน ad–d คอมเพล็กซ์ทรงสี่เหลี่ยมมีสีที่เข้มกว่าเล็กน้อยเนื่องจากการผสมออร์บิทัล d และ p เป็นไปได้เมื่อไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตร ดังนั้นการเปลี่ยนผ่านจึงไม่ใช่การเปลี่ยนผ่าน d–d บริสุทธิ์ ค่าการดูดกลืนแสงโมลาร์ (ε) ของแถบที่เกิดจากการเปลี่ยนผ่าน d–d ค่อนข้างต่ำ โดยประมาณอยู่ในช่วง 5–500 M ⁻¹ cm ⁻¹ (โดยที่M = mol dm ⁻³ ) ^{[ 35 ]}การเปลี่ยนผ่าน d–d บางอย่างถูกห้ามโดยสปินตัวอย่างเกิดขึ้นในคอมเพล็กซ์ทรงแปดเหลี่ยมที่มีสปินสูงของแมงกานีส (II) ซึ่งมีโครงสร้าง ad ⁵ที่อิเล็กตรอนทั้งห้าตัวมีสปินขนานกัน สีของคอมเพล็กซ์ดังกล่าวจะอ่อนกว่ามากเมื่อเทียบกับคอมเพล็กซ์ที่มีการเปลี่ยนผ่านที่อนุญาตโดยสปิน สารประกอบของแมงกานีส(II) หลายชนิดมีลักษณะเกือบไม่มีสีสเปกตรัมของ[Mn(H₂O)₆]²⁺แสดงค่าการดูดกลืนแสงโมลาร์สูงสุดประมาณ 0.04 M ⁻¹ cm ⁻¹ในช่วงสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้

ลักษณะเฉพาะของโลหะทรานซิชันคือ พวกมันมีสถานะออกซิเดชัน สองสถานะขึ้นไป โดยปกติจะแตกต่างกันเพียงสถานะเดียว ตัวอย่างเช่น สารประกอบของวาเนเดียมเป็นที่รู้จักกันในทุกสถานะออกซิเดชันระหว่าง −1 เช่น[V(CO)₆]⁻และ +5 เช่นVO³⁻ ₄.

ธาตุหลักในหมู่ 13 ถึง 18 ยังแสดงสถานะออกซิเดชันหลายสถานะ สถานะออกซิเดชัน "ทั่วไป" ของธาตุเหล่านี้มักจะแตกต่างกันสองสถานะแทนที่จะเป็นหนึ่งสถานะ ตัวอย่างเช่น สารประกอบของแกลเลียมในสถานะออกซิเดชัน +1 และ +3 มีอยู่ซึ่งมีอะตอมแกลเลียมเพียงอะตอมเดียว สารประกอบของ Ga(II) จะมีอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่และจะทำหน้าที่เป็นอนุมูลอิสระและโดยทั่วไปจะถูกทำลายอย่างรวดเร็ว แต่ก็มีอนุมูลอิสระที่เสถียรของ Ga(II) ที่เป็นที่รู้จัก^{[ 36 ]}แกลเลียมยังมีสถานะออกซิเดชันอย่างเป็นทางการที่ +2 ในสารประกอบไดเมอร์ เช่น[Ga₂คล.₆]²⁻ซึ่งประกอบด้วยพันธะ Ga-Ga ที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่บนอะตอม Ga แต่ละตัว^{[ 37 ]}ดังนั้นความแตกต่างหลักในสถานะออกซิเดชันระหว่างธาตุทรานซิชันและธาตุอื่นๆ คือ สถานะออกซิเดชันเป็นที่ทราบกันดีว่ามีอะตอมของธาตุเพียงอะตอมเดียวและมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป

สถานะออกซิเดชันสูงสุดในโลหะทรานซิชันแถวแรกเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์ตั้งแต่ไทเทเนียม (+4) จนถึงแมงกานีส (+7) แต่จะลดลงในธาตุต่อๆ มา ในแถวที่สอง ค่าสูงสุดอยู่ที่รูทีเนียม (+8) และในแถวที่สาม ค่าสูงสุดอยู่ที่อิริเดียม (+9) ในสารประกอบเช่น[MnO₄]⁻และOsO₄ธาตุต่างๆ จะมีโครงสร้างที่เสถียรโดยอาศัยพันธะโควาเลนต์

สถานะออกซิเดชันต่ำสุดพบได้ใน สารประกอบเชิงซ้อน ของโลหะคาร์บอนิลเช่นCr(CO)₆(สถานะออกซิเดชันศูนย์) และ[Fe(CO)₄]²⁻(สถานะออกซิเดชัน −2) ซึ่งเป็นไปตาม กฎ 18 อิเล็กตรอน สารประกอบเชิงซ้อนเหล่านี้ก็เป็นพันธะโควาเลนต์เช่นกัน

สารประกอบไอออนิกส่วนใหญ่มีสถานะออกซิเดชัน +2 และ +3 ในสารละลายในน้ำ ไอออนจะถูกไฮเดรตด้วยโมเลกุลน้ำ (โดยปกติ) หกโมเลกุลที่เรียงตัวแบบทรงแปดเหลี่ยม

สารประกอบโลหะทรานซิชันเป็นพาราแมกเนติกเมื่อมีอิเล็กตรอน d ที่ไม่จับคู่หนึ่งตัวขึ้นไป^{[ 38 ]}ในคอมเพล็กซ์ทรงแปดเหลี่ยมที่มีอิเล็กตรอน d ระหว่างสี่ถึงเจ็ดตัว ทั้ง สถานะ สปินสูงและสปินต่ำเป็นไปได้ คอมเพล็กซ์โลหะทรานซิชันทรงสี่เหลี่ยมเช่น[FeCl₄]²⁻สารประกอบที่ มีสปินสูงนั้นเกิดจากการแยกตัวของสนามผลึกมีขนาดเล็ก ทำให้พลังงานที่ได้รับจากการที่อิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรพลังงานต่ำกว่านั้นน้อยกว่าพลังงานที่จำเป็นในการจับคู่สปินเสมอ สารประกอบบางชนิดเป็นไดอะแมกเนติกซึ่งรวมถึงสารประกอบเชิงซ้อนแบบทรงแปดเหลี่ยม สปินต่ำ d⁶ ^และแบบระนาบสี่เหลี่ยม d⁸ ^ในกรณีเหล่านี้ การแยกตัว ของสนามผลึกทำให้อิเล็กตรอนทั้งหมดจับคู่กัน

ปรากฏการณ์เฟอร์โรแมกเนติซึมเกิดขึ้นเมื่ออะตอมแต่ละตัวมีคุณสมบัติเป็นพาราแมกเนติก และเวกเตอร์สปินเรียงตัวขนานกันในวัสดุผลึก เหล็กโลหะและโลหะผสมอัลนิโกเป็นตัวอย่างของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกที่เกี่ยวข้องกับโลหะทรานซิชันส่วนแอนติเฟอร์โรแมกเนติซึมเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของสมบัติทางแม่เหล็กที่เกิดจากการเรียงตัวเฉพาะของสปินแต่ละตัวในสถานะของแข็ง

โลหะทรานซิชันและสารประกอบของพวกมันเป็นที่รู้จักกันดีในด้านกิจกรรมเร่งปฏิกิริยา แบบเอกพันธุ์และแบบไม่เอก พันธุ์ กิจกรรมนี้เกิดจากความสามารถในการรับสถานะออกซิเดชันได้หลายสถานะและสร้างสารเชิงซ้อน ตัวอย่างเช่นวาเนเดียมออกไซด์ (V) (ในกระบวนการสัมผัส ) เหล็ก ที่บดละเอียด (ในกระบวนการฮาเบอร์ ) และนิกเกล (ในการไฮโดรจิเนชันแบบเร่งปฏิกิริยา ) ตัวเร่งปฏิกิริยาบนพื้นผิวของแข็ง ( ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้สารนาโน ) เกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะระหว่างโมเลกุลของสารตั้งต้นและอะตอมของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา (โลหะทรานซิชันแถวแรกใช้อิเล็กตรอน 3d และ 4s ในการสร้างพันธะ) ซึ่งมีผลทำให้ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นและยังทำให้พันธะในโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาอ่อนลง (พลังงานกระตุ้นลดลง) นอกจากนี้ เนื่องจากไอออนของโลหะทรานซิชันสามารถเปลี่ยนสถานะออกซิเดชันได้ จึงทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยา

การเร่งปฏิกิริยาประเภทหนึ่งที่น่าสนใจเกิดขึ้นเมื่อผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยานั้นเอง ทำให้เกิดตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น ( การเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเอง ) ตัวอย่างหนึ่งคือปฏิกิริยาของกรดออกซาลิกกับโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต (หรือแมงกาเนต (VII)) ที่เป็นกรด ^{[ 39 ] เมื่อผลิต Mn 2+} ออกมา เล็กน้อยมันสามารถทำปฏิกิริยากับ MnO ₄ ⁻ก่อให้เกิด Mn ³⁺จากนั้น Mn 3+ จะทำปฏิกิริยากับไอออน C ₂ O ₄ ⁻ก่อให้เกิด Mn ²⁺อีกครั้ง

ดังที่ชื่อบ่งบอก โลหะทรานซิชันทั้งหมดเป็นโลหะและเป็นตัวนำไฟฟ้า

โดยทั่วไป โลหะทรานซิชันมีความหนาแน่น สูง จุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงคุณสมบัติเหล่านี้เกิดจากการยึดเหนี่ยวของโลหะด้วยอิเล็กตรอน d ที่ไม่จำกัดตำแหน่ง ทำให้เกิดแรงยึดเหนี่ยวที่เพิ่มขึ้นตามจำนวนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน อย่างไรก็ตาม โลหะหมู่ 12 มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำกว่ามาก เนื่องจากซับเชลล์ d ที่เต็มแล้วทำให้ไม่เกิดการยึดเหนี่ยวแบบ d–d ซึ่งทำให้โลหะเหล่านี้แตกต่างจากโลหะทรานซิชันที่ยอมรับกันโดยทั่วไป ปรอทมีจุดหลอมเหลวที่ −38.83 °C (−37.89 °F) และเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง

Scholiaมีข้อมูลจำเพงสำหรับโลหะทรานซิชัน(Q19588 )

• องค์ประกอบการเปลี่ยนผ่านภายในซึ่งเป็นชื่อที่ใช้เรียกสมาชิกใดๆ ในบล็อก f
• ธาตุหมู่หลักคือ ธาตุอื่นที่ไม่ใช่โลหะทรานซิชัน
• ทฤษฎีสนามลิแกนด์คือการพัฒนาต่อยอดจากทฤษฎีสนามผลึก โดยคำนึงถึงพันธะโควาเลนต์ด้วย
• ทฤษฎีสนามผลึกคือแบบจำลองที่อธิบายถึงการแตกของภาวะเสื่อมสภาพของสถานะวงโคจรอิเล็กตรอน
• โลหะหลังทรานซิชันคือ ธาตุโลหะที่อยู่ทางด้านขวาของโลหะทรานซิชันในตารางธาตุ