Ions de métaux de transition en solution aqueuse

Ions de métaux de transition en solution aqueuse

Tout d'abord, nous allons discuter de la nature des ions métalliques en solution et, plus important encore, de la façon dont ils forment des ions complexes.

Les métaux de transition sont des métaux du bloc d du tableau périodique. Ils se définissent par leurs configurations électroniques irrégulières. Leur forte densité de charge lorsqu'ils sont sous leur forme ionique couplée à leur petite taille leur confère des propriétés intéressantes dans l'eau.

Ils peuvent former des ions complexes en solution, du fait que l'eau peut agir comme un ligand. Les ions des métaux de transition forment toujours des ions complexes lorsqu'ils sont en solution avec des ligands. Un ligand peut être n'importe quelle molécule ou solvant qui peut donner une paire d' électrons solitaire, y compris les bases et les nucléophiles. Les ligands sont capables de stabiliser l'ion métallique dans l'eau grâce à cette interaction de liaison de paires solitaires. Cette stabilisation doit se produire pour stabiliser la charge positive dans un environnement aqueux.

Nous allons ici discuter spécifiquement des ions de métaux de transition dans les solutions aque uses et voir comment ils se comportent dans les environnements aqueux.

Identifier les ions des métaux de transition dans les solutions aqueuses

Il y a trois parties essentielles d'un ion complexe à identifier. Il s'agit du métal de transition, des ligands et de la géométrie de l'ion complexe.

Tu remarqueras que les ligands entourent toujours l'ion du métal de transition d'une manière géométrique particulière. En milieu aqueux, l'eau entoure généralement un ion de métal de transition avec une géométrie octaédrique, car il y a six substituants autour de l'ion métallique central.

Voici un schéma de six molécules d'eau entourant un ion de métal de transition en solution aqueuse.

Fig. 1. Schéma des ligands d'eau entourant un ion métallique central dans une géométrie octaédrique.

As-tu remarqué que la charge globale de l'ion ne se trouve pas uniquement au niveau de l'ion central du métal de transition, mais qu'elle est répartie dans l'ensemble de l'ion complexe ? Elle est écrite en dehors des parenthèses pour signifier que les ligands assument une partie de la charge et la stabilisent.

Autres types d'ions complexes

D'autres complexes d'ions de métaux de transition peuvent apparaître, qui ont une géométrie et une charge différentes. Voici quelques exemples courants :

[M(_H2O)₆]²⁺, où M ne peut être que Fe et Cu

[M(_H2O)₆]³⁺, où M ne peut être que Fe et Al.

Ce qu'il faut retenir, c'est que l'acidité des ions métalliques change en fonction de leur charge. L'acidité de [M( _H2O)₆]³⁺ est supérieure à celle de [M(_H2O)₆]²⁺. Cela peut être attribué aux rapports de charge et de taille de l'ion métallique de transition, qui déterminent en fin de compte les propriétés physiques de l'ion complexe formé.

En outre,certains hydroxydes métalliques présentent un caractère amphotère en se dissolvant à la fois dans les acides et les bases. C'est le cas, par exemple, de l'ion métallique de l'aluminium ^Al3+.

Exemple d'un ion de métal de transition en solution aqueuse

Tu trouveras ci-dessous un exemple courant d'ion complexe. Le sulfate de cuivre forme une solution bleu clair dans l'eau. Cela est dû au fait que les ions de cuivre avec une charge de 2+ sont chélatés par le ligand, dans ce cas l'eau, pour produire un ion complexe.

Fig. 2 - Ion cuivre en solution aqueuse

Stabilité des ions de métaux de transition dans les solutions aqueuses

Du fait que l'ion de métal de transition est très petit dans son rayon ionique mais détient une charge si élevée, il est nécessaire de stabiliser thermodynamiquement cette force au sein du système, qui dans ce cas est l'environnement aqueux.

Lesligands stabilisent l'ion de métal de transition de plusieurs façons, ce qui permet à l'ion de métal de transition d'être présent dans les solutions aqueuses. Tout d'abord, les ligands prennent la charge positive et la répartissent entre eux.

La charge est partagée au sein de l'ensemble de l'ion complexe, ce qui le stabilise dans une solution aqueuse.

Deuxièmement, les ligands sont capables de stabiliser les orbitales de l'ion de métal de transition. Il s'agit d'une propriété essentielle qui est cruciale pour les éléments du bloc 3d. Les orbitales des métaux de transition ont besoin d'être stabilisées en raison de leur arrangement électronique, car les orbitales du bloc d sont au même niveau d'énergie.

Lors de la liaison covalente dative avec les ligands, les orbitales d du métal de transition sont divisées en deux niveaux d'énergie. Le diagramme ci-dessous illustre le fractionnement des orbitales.

Fig. 3 - Division de l'orbitale d par les ligands

Cela permet de stabiliser directement les orbitales des métaux de transition par l'intermédiaire des ligands. Les cinq orbitales sont divisées en deux états d'énergie supérieure et trois états d'énergie inférieure. C'est le cas pour les complexes octaédriques. Il en résulte une configuration octaédrique stable des ligands en solution pour produire un ion complexe de métal de transition stable dans un environnement aqueux.

Le fractionnement des orbitales d est capable non seulement de stabiliser les orbitales et de fournir une justification thermodynamique pour les orbitales dans un environnement aqueux, mais aussi de donner des propriétés très intéressantes à l'ion complexe qui seront discutées dans la section suivante.

Couleurs des ions de métaux de transition dans les solutions aqueuses

Lesions de métaux de transition dans l'eau absorbent des fréquences spécifiques du spectre de la lumière visible, mais pourquoi ? Lorsque les orbitales d sont séparées des ligands, elles sont divisées en deux orbitales de plus haute énergie et trois orbitales de plus basse énergie. Ce décalage arbitraire fait qu'une séparation des niveaux d'énergie équivaut à une longueur d'onde spécifique.

Sur le schéma de la section précédente ci-dessus, tu remarqueras que la scission des orbitales est indiquée par un delta E, signifiant un changement d'énergie. Cet écart d'énergie correspond à une longueur d'onde spécifique de la lumière.

Lorsqu'un électron est excité par un rayonnement électromagnétique, il passe à un niveau d'énergie supérieur. Dans le cas des ions de métaux de transition en solution aqueuse, cela correspondra à un électron sautant des trois orbitales inférieures aux deux orbitales supérieures des orbitales d dédoublées. Ce phénomène ne se produit que dans les éléments du bloc d puisqu'ils ont une orbitale d partiellement remplie.

Lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau d'énergie supérieur des orbitales d divisées, il absorbe la longueur d'onde spécifique de la lumière à laquelle correspond l'écart d'énergie. Cela signifie que si tu fais briller une lumière blanche sur l'ion complexe, une longueur d'onde spécifique sera absorbée et le reste sera réfléchi. Ainsi, pour nous, le complexe montrera la couleur complémentaire sur le cercle chromatique.

Ions de métaux de transition en solution aqueuse

Tu trouveras ici un schéma illustrant la formation d'un ion complexe. Tu peux utiliser ce schéma pour décrire comment les ions de métaux de transition sont liés par des liaisons covalentes datives avec les paires d'électrons solitaires des molécules d'eau dans les solutions aqueuses, pour finalement se stabiliser.

Fig. 4 - Schéma de la formation des ions de métaux de transition dans les solutions aqueuses