Propriétés des métaux de transition

Définition des métaux de transition

Avant de nous lancer dans les propriétés des métaux de transition, commençons par définir ce qu'est réellement un métal de transition. Pour tes examens, tu dois connaître la définition suivante :

Tu pourrais penser que cette définition signifie que tous les éléments du bloc d sont des métaux de transition. Cependant, ce n'est pas le cas - ils ne forment pas tous des ions stables avec des sous-coquilles d partiellement remplies. Par exemple, le scandium (Sc) et le zinc (Zn) ne sont pas des métaux de transition. Pour te simplifier la vie, nous avons inclus une version du tableau périodique qui met en évidence les métaux de transition ci-dessous.

Fig. 1 : Le tableau périodique, avec les blocs étiquetés et les métaux de transition surlignés en bleu.StudySmarter Originals

Propriétés caractéristiques des métaux de transition

Maintenant que nous avons défini les métaux de transition, nous pouvons passer au sujet principal de cet article : les propriétés des métaux de transition. Nous examinerons leurs propriétés physiques avant de nous pencher sur leurs propriétés chimiques.

Nous accorderons également une attention particulière à quatre propriétés caractéristiques qui font que les métaux de transition agissent différemment des autres éléments. Ces propriétés caractéristiques sont :

• Les états d'oxydation variables.
• Formation d'ions complexes.
• Les ions colorés.
• L'activité catalytique.

Mais pour commencer, explorons les propriétés physiques des métaux de transition.

Propriétés physiques des métaux de transition

Au début de ta scolarité, tu as probablement appris certaines propriétés générales des métaux : ils sont durs, solides et bons conducteurs de chaleur et d'électricité. Nous pouvons qualifier l'ensemble de ces caractéristiques decaractère métallique. Mais lorsque tu regardes les métaux des groupes 1 et 2 du tableau périodique, ces propriétés ne semblent pas tenir. Comme nous l'avons découvert dans l'introduction, le sodium (un métal du groupe 1) est mou, malléable et réagit si vigoureusement à l'air et à l'eau qu'il doit être stocké dans de l'huile. Cela ne correspond pas tout à fait au "caractère métallique" !

Cependant, les métaux de transition correspondent bien à la description stéréotypée d'un métal - du moins en ce qui concerne leurs propriétés physiques :

• Les métaux de transition sont durs et solides. Nous pouvons également les combiner dans des alliages pour les rendre encore plus solides.

• Ils ont des points de fusion et d'ébullition élevés.

• Ils sont insolubles dans l'eau.

• En outre, ils sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité.

• De nombreux métaux de transition sont brillants et lustrés.

• Ils ont également une densité élevée.

Propriétés chimiques des métaux de transition

Si tu connais déjà les propriétés physiques des métaux de transition, tu n'as peut-être pas entendu parler de certaines de leurs propriétés chimiques. Il s'agit notamment de leurs propriétés caractéristiques, dont nous parlerons plus en détail dans un instant :

• Les métaux de transition peuvent avoir des états d'oxydation variables.

• Ils forment également des ions complexes.

• Ils produisent des composés et des ions colorés.

• En outre, ils ont de bonnes propriétés catalytiques.

• Enfin, les métaux de transition ne réagissent pas beaucoup avec l'eau ou l'oxygène.

Les propriétés physiques et chimiques des métaux de transition permettent d'expliquer bon nombre de leurs utilisations courantes. Nous utilisons l'or dans les bijoux en raison de sa brillance et de sa solidité, et parce qu'il ne réagit pas avec l'air ambiant. Lelaiton (un alliage de cuivre) est solide, robuste et bon conducteur d'électricité, c'est pourquoi tu le trouves dans les broches des prises électriques. De même, les plaques d'égout robustes sont généralement fabriquées en fer. Le nickel est utilisé comme catalyseur pour fabriquer de la margarine à partir de l'huile, tandis que les ions bleus de cobalt contribuent aux teintes vives de certaines peintures.

Comme nous l'avons mentionné plus haut dans l'article, les quatre premières propriétés chimiques de la liste ci-dessus (états d'oxydation variables, formation d'ions complexes, ions colorés et activité catalytique) rendent les métaux de transition très intéressants. Bien que ces propriétés particulières ne soient pas propres aux métaux de transition, elles les distinguent des autres éléments ! Ces quatre propriétés caractéristiques s'expliquent par la sous-coquille d incomplète que l'on trouve dans les métaux de transition. Examinons-les plus en détail.

Propriétés des métaux de transition : états d'oxydation variables

Les métaux de transition présentent des états d'oxydation variables. Cela signifie qu'ils perdent généralement différents nombres d'électrons dans les réactions chimiques et qu'ils participent donc à plusieurs types de réactions d'oxydoréduction. Par exemple, alors que le sodium (un métal du groupe 1) ne se trouve jamais qu'avec un état d'oxydation de +1, le métal de transition qu'est le fer peut avoir un état d'oxydation de +1, +2 ou +3.

Propriétés des métaux de transition : formation d'ions complexes

Te souviens-tu de ce qu'est une liaison covalente dative (également connue sous le nom de liaison coordonnée) ? Comme son nom l'indique, c'est un type de liaison covalente, mais dans cette liaison, les deux électrons partagés proviennent du même atome. La liaison se forme entre une espèce possédant une paire d'électrons solitaire et une espèce possédant une orbitale électronique vacante.

Eh bien, les métaux de transition ont tendance à avoir plusieurs orbitales vacantes et énergétiquement accessibles dans leur sous-coquille d. Cela en fait des candidats de choix pour les liaisons datives. Cela en fait des candidats de choix pour les liaisons datives ! Nous appelons les composés contenant des métaux de transition liés à d'autres espèces par des liaisons covalentes datives descomposés complexes.

Voici quelques termes supplémentaires que tu devrais connaître lorsqu'il s'agit de composés complexes :

• L'ion de métal de transition au sein d'un composé complexe est appelé complexe.
• Les ions liés ou les molécules neutres sont appelés ligands .
• Les composés complexes peuvent également être décrits par leur nombre de coordination, qui est simplement le nombre de liaisons de coordination reliées à l'ion central du métal de transition.

Propriétés des métaux de transition : ions colorés

T'es-tu déjà demandé pourquoi les cristaux, tels que les émeraudes et les rubis, ont des couleurs si éclatantes ? C'est grâce aux métaux de transition. Les ions des métaux de transition forment souvent des ions colorés, et leurs magnifiques teintes sont dues à leurs sous-coquilles d'électrons partiellement remplies.

Voici une brève explication des couleurs des métaux de transition :

• Les métaux de transition ont une sous-coquille d partiellement remplie avec cinq orbitales électroniques.

• Ces orbitales électroniques sont divisées en groupes de niveaux d'énergie différents en raison de la présence de ligands. C'est ce qu'on appelle le fractionnement.

• Les électrons de la sous-coquille d du métal de transition peuvent passer d'une orbitale d'énergie inférieure à une orbitale d'énergie supérieure. Lorsqu'ils sautent à un niveau d'énergie plus élevé, ils absorbent, sous forme de lumière visible, une énergie égale à la différence d'énergie entre les deux orbitales.

• Il manque maintenant au spectre de la lumière visible certaines longueurs d'onde, qui correspondent à une certaine couleur. La couleur que nous voyons est une combinaison de toutes les longueurs d'onde restantes.

Un même métal de transition peut avoir différentes couleurs, en fonction de facteurs tels que son état d'oxydation, le type de ligand et le nombre de coordination. Par exemple, la teinte verte des émeraudes et le rouge profond des rubis sont tous deux causés par des traces de l'ion chrome(III). Cependant, les deux couleurs très différentes sont causées par les différents groupes liés au chrome.

Fig. 3 : Un arc-en-ciel de couleurs d'ions de métaux de transition.StudySmarter Originals

Propriétés des métaux de transition : activité catalytique

Pour finir, examinons les propriétés catalytiques des métaux de transition.

La définition ci-dessus te permet de comprendre pourquoi les catalyseurs sont si utiles, en particulier dans l'industrie : ils accélèrent les réactions chimiques sans trop de frais supplémentaires. Tu n'as à acheter le catalyseur qu'une seule fois, et il peut théoriquement durer éternellement !

De nombreux éléments de transition et leurs composés agissent comme de bons catalyseurs. Voici pourquoi :

• Les métaux de transition présentent plusieurs états d'oxydation stables différents et peuvent donc facilement donner et recevoir des électrons. Cela signifie qu'ils agissent comme de bons "sites de stockage" d'électrons pendant la réaction chimique.

• De nombreux métaux de transition sont de bons adsorbants. Cela signifie que les molécules qui réagissent peuvent facilement adhérer à leur surface. L'adsorption provoque une sorte d'interaction entre les molécules qui réagissent et la surface du métal de transition, comme un affaiblissement des liaisons du réactif. Cela permet à la réaction de se produire.

Les deux facteurs ci-dessus contribuent à diminuer l'énergie d'activation de la réaction et donc à augmenter le taux de réaction.