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Sauter à un chapitre clé
- Cet article a pour sujet les propriétés des métaux de transition en chimie inorganique.
- Nous commencerons par définir les métaux de transition avant de donner un aperçu de leurs principales propriétés caractéristiques.
- Nous explorerons ensuite plus en détail leurs propriétés physiques et chimiques.
- Il s'agira d'examiner de plus près les états d'oxydation variables, la formation d'ions complexes, les ions colorés et l'activité catalytique.
- Nous nous pencherons également sur leurs propriétés magnétiques.
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 :
Lesmétaux de transition sont des éléments qui forment au moins un ion stable avec une sous-coquille d'électrons partiellement remplie.
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
Tu peux apprendre comment les configurations électroniques des ions scandium et zinc signifient qu'ils ne sont pas des métaux de transition en consultant l'article Métaux de transition.
Au niveau de l'enseignement supérieur, tu peux utiliser la définition de l'UICPA des métaux de transition. Cette définition comprend toujours les éléments qui forment au moins un ion stable avec une sous-coquille d'électrons partiellement remplie, mais elle inclut également les éléments dont les atomes ont des sous-coquilles d partiellement remplies. Cependant, nous ne nous préoccuperons pas de ces éléments dans cet article, ni même dans ton cours de chimie.
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.
Malheureusement, nous n'avons le temps aujourd'hui que de présenter ces quatre propriétés caractéristiques. Cependant, nous couvrons les états d'oxydation variables, la formation d'ions complexes, les ions colorés et l'activité catalytique, plus en détail dans d'autres articles de StudySmarter. Nous inclurons des liens vers les explications pertinentes lorsque nous nous plongerons dans les quatre idées aujourd'hui.
Propriétés des métaux de transition : états d'oxydation variables
Lesétats d'oxy dation sont des nombres attribués aux ions qui indiquent combien d'électrons l'ion a perdu ou gagné, par rapport à l'élément dans son état non combiné.
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.
Consultele site Variable Oxidation States of Transition Metals pour obtenir un tableau montrant les états d'oxydation possibles de la première rangée de métaux de transition, ainsi qu'un examen plus approfondi de la façon dont ces états affectent leurpotentiel redox .
L'état d'oxydation préféré d'un élément est lié à l'énergie. Les ions dont l'état d'oxydation est plus élevé libèrent plus d'énergie lorsqu'ils forment des réseaux ou des composés. Cependant, pour atteindre des états d'oxydation plus élevés, il faut perdre des électrons supplémentaires, ce qui nécessite de l'énergie. Pour certains éléments, la perte d'électrons supplémentaires n'est tout simplement pas favorable d'un point de vue énergétique !
Prends l'exemple du sodium. Ce métal a la configuration électronique 1s2 2s2 2p6 3s1. Il perd son premier électron de la sous-coquille 3s, ce qui nécessite une petite quantité d'énergie et donne au sodium la configuration 1s2 2s2 2p6 3s0. Il perd son deuxième électron de la sous-coquille 2p. La sous-coquille 2p est beaucoup plus proche du noyau que la sous-coquille 3s, et il faut donc beaucoup plus d'énergie pour enlever le deuxième électron que le premier ! Bien qu'un ion Na2+ libère plus d'énergie qu'un ion Na+ lorsqu'il forme un composé, l'énergie supplémentaire ne couvre pas le coût de l'élimination de ce deuxième électron. C'est pourquoi le sodium n'a jamais eu qu'un état d'oxydation de +1.
Mais les métaux de transition sont un peu différents. En effet, les sous-coquilles 4s et 3d sont proches en termes d'énergie, et l'élimination d'électrons supplémentaires ne nécessite donc pas beaucoup plus d'énergie.
Prenons le cas du fer. Ce métal a la configuration électronique [Ar] 4s2 3d6. Il perd ses deux premiers électrons de la sous-coquille 4s, ce qui lui donne la configuration [Ar] 4s0 3d6. Il perd son électron suivant de la sous-coquille 3d. Comme la sous-coquille 3d est énergétiquement très similaire à la sous-coquille 4s, la perte de ce troisième électron ne nécessite pas beaucoup plus d'énergie, et le coût est plus que couvert par l'énergie supplémentaire libérée lorsque les ions Fe3+ forment des composés.
Les cinq premières énergies d'ionisation successives du sodium et du fer sont indiquées ci-dessous. Remarque qu'il y a un saut important entre la première et la deuxième énergie d'ionisation du sodium, alors que les énergies d'ionisation du fer augmentent de façon linéaire.
| Élément | Énergie d'ionisation (kJ mol-1) | ||||
| 1ère | 2e | 3e | 4e | 5ème | |
| Sodium | 496 | 4562 | 6910 | 9543 | 13354 |
| Fer | 703 | 1562 | 2957 | 5290 | 7240 |
Lesénergies d'ionisation successives augmentent parce que tu enlèves un électron négatif à une espèce de plus en plus négative. Consulte Énergie d'ionisation et Tendances de l'énergie d'ionisation pour en savoir plus sur ce sujet.
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.
Un composé complexe (également appelé ion complexe) est constitué d'un ion central de métal de transition lié à un certain nombre d'ions ou de molécules neutres par des liaisons covalentes datives (coordonnées).
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.
Voici un exemple de composé complexe : la vitamine B12.
Fig. 2 : La structure de la vitamine B12, un ion complexe.commons.wikimedia.org
La vitamine B12 contient un ion cobalt, qui est lié à cinq atomes d'ammoniac et à un groupe R, qui varie en fonction du type d'organisme qui a produit la molécule. Par conséquent, ce composé complexe a un nombre de coordination de 6.
Nous examinons d'autres exemples de composés complexes dans les articles Réaction de substitution, Préparation d'un complexe de métaux de transition et Formes des ions complexes.
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
Pourquoi les autres ions métalliques ne sont-ils pas colorés ? C'est parce qu'ils n'ont pas de coquilles d incomplètes et n'absorbent donc aucune longueur d'onde dans le spectre de la lumière visible. La lumière visible avec toutes ses longueurs d'onde se combine pour former la lumière blanche, qui semble donc incolore.
Propriétés des métaux de transition : activité catalytique
Pour finir, examinons les propriétés catalytiques des métaux de transition.
Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans être modifiée chimiquement dans son ensemble. Ils fonctionnent en fournissant une voie de réaction alternative avec une énergie d'activation plus faible.
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.
Rends-toi sur la page Catalyseurs pour en savoir plus sur les différents types de catalyseurs et sur leur fonctionnement. Tu te concentreras sur des exemples spécifiques, tels que l'oxyde de vanadium(V) et les ions Fe2+.
De nombreux prix Nobel ont été décernés à des chimistes pionniers dans le domaine de la catalyse. Par exemple, Fritz Haber a remporté le prix Nobel en 1918 pour ses travaux sur le procédé Haber, qui synthétise l'ammoniac à l'aide d'un catalyseur à base de fer. Karl Ziegler et Giulio Natta ont partagé le prix Nobel en 1963 pour leur contribution à la polymérisation des hydrocarbures. Ce procédé utilise un catalyseur Ziegler-Natta, qui contient souvent du titane ou du hafnium.
Tu trouves aussi des enzymes, affectueusement appelées "catalyseurs de la nature", qui dépendent des métaux de transition. Le cuivre est un élément essentiel des tyrosinases, qui synthétisent la mélanine: des granules pigmentés qui protègent ton ADN des rayons UV solaires nocifs. En outre, les bactéries qui fixent l'azote utilisent des enzymes appelées nitrogénases. Celles-ci agissent comme la version du monde vivant du processus de Haber en catalysant la conversion de l'azote en ammoniac. Comme les catalyseurs du processus de Haber, les nitrogénases contiennent du fer. Elles contiennent souvent un deuxième métal de transition, généralement du molybdène, mais parfois aussi du vanadium.
Propriétés des éléments de transition : magnétisme
Tu veux découvrir une dernière propriété des métaux de transition ? Explorons le magnétisme.
Le magnétisme est causé par les électrons non appariés. Les électrons ont naturellement un moment magnétique causé par leur spin, mais dans les espèces qui n'ont que des électrons appariés, les moments magnétiques s'annulent. Cela signifie que ces espèces ne sont pas affectées par un champ magnétique externe ; on dit qu'elles sont diamagnétiques.
Cependant, les espèces ayant un ou plusieurs électrons non appariés ont un moment magnétique global. Ces espèces sont affectées par un champ magnétique externe, et on dit qu'elles sont paramagnétiques. Si tu tiens un aimant près d'une espèce paramagnétique, ses moments magnétiques s'aligneront dans la direction du champ magnétique. Cependant, lorsque tu retires le champ magnétique externe, les moments magnétiques retournent à un état aléatoire et l'espèce perd son magnétisme.
Nous obtenons également des espèces ferromagnétiques. Celles-ci contiennent également des électrons non appariés. Pour des raisons énergétiques, les moments magnétiques de ces électrons non appariés s'orientent naturellement parallèlement les uns aux autres, au lieu de prendre une disposition aléatoire. Cela signifie que les espèces ferromagnétiques conservent leurs propriétés magnétiques même lorsque le champ magnétique externe est supprimé, et agissent donc comme de minuscules aimants.
Quel est le lien entre le magnétisme et les métaux de transition ? Dans la nature, de nombreux métaux de transition possèdent des électrons non appariés. Cela signifie qu'ils sont magnétiques. D'autres métaux, comme l'aluminium, ont également des électrons non appariés et présentent des propriétés magnétiques, mais ces métaux sont principalement tous paramagnétiques. En revanche, les métaux de transition peuvent être ferromagnétiques, c'est-à-dire qu'ils conservent leurs propriétés magnétiques même lorsqu'ils ne sont pas soumis à un champ magnétique externe et se comportent donc comme des aimants. Le fer (Fe), le nickel (Ni) et le cobalt (Co) sont des exemples d'espèces ferromagnétiques.
Fig. 4 : Arrangements électroniques du fer, du nickel et du cobalt. Seules les orbitales 3d et 4s sont représentées. Note que ces trois éléments contiennent des électrons non appariés et ont donc des propriétés magnétiques.StudySmarter Originals
Propriétés des métaux de transition - Principaux enseignements
Lesmétaux de transition sont des éléments qui forment des ions stables avec des sous-coquilles d'électrons partiellement remplies.
Les métaux de transition présentent des caractéristiques métalliques typiques: ils ont des points de fusion et d'ébullition élevés, sont durs et denses et sont de bons conducteurs.
Les métaux de transition peuvent former des ions avec plusieurs états d'oxydation. Les ions sont souvent de couleur vive.
Ils forment également des composés complexes. Dans ces composés, un ion central de métal de transition est lié à des molécules environnantes, appelées ligands, par des liaisons covalentes datives.
Les métaux de transition sont de bons catalyseurs.
En outre, ils possèdent d'importantes propriétés magnétiques: de nombreux métaux de transition sont paramagnétiques ou ferromagnétiques.
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