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Propriétés des métaux de transition
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Les métaux de transition sont définis comme les éléments qui ont des orbitales d partiellement remplies. Comme le montre la figure 1, les éléments du bloc d des groupes 3 à 12 sont des éléments de transition. Les éléments du bloc f, qu’on appelle aussi métaux de transition interne (lanthanides et actinides), répondent également à ce critère car l’orbitale d est partiellement occupée avant les orbitales f.
Figure 1 : tableau périodique. Les métaux de transition sont situés dans les groupes 3 à 11 du tableau périodique. Les métaux de transition interne se trouvent dans les deux lignes sous le corps du tableau.
Les éléments du bloc d sont divisés en la première série de transition (les éléments Sc à Cu), la deuxième série de transition (les éléments Y à Ag) et la troisième série de transition (l’élément La et les éléments Hf à Au). L’actinium, Ac, est le premier membre de la quatrième série de transition, qui comprend aussi Rf à Rg.
Les éléments du bloc f sont les éléments Ce à Lu, qui constituent la série des lanthanides (ou série lanthanoïde), et les éléments Th à Lr, qui constituent la série des actinides (ou série actinoïde). Comme le lanthane se comporte beaucoup comme les éléments des lanthanides, il est considéré comme un élément des lanthanides, même si sa configuration électronique en fait le premier membre de la troisième série de transition. De même, le comportement de l’actinium signifie qu’il fait partie de la série des actinides, bien que sa configuration électronique en fait le premier membre de la quatrième série de transition.
Les éléments de transition ont de nombreuses propriétés en commun avec d’autres métaux. Ce sont presque tous des solides durs à fusion élevée qui conduisent bien la chaleur et l’électricité. Ils forment facilement des alliages et perdent des électrons pour former des cations stables. En outre, les métaux de transition forment une grande variété de composés de coordination stables, dans lesquels l’atome ou l’ion métallique central agit comme un acide de Lewis et accepte un ou plusieurs doublets d’électrons. De nombreuses molécules et ions différents peuvent donner des doublets libres au centre métallique, servant de bases de Lewis.
Propriétés des éléments de transition
Les métaux de transition présentent un large éventail de comportements chimiques. Certains métaux de transition sont des agents réducteurs forts, alors que d’autres ont une réactivité très faible. Par exemple, les lanthanides forment tous des cations aqueux 3+ stables. La force motrice de ces oxydations est semblable à celle des métaux alcalino-terreux tels que le Be ou le Mg, formant Be2+ et Mg2+. D’autre part, les matériaux comme le platine et l’or ont des potentiels de réduction beaucoup plus élevés. Leur capacité à résister à l’oxydation en fait des matériaux utiles pour la construction de circuits et de bijoux.
Les ions des éléments du bloc d plus légers, tels que Cr3+, Fe3+ et Co2+, forment des ions hydratés colorés qui sont stables dans l’eau. Cependant, les ions de la période juste en dessous d’eux (Mo3+, Ru3+ et Ir2+) sont instables et réagissent facilement avec l’oxygène de l’air. La majorité des ions simples et stables dans l’eau formés par les éléments plus lourds du bloc d</em sont des oxyanions tels que MoO42− et ReO4−.
Le ruthénium, l’osmium, le rhodium, l’iridium, le palladium et le platine sont les métaux du platine. Avec difficulté, ils forment des cations simples qui sont stables dans l’eau et, contrairement aux éléments précédents des deuxième et troisième séries de transition, ils ne forment pas d’oxyanions stables.
Les éléments des blocs det f réagissent avec les non-métaux pour former des composés binaires ; le chauffage est souvent nécessaire. Ces éléments réagissent avec des halogènes pour former divers halogénures dont le degré d’oxydation varie de +1 à +6. Lors du chauffage, l’oxygène réagit avec tous les éléments de transition, à l’exception du palladium, du platine, de l’argent et de l’or. Les oxydes de ces derniers métaux peuvent être formés à l’aide d’autres réactifs, mais ils se décomposent lors du chauffage. Les éléments du bloc f, les éléments du groupe 3 et les éléments de la première série de transition, à l’exception du cuivre, réagissent avec les solutions aqueuses d’acides, formant ainsi de l’hydrogène gazeux et des solutions des sels correspondants.
Les métaux de transition peuvent former des composés avec une large gamme d’états d’oxydation. Certains des états d’oxydation observés des éléments de la première série de transition sont indiqués dans le tableau 1. En se déplaçant de gauche à droite à travers la première série de transition, le nombre de degrés d’oxydation communs augmente d’abord à un maximum vers le milieu du tableau, puis diminue. Les valeurs du tableau sont des valeurs typiques ; il existe d’autres valeurs connues et il est possible de synthétiser de nouveaux ajouts. Par exemple, en 2014, les chercheurs ont réussi à synthétiser un nouvel état d’oxydation de l’iridium (+9).
| 21Sc | 22Ti | 23V | 24Cr | 25Mn | 26Fe | 27Co | 28Ni | 29Cu | 30Zn |
| +1 | |||||||||
| +2 | +2 | +2 | +2 | +2 | +2 | +2 | +2 | ||
| +3 | +3 | +3 | +3 | +3 | +3 | +3 | +3 | +3 | |
| +4 | +4 | +4 | +4 | ||||||
| +5 | |||||||||
| +6 | +6 | +6 | |||||||
| +7 |
Tableau 1. Les métaux de transition de la première série de transition peuvent former des composés avec des états d’oxydation variables.
Pour les éléments du scandium au manganèse (la première moitié de la première série de transition), l’état d’oxydation le plus élevé correspond à la perte de tous les électrons dans les orbitales s et d de leurs couches de valence. L’ion titane(IV), par exemple, se forme lorsque l’atome de titane perd ses deux électrons 3d et ses deux électrons 4s. Ces états d’oxydation les plus élevés sont les formes les plus stables du scandium, du titane et du vanadium. Cependant, il n’est pas possible de continuer à enlever tous les électrons de valence des métaux à mesure que nous continuons dans la série. On sait que le fer forme des états d’oxydation de +2 à +6, le fer(II) et le fer(III) étant les plus courants. La plupart des éléments de la première série de transition forment des ions avec une charge de 2+ ou 3+ qui sont stables dans l’eau, bien que ceux des premiers membres de la série puissent être facilement oxydés par l’air.
Les éléments de la deuxième et de la troisième série de transition sont généralement plus stables dans les états d’oxydation plus élevés que les éléments de la première série. En général, le rayon atomique augmente en descendant dans un groupe, ce qui fait que les ions de la deuxième et de la troisième série sont plus grands que ceux de la première série. Il est plus facile d’enlever les électrons des orbitales situées plus loin du noyau que d’enlever les électrons proches du noyau. Par exemple, le molybdène et le tungstène, des membres du groupe 6, sont limités principalement à un état d’oxydation de +6 en solution aqueuse. Le chrome, le membre le plus léger du groupe, forme des ions Cr3+ stables dans l’eau et, en l’absence d’air, des ions Cr2+ moins stables. Le sulfure ayant l’état d’oxydation le plus élevé pour le chrome est Cr2S3, qui contient l’ion Cr3+. Le molybdène et le tungstène forment des sulfures dans lesquels les métaux présentent des états d’oxydation de +4 et +6.
La grande variété des propriétés présentée par les métaux de transition est due à leurs couches de valence complexes. Contrairement à la plupart des métaux du groupe principal pour lesquels un état d’oxydation est normalement observé, la structure de la couche de valence des métaux de transition signifie qu’ils sont présents généralement dans plusieurs états d’oxydation stables différents. En outre, les transitions d’électrons dans ces éléments peuvent correspondre à l’absorption des photons dans le spectre électromagnétique visible, conduisant à des composés colorés. En raison de ces comportements, les métaux de transition présentent une chimie riche et fascinante.
Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Chapitre 19.1 Présence, préparation et propriétés des métaux de transition et de leurs composés.