Eh bien, c'est ce que sont les métaux de transition - un groupe d'éléments qui font le pont entre deux côtés du tableau périodique. Dans cet article, nous allons plonger dans le monde merveilleux de ces métaux.
- Cet article est une introduction aux métaux de transition en chimie inorganique.
- Nous commencerons par définir les métaux de transition.
- Nous nous pencherons ensuite sur leur emplacement dans le tableau périodique.
- Nous nous pencherons sur leurs propriétés générales.
- Enfin, nous explorerons certaines de leurs utilisations et applications.
Définition des métaux de transition
Les scientifiques ne sont parfois pas d'accord sur la classification exacte des métaux de transition. En fait, il existe quelques définitions différentes.
Mais pour tes examens, tu dois savoir ce qui suit :
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 englobe tous les éléments du bloc d du tableau périodique, mais en fait, ce n'est pas le cas. En effet, tous les éléments du bloc d ne forment pas des ions stables avec des sous-coquilles d'électrons incomplètes. Le scandium (Sc) et le zinc (Zn) sont des exemples d'éléments du bloc d qui ne sont pas des métaux de transition. Nous verrons plus tard pourquoi il en est ainsi.
Tu peux voir les métaux de transition dans le tableau périodique ci-dessous. Ici, ils sont surlignés en bleu.
Fig. 1 - Tableau périodique des éléments avec les métaux de transition surlignés
L'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée) a en fait une définition légèrement différente du métal de transition. Ils conviennent qu'un métal de transition est un élément qui forme au moins un ion stable avec une demi-coquille d'électrons partiellement remplie, mais ils disent aussi que les métaux de transition peuvent être des éléments dont les atomes ont une demi-coquille d partiellement remplie. Cette définition signifie que le scandium et le zinc sont en fait des métaux de transition.
Tu peux aussi voir les lanthanides, qui sont des éléments dont les numéros atomiques vont de 57 à 71, et les actinides, qui portent les numéros 89 à 103, appelés métaux de transition internes. Mais pour cet article, nous nous en tiendrons à la première définition que nous avons apprise, à savoir les éléments surlignés en bleu ci-dessus.
Les métaux de transition dans le tableau périodique
Comme nous te l'avons montré plus haut, les métaux de transition se trouvent au milieu du bloc d du tableau périodique.
Le bloc d est une section du tableau périodique. La sous-coquille la plus énergétique des éléments du bloc d est toujours une sous-coquille d. Le bloc d se trouve entre les blocs s et p et constitue un lien entre les deux.
Plus précisément, les métaux de transition se trouvent dans les groupes 3 à 12 et les périodes 4 à 7, mais ce n'est pas important - tout ce qui compte, c'est que tu puisses les trouver dans le tableau périodique.
Configuration électronique des métaux de transition
Nous commencerons par leur configuration électronique en tant qu'atomes, puis nous verrons comment elle change lorsqu'ils forment des ions. Cela nous aidera également à expliquer pourquoi certains membres du bloc d ne sont pas classés parmi les métaux de transition.
Cette section n'aura probablement pas beaucoup de sens si tu n'as pas lu Coquilles d'élect rons et Configuration des électrons. Nous te recommandons de les consulter d'abord pour apprendre les bases des coques d'électrons, des sous coques, des orbitales et des règles de remplissage.
Configuration électronique des atomes des métaux de transition
Comme nous l'avons mentionné plus haut, tous les métaux de transition se trouvent dans le bloc d du tableau périodique. Cela signifie que leurs électrons de valence se trouvent tous dans une sous-coquille d.
Tu dois te rappeler que les électrons se trouvent dans des coquilles. Celles-ci se décomposent en sous-coquilles. Il existe quatre types différents de sous-coquilles d'électrons : les sous-coquilles s, p, d et f. La position d'un élément dans le tableau périodique t'indique la sous-coquille d'énergie la plus élevée dans laquelle se trouvent ses électrons. La sous-coquille d'énergie la plus élevée des éléments du bloc p, par exemple, est une sous-coquille p.
À mesure que tu traverses la période du tableau périodique, chaque métal de transition possède un électron de plus que le précédent. Ces électrons remplissent progressivement la sous-coquille d, mais il y a quelques exceptions sournoises. Examinons la situation de plus près, en prenant pour exemple la première rangée de métaux de transition (période 4). Nous avons mis en évidence la période ci-dessous.
Fig. 2 - Tableau périodique avec la période 4 en surbrillance
Examinons leurs configurations électroniques. Comme dans le tableau périodique, nous avons mis en évidence les métaux de transition.
Fig. 3 - La configuration électronique de la période 4
Les deux premiers éléments de la période 4, le potassium (K) et le calcium (Ca) se trouvent dans le bloc s. Leurs électrons de valence se trouvent dans la sous-coquille 4s et leurs sous-coquilles 3d sont vides. Leurs électrons de valence se trouvent dans la sous-coquille 4s, et leurs sous-coquilles 3d sont vides.
Rappelle-toi que les sous-coquilles se remplissent dans un certain ordre, de l'énergie la plus faible à l'énergie la plus élevée. Cet ordre est généralement le suivant : du nombre le plus faible au nombre le plus élevé. Par exemple, 2s se remplit avant 3s. Cependant, 3d est une anomalie - il a une énergie légèrement plus élevée que 4s et se remplit donc après 4s. Ce n'est qu'un autre exemple d'exception ennuyeuse aux règles que tu dois apprendre !
Les 10 éléments suivants sont des éléments du bloc d. Au fur et à mesure que tu traverses la période, les électrons sont ajoutés à la sous-coquille 3d intérieure, un par un. Par exemple, le scandium (Sc) a 21 électrons et un seul électron dans sa coquille 3d, ce qui lui donne la configuration électronique [Ar] 3d1 4s2, alors que le titane a 22 électrons et deux électrons dans sa coquille 3d. Cela lui donne la configuration électronique de [Ar]3d2 4s2.
Mais comme nous l'avons mentionné plus haut, cette configuration de remplissage est brutalement interrompue par deux éléments : le chrome (Cr) et le cuivre (Cu). Tous deux ont des coquilles secondaires 4s partiellement remplies. Pourquoi en est-il ainsi ?
Eh bien, c'est parce que les sous-coquilles 4s et 3d ont des niveaux d'énergie très similaires. Comme l'électron de la sous-coquille 4s n'est pas apparié, il ne subit pas de répulsion électron-électron. Cela abaisse son niveau d'énergie et compense largement l'électron supplémentaire dans la sous-coquille 3d, dont l'énergie est légèrement plus élevée. Les électrons aiment tout simplement se trouver dans l'état d'énergie le plus bas possible. On pense également que le fait d'avoir une coquille 3d à moitié pleine, comme dans le cas du chrome, ou une coquille 3d complètement remplie, comme dans le cas du cuivre, contribue à stabiliser l'atome.
Fig. 4 - Configurations électroniques attendues et observées du chrome et du cuivre
Configuration électronique des ions de métaux de transition
Tous les métaux de transition forment des cations positifs en perdant des électrons.
Tu te souviendras peut-être de la configuration électronique que, bien que la sous-coquille 3d soit d'un niveau d'énergie légèrement plus élevé que la sous-coquille 4s, les atomes perdent d'abord les électrons de la sous-coquille 4s. Cela signifie que tous les métaux de transition ont perdu leurs électrons 4s avant leurs électrons 3d.
Prenons l'exemple du fer (Fe). Il forme généralement des ions avec des charges de 2+ ou 3+. La configuration électronique du fer est [Ar] 3d6 4s2. Lorsqu'il forme un ion 2+, il perd d'abord ses électrons 4s, ce qui lui donne la configuration électronique [Ar]3d6 4s0. Pour former un ion 3+, il doit perdre un électron supplémentaire. Comme la sous-coquille 4s est maintenant vide, cet électron est perdu dans la sous-coquille 3d, ce qui donne à l'ion la configuration électronique [Ar]3d5 4s0.
Fig. 5 - Configuration électronique du fer, du fer(II) et du fer(III)
Pourquoi tous les éléments du bloc d ne sont-ils pas des métaux de transition ?
Parce qu'ils ne forment pas tous des ions stables avec des sous-capsules d incomplètes. Par exemple, le scandium (Sc) ne forme que des ions 3+ dans tous ses composés, ce qui lui donne la configuration électronique de [Ar]3d0 4s0. Sa sous-coquille 3d est complètement vide, il ne s'agit donc pas d'un métal de transition. De même, le zinc (Zn) ne forme que des ions 2+ dans tous ses composés. Ces ions ont la configuration électronique de [Ar]3d10 4s0. Sa sous-coquille 3d est complètement remplie, il ne s'agit donc pas d'un métal de transition.
Propriétés des métaux de transition
Les métaux de transition ont tous des propriétés similaires. Ils sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité, sont durs et solides et ont des points de fusion et d'ébullition élevés. Par rapport aux métaux des groupes 1 et 2, ils sont également relativement peu réactifs. Cela les rend extrêmement utiles, mais nous explorerons ce point dans la prochaine section. Pour l'instant, examinons quelques-unes de leurs autres propriétés caractéristiques. Il y en a quatre en particulier que tu dois connaître lorsqu'il s'agit de métaux de transition :
- Les métaux de transition forment des ions avec plusieurs états d'oxydation. Nous avons déjà vu comment le fer forme des ions 2+ et 3+.
- Ils forment des ions complexes. Les ions complexes sont des ions liés à d'autres ions ou molécules, appelés ligands, par des liaisons covalentes datives.
- Ils forment des composés colorés. Par exemple, le cuivre forme souvent des solutions bleues.
- Ils sont de bons catalyseurs, c'est-à-dire des substances qui augmentent la vitesse d'une réaction chimique sans être utilisées dans le processus.
Nous explorons ces propriétés de manière beaucoup plus approfondie dans Propriétés des métaux de transition.
Utilisations des métaux de transition
En raison de leurs propriétés, les métaux de transition ont une grande variété d'utilisations. Tu les trouves dans l'électronique, les matériaux de construction et bien d'autres choses encore. Voici quelques-unes de leurs applications les plus courantes :
L'aluminium est léger et non toxique, il est donc utilisé non seulement dans la fabrication de pièces de voitures et d'avions, mais aussi pour fabriquer des boîtes de conserve et des feuilles d'aluminium pour emballer les aliments.
Lefer est utilisé dans les matériaux de construction, par exemple pour les ponts, les bateaux et la structure des bâtiments. Cela est dû à sa grande résistance et à son faible coût. En fait, le fer représente 90 % de la production mondiale de métaux.
Lecuivre est utilisé dans les fils électriques en raison de sa bonne conductivité électrique.
Tu peux trouver du titane en poudre dans l'industrie pyrotechnique, par exemple dans les feux d'artifice, car il produit des particules qui brûlent très fort.
Letungstène est utilisé dans les filaments des ampoules électriques et les tubes à rayons X.
Les métaux de transition forment souvent des alliages. Il s'agit de composés fabriqués à partir de mélanges d'éléments, dont au moins un est un métal. Les alliages sont généralement plus résistants que les métaux purs. Les métaux forment des réseaux, et dans les métaux purs, les ions métalliques du réseau sont tous de la même taille, il est donc facile pour eux de glisser les uns sur les autres.
Cependant, les alliages contiennent des ions métalliques de taille différente. Ceux-ci déforment le réseau et rendent plus difficile le glissement des ions les uns sur les autres. Parmi les alliages de métaux de transition utiles, on trouve le laiton (fabriqué à partir de cuivre et de zinc), l'acier (fabriqué à partir de fer et de carbone, un non-métal) et l'argent sterling (fabriqué à partir d'argent et d'un autre métal, généralement du cuivre).
Pour plus d'informations sur les treillis métalliques, consulte la rubriqueLiaison métallique .
Métaux de transition - Principaux enseignements
Lesmétaux de transition sont des éléments dont les atomes ont une demi-coquille d partiellement remplie, ou qui forment au moins un ion stable avec une demi-coquille d'électrons partiellement remplie.
Les métaux de transition se trouvent dans le bloc d du tableau périodique. Cela signifie que leur sous-coquille d'énergie la plus élevée est toujours une sous-coquille d. Plus précisément, les métaux de transition se trouvent dans les groupes 3 à 12 et les périodes 4 à 7.
Les métaux de transition se distinguent par le nombre d'électrons dans leur sous-coquille d. Cependant, le cuivre et le chrome ont des configurations électroniques légèrement différentes de celles attendues en raison de la similarité des niveaux d'énergie des sous-coquilles 4s et 3d.
Lorsqu'ils forment des ions, les métaux de transition perdent leurs électrons 4s avant leurs électrons 3d.
Les métaux de transition sont durs et solides, ont des points de fusion et d'ébullition élevés et sont relativement peu réactifs.
Les métaux de transition forment également des ions avec plusieurs états d'oxydation, forment des ions complexes, produisent des composés colorés et agissent comme catalyseurs.
Les métaux de transition sont utilisés comme matériaux de construction et en électronique. Ils forment également de nombreux alliages différents.
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