Métal de transition

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Introduction

123456789101112131415161718
1HHe
2LiBeBCNOFNe
3NaMgAlSiPSClAr
4KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
5RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe
6CsBa*LuHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
7FrRa*LrRfDbSgBhHsMtDsRgCnUutUuqUupUuhUusUuo
↓
*LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYb
*AcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNo

On appelle métal de transition un élément chimique du bloc d du tableau périodique qui n'est ni un lanthanide ni un actinide. Il s'agit des 38 éléments des périodes 4 à 7 et des groupes 3 à 12 hormis le lutécium 71Lu (un lanthanide) et le lawrencium 103Lr (un actinide).

Il existe en fait plusieurs définitions possibles des métaux de transition qui conduisent à délimiter de façon différente l'ensemble des éléments concernés :

  • on confond parfois les métaux de transition avec les éléments du bloc d, ce qui conduit à inclure le lutécium et le lawrencium ; cette définition est assez logique mais l'UICPA définit expressément ces éléments respectivement comme un lanthanide et un actinide, ce qui les exclut du champ des métaux de transition.

  • L'UICPA définit les métaux de transition comme les éléments qui ont une sous-couche d incomplète ou qui peuvent donner un cation ayant une sous-couche d incomplète. Cette définition revient à exclure les éléments du groupe 12 (zinc, cadmium, mercure et copernicium), qui ont une sous-couche d complète, et pose un problème pour le lutécium et le lawrencium, qui se retrouvent ainsi affectés à deux séries chacun.

La liste la plus large des métaux de transition peut donc être résumée par le tableau suivant :

Groupe3456789101112
Période 421Sc22Ti23V24Cr25Mn26Fe27Co28Ni29Cu30Zn
Période 539Y40Zr41Nb42Mo43Tc44Ru45Rh46Pd47Ag48Cd
Période 671Lu72Hf73Ta74W75Re76Os77Ir78Pt79Au80Hg
Période 7103Lr104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Ds111Rg112Cn

Configuration électronique

Les métaux de transition sont des éléments du bloc d, qui remplissent progressivement une sous-couche électronique d en dessous d'une sous-couche s saturée, conformément à la règle de Klechkowski. Cette règle permet d'expliquer la configuration électronique d'un peu plus de 80 % des éléments chimiques ; les quelque 20 % restants se trouvent précisément parmi les métaux de transition, les lanthanides, et les actinides : c'est le cas des deux premiers éléments du groupe 6 et de tous ceux du groupe 11, pour lesquels une configuration de type s d ou s d est énergétiquement plus favorable que la configuration de type s d ou s d qu'on attendrait en appliquant la règle de Klechkowski ; cette configuration particulière est également observée pour certains éléments adjacents aux groupes 6 et 11 ; la configuration électronique exacte à l'état fondamental des métaux de transition de la septième période (transactinides) reste trop mal connue pour y caractériser de telles exceptions :

Élément chimiqueConfiguration électronique
n 21ScScandium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
n 22TiTitane1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
n 23VVanadium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
n 24CrChrome1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d ( * )
n 25MnManganèse1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
n 26FeFer1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
n 27CoCobalt1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
n 28NiNickel1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
n 29CuCuivre1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d ( * )
n 30ZnZinc1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
n 39YYttrium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d
n 40ZrZirconium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d
n 41NbNiobium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d ( * )
n 42MoMolybdène1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d ( * )
n 43TcTechnétium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d
n 44RuRuthénium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d ( * )
n 45RhRhodium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d ( * )
n 46PdPalladium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 4d ( * )
n 47AgArgent1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d ( * )
n 48CdCadmium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d
n 72HfHafnium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d
n 73TaTantale1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d
n 74WTungstène1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d
n 75ReRhénium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d
n 76OsOsmium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d
n 77IrIridium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d
n 78PtPlatine1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d ( * )
n 79AuOr1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d ( * )
n 80HgMercure1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d
n 104RfRutherfordium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?
n 105DbDubnium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?
n 106SgSeaborgium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?
n 107BhBohrium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?
n 108HsHassium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?
n 109MtMeitnerium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?
n 110DsDarmstadtium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?
n 111RgRoentgenium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?
n 112CnCopernicium1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ?

( * ) Exceptions à la règle de Klechkowski :

  • Période n 4 : chrome 24Cr, cuivre 29Cu,
  • Période n 5 : niobium 41Nb, molybdène 42Mo, ruthénium 44Ru, rhodium 45Rh, palladium 46Pd, argent 47Ag,
  • Période n 6 : platine 78Pt, or 79Au.

États d'oxydation

Contrairement aux deux premiers groupes du tableau périodique (les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux), les métaux de transition (notamment des groupes 4 à 11) peuvent former des ions avec une grande variété d'états d'oxydation. Les métaux alcalino-terreux tels que le calcium sont stables à l'état d'oxydation +2, alors qu'un métal de transition peut adopter des degrés d'oxydation de -3 à +8. On peut en comprendre la raison en étudiant les potentiels d'ionisation des éléments deux séries. L'énergie requise pour enlever un électron du calcium est faible jusqu'à ce qu'on commence à enlever des électrons sous les deux électrons de sa sous-couche 4s. En fait, Ca a une telle énergie d'ionisation qu'il n'existe pas naturellement. En revanche, avec un élément comme le vanadium, on observe une augmentation linéaire de l'énergie d'ionisation entre les orbitales s et d, ceci étant dû à la très faible différence énergétique entre les sous-couches 3d et 4s. Ainsi, un élément comme le manganèse, avec une configuration [Ar] 4s 3d, peut perdre sept électrons et atteindre l'état d'oxydation +7, tandis que le ruthénium et l'osmium atteignent couramment l'état d'oxydation +8 :

États d'oxydation des métaux de transition : un disque plein représente un état d'oxydation courant, un cercle vide indique un état d'oxydation plus rare — énergétiquement moins favorable.

Certaines tendances dans les propriétés des métaux de transition peuvent être observées le long d'une période :

  • le nombre d'états d'oxydation de chaque ion augmente jusqu'au groupe 7 ou 8, puis diminue ;
  • un élément dans un faible état d'oxydation peut se trouver sous forme d'ion simple, mais, pour les états d'oxydation les plus élevés, généralement sous forme d'un composé covalent d'oxygène ou de fluor.

Couleurs des complexes de métaux de transition

De gauche à droite : - Nitrate de cobalt(II) Co(NO3)2 (rouge) - Dichromate de potassium K2Cr2O7 (orange) - Chromate de potassium K2CrO4 (jaune) - Chlorure de nickel(II) NiCl2 (vert) - Sulfate de cuivre(II) CuSO4 (bleu) - Permanganate de potassium KMnO4 (violet)

Compte tenu de leur grande variété d'états d'oxydation et donc de configurations électroniques, les métaux de transition forment des composés aux couleurs les plus variées. Tout le spectre visible est couvert, la couleur d'un élément donné dépendant aussi de son état d'oxydation : ainsi le manganèse à l'état d'oxydation +7 est violet (permanganate de potassium) tandis que l'ion Mn est rose pâle.

La coordination d'un ligand est susceptible de modifier les niveaux d'énergie des orbitales d et donc la couleur des composés d'un métal de transition donné.

Les facteurs déterminant la couleur d'un complexe sont :

  • la nature de l'ion métallique, en particulier le nombre d'électrons de l'orbitale d dans la couche de valence ;
  • la nature des ligands autour de l'ion métallique, ce qui conditionne l'effet sur les niveaux d'énergie des orbitales d ;
  • la géométrie de ces ligands autour de l'ion métallique, car des diastéréoisomères peuvent avoir des couleurs différentes.

Propriétés

Les métaux de transition ont en général une densité ainsi qu'une température de fusion et de vaporisation élevées, sauf ceux du groupe 12, qui ont au contraire un point de fusion assez bas : le mercure est ainsi liquide au-dessus de -38,8 °C et le copernicium serait peut-être même gazeux à température ambiante. Ces propriétés proviennent de la capacité des électrons de la sous-couche d à se délocaliser dans le réseau métallique. Dans les substances métalliques, plus le nombre d'électrons partagés entre les noyaux est grand, plus grande est la cohésion du métal.

Certains métaux de transition forment de bons catalyseurs homogènes et hétérogènes. Par exemple, le fer est un catalyseur dans le procédé Haber, le nickel et le platine sont utilisés dans l'hydrogénation des alcènes.

Le groupe du platine constitue un ensemble important de métaux de transitions aux propriétés remarquables, qui en font d'excellents catalyseurs aux applications stratégiques.