Métal de transition - Définition et Explications

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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 (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe :...) 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 tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) est couvert, la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) d'un élément donné dépendant aussi de son état d'oxydation : ainsi le manganèse (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.) à l'état d'oxydation +7 est violet (Le violet est une couleur, composée d'un mélange de bleu (environ 50% de luminosité) et de rouge (environ 25% de luminosité) en synthèse additive, et d'un mélange de magenta (environ 100%) et de...) (permanganate de potassium) tandis que l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui...) Mn2+ est rose pâle.

La coordination d'un ligand est susceptible de modifier les niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des orbitales d et donc la couleur des composés d'un métal de transition (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...) donné.

Les facteurs déterminant la couleur d'un complexe sont :

  • la nature de l'ion métallique, en particulier le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'électrons de l'orbitale d dans la couche de valence ;
  • la nature des ligands autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de l'ion métallique, ce qui conditionne l'effet sur les niveaux d'énergie des orbitales d ;
  • la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces (géométrie...) de ces ligands autour de l'ion métallique, car des diastéréoisomères peuvent avoir des couleurs différentes.

États d'oxydation

Contrairement aux deux premiers groupes du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) 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 (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.) sont stables à l'état d'oxydation +2, alors qu'un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques...) de transition peut adopter des degrés d'oxydation de -3 à +8. On peut en comprendre la raison en étudiant les potentiels d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors...) des éléments deux séries. L'énergie requise pour enlever un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) 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, Ca3+ a une telle énergie d'ionisation qu'il n'existe pas naturellement. En revanche, avec un élément comme le vanadium (Le vanadium est un élément chimique, de symbole V et de numéro atomique 23.), 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] 4s2 3d5, peut perdre sept électrons et atteindre l'état d'oxydation +7, tandis que le ruthénium (Le ruthénium est un élément chimique, de symbole Ru et de numéro atomique 44, qui fait partie des métaux du groupe du platine (dits métaux...) et l'osmium (L’osmium est l'élément chimique du tableau périodique dont le symbole est Os et le numéro atomique 76. Il se présente sous la forme d'un métal gris bleuté et brillant. C'est un métal de transition...) atteignent couramment l'état d'oxydation +8 :

États d'oxydation des métaux de transition : un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) plein représente un état d'oxydation courant, un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est...) vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) 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 (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) ou de fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des halogènes, de masse atomique 19.).

Propriétés

Les métaux de transition ont en général une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) ainsi qu'une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la...) et de vaporisation élevées, sauf ceux du groupe 12, qui ont au contraire un point de fusion (Le point de fusion' ou la température de fusion d'un corps représente la température à une pression donnée, à laquelle un élément pur ou un composé chimique passe de l'état...) assez bas : le mercure est ainsi liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) au-dessus de -38,8 °C et le copernicium (Le copernicium est un élément chimique, de symbole Cn et de numéro atomique 112. Sa dénomination systématique était ununbium...) 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) 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 (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus...) est un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans...) dans le procédé Haber, le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) et le platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) sont utilisés dans l'hydrogénation (L'hydrogénation est une réaction chimique qui consiste en l'addition d'une molécule de dihydrogène (H2). Cette réaction est habituellement employée pour réduire ou saturer des...) des alcènes.

Le groupe du platine constitue un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) important de métaux de transitions aux propriétés remarquables, qui en font d'excellents catalyseurs aux applications stratégiques.

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