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Fiche explicative de la leçon : Configurations électroniques des métaux de transition Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les configurations électroniques des métaux de transition et la formation de leurs ions.

Les éléments de transition sont des métaux que l’on trouve dans les groupes 3 à 11 du tableau périodique. Ils ont de nombreuses propriétés fascinantes;celles-ci incluent leur capacité à former des solutions de couleur vive et leur capacité à former des ions qui ont des états d’oxydation variables. La plupart des propriétés chimiques uniques des éléments classés dans les métaux de transition peuvent être comprises en considérant leur configuration électronique.

Définition : Élément de transition

Un élément de transition est un élément dont les atomes ont une sous-couche d incomplète ou qui peuvent donner des cations avec une sous-couche d incomplète.

Le principe d’Aufbau indique que les électrons d’un atome doivent remplir les orbitales atomiques de plus basse énergie avant de pouvoir remplir les autres orbitales atomiques de plus haute énergie. Les électrons remplissent toujours l’orbitale atomique 1s, celle de plus basse énergie, avant de remplir les orbitales atomiques 2s et 2p, celles de plus haute énergie. La figure suivante montre les valeurs d’énergie relatives des dix-huit premières sous-couches électroniques.

Définition : Principe d’Aufbau

Le principe d’Aufbau indique que les électrons remplissent les orbitales atomiques de plus basse énergie avant de remplir les orbitales atomiques d’énergie plus élevée.

Le diagramme des niveaux d’énergie peut être utilisé pour comprendre que les électrons rempliront toujours la sous-couche 1s avant de commencer à remplir la sous-couche 2s, et que la sous-couche 2p sera toujours remplie après la sous-couche 2s. Nous pouvons aussi déduire à partir du diagramme des niveaux d’énergie que l’ordre de remplissage n’est pas si évident:certaines orbitales atomiques ayant un nombre quantique principal relativement élevé doivent être remplies avant d’autres orbitales atomiques ayant un nombre quantique principal plus faible. Par exemple, l’orbitale atomique 4s a tendance à être remplie avant l’orbitale atomique 3d car l’orbitale atomique 4s a la valeur d’énergie la plus faible.

La configuration électronique d’un élément est une série de symboles de référence et d’exposants qui décrit la distribution des électrons dans les orbitales atomiques. Les éléments des métaux de transition de la période quatre ont les configurations électroniques les plus simples de tous les différents types d’éléments des métaux de transition. Ils ont des configurations électroniques qui sont composées d’une suite de seulement sept « termes » de sous-couche.

Il y a deux conventions communes pour écrire les configurations électroniques des éléments de transition de période quatre. Nous pouvons apprécier les différentes conventions en considérant la configuration électronique du scandium. Certains scientifiques choisissent d’écrire la configuration électronique du scandium comme 1223343sspspsd et d’autres scientifiques choisissent d’écrire la configuration électronique du scandium comme 1223334.sspspds

La première suite est ordonnée en fonction de la position de la sous-couche dans le tableau périodique, et la deuxième suite est ordonnée en fonction du nombre quantique croissant. Nous utiliserons la convention dans la première de ces deux suites tout au long de cette fiche explicative.

Le scandium a le moins d’électrons de tous les éléments de métaux de transition de la période quatre car il ne contient qu’un seul électron dans la sous douche 3d. Les autres éléments des métaux de transition de la période quatre ont une configuration électronique similaire, mais ils ont tous un nombre d’occupation supérieur de la sous-couche 3d. La configuration électronique du titane est 1223343.sspspsd

La configuration électronique du scandium et celle du titane sont presque identiques, mais le titane possède un électron de plus que le scandium dans la sous-couche 3d.

Exemple 1: Déterminer la configuration électronique du titane

Laquelle des propositions suivantes correspond à la configuration électronique de Ti?

  1. [Ar]4s3d13
  2. [Ar]3s4d22
  3. [Kr]4s3d22
  4. [Kr]5s4d22
  5. [Ar]4s3d22

Réponse

Nous pouvons utiliser le tableau périodique pour déterminer que le titane a la configuration électronique suivante:1223343sspspsd. Le krypton a la configuration électronique 12233434sspspsdp et l’argon a la configuration électronique 12233sspsp. Cela signifie que nous devrons utiliser le préfixe [Ar] pour représenter la configuration électronique du titane. Le titane a deux électrons de plus dans les sous-couches 4s et 3d que l’argon, et nous pouvons donc supposer que la notation condensée du titane est [Ar]4s3d22, soit la réponse E.

Le tableau suivant indique les configurations électroniques des autres éléments des métaux de transition de la période quatre. Elles utilisent le terme du gaz noble Argon entre crochets [Ar] pour représenter les cinq « termes » de sous-couches suivants:12233.sspsp

ÉlémentConfiguration électronique4s3d3d3d3d3d
Sc[Ar]4s3d21
Ti[Ar]4s3d22
V[Ar]4s3d23
Cr[Ar]4s3d15
Mn[Ar]4s3d25
Fe[Ar]4s3d26
Co[Ar]4s3d27
Ni[Ar]4s3d28
Cu[Ar]4s3d110

Les configurations électroniques sont représentées sur le côté droit par une série de flèches orientées vers le haut et vers le bas. En chimie quantique, on utilise régulièrement des flèches vers le haut et vers le bas pour montrer comment les électrons remplissent progressivement les orbitales atomiques selon la règle de Hund. La règle de Hund stipule que chaque orbitale d’une sous-couche donnée est remplie avec un électron dans un état « spin-up » () avant que toute autres orbitales de la sous-couche puisse être remplie par un second électron dans un état « spin-down » (). Les orbitales de la sous-couche 3d doivent toujours être remplies par des flèches orientées vers le haut avant d’être remplies par une seconde flèche orientée vers le bas.

Définition : Règle de Hund

Chaque orbitale d’une sous-couche est occupée individuellement avant que toute autre orbitale ne soit doublement occupée.

Il est important de noter ici que les configurations électroniques des éléments des métaux de transition de la période quatre peuvent être décrites par une seule expression mathématique. Les configurations électroniques des métaux de transition de la période quatre peuvent être décrites par l’expression [Ar] (𝑛1)𝑛ds, 𝑛=4. Des expressions similaires peuvent être utilisées pour décrire les configurations électroniques des éléments des métaux de transition de la période cinq et de la période six dans le bloc d.

La détermination de la configuration électronique des éléments de transition de la première rangée n’est pas toujours simple car certains d’entre eux ont un arrangement en apparence anormal des électrons de valence. La plupart des métaux de transition ont deux électrons dans la sous-couche 4s, mais le chrome et le cuivre ont un seul électron dans leur sous-couche 4s. Les configurations électroniques du chrome et du cuivre sont illustrées ci-dessous:Chrome[Ar]4s3dCuivre[Ar]4s3d,.15110

Il est assez difficile de rationaliser complètement l’arrangement en apparence anormal des électrons dans les atomes de cuivre et de chrome sans introduire de notions qui dépassent le cadre de cette fiche explicative. Il est de coutume pour les lycéens de convenir simplement que les atomes de chrome et de cuivre sont plus stables quand ils ont un électron dans la sous-couche 4s, et cinq ou dix électrons dans la sous-couche 3d.

Exemple 2: Identifier la configuration électronique des atomes de chrome à partir d’illustrations schématiques simples des électrons dans les sous-couches 3d et 4s

Lequel des diagrammes suivants représente la configuration électronique d’un atome de chrome?

Réponse

La configuration électronique d’un élément peut être présentée sous forme d’une série de symboles de référence et d’exposants, ou bien elle peut être représentée de manière schématique avec une combinaison de flèches orientées vers le haut et vers le bas. Les couches électroniques internes peuvent toutes être présentées de manière explicite, ou elles peuvent être représentées avec des termes de gaz noble entre crochets tels que le préfixe [Ar]. Le préfixe [Ar] est utilisé pour représenter la configuration électronique 12233sspsp.

Le chrome a la configuration électronique 1223343sspspsd. La configuration électronique peut être écrite alternativement [Ar]4s3d15, car le préfixe [Ar] peut être utilisé à la place de la configuration électronique 12233sspsp. Cette configuration électronique peut également être représentée schématiquement par une série de flèches. Toutes les flèches devront être orientées vers le haut, car la règle de Hund stipule que les orbitales atomiques sont occupées individuellement par des électrons dans un état « spin-up » () avant qu’elles ne soient doublement occupées par des électrons dans un état « spin-down » (). Il y a seulement cinq électrons dans la sous-couche 3d et un électron dans la sous-couche 4s, ce qui signifie que tous les électrons de 3d et 4s doivent être dans un état « spin-up ». Nous pouvons utiliser ce raisonnement pour déterminer que l’option A est la bonne réponse à cette question.

La plupart des éléments de transition peuvent former différents types d’ions lors de réactions chimiques, car ils peuvent perdre des électrons à la fois des sous-couches de type d et de type s. Pratiquement tous les éléments de transition de la période quatre peuvent former un type d’ion lorsqu’ils perdent des électrons de la sous-couche 4s, et au moins un autre type d’ion lorsqu’ils perdent plus d’électrons de la sous-couche 3d. Le fer forme initialement l’ion Fe2+ s’il perd sa paire d’électrons 4s, et il peut ensuite former l’ion Fe3+ s’il perd un seul autre électron de la sous-couche 3d. La configuration électronique de l’atome Fe est illustrée ci-dessous avec les configurations électroniques des ions Fe2+ et Fe3+:AtomeFe[Ar]4s3dIonFe[Ar]3dIonFe[Ar]3d,,.262+63+5

Le tableau suivant indique quelques états d’oxydation courants et moins fréquents des éléments des métaux de transition de la période quatre. Il ressort de ce tableau que la plupart des métaux de transition peuvent former au moins deux ions différents lors de réactions chimiques. Certains des métaux de transition forment jusqu’à six types différents d’ions lors de réactions chimiques classiques. Il est intéressant de noter à partir de ce tableau que certains états d’oxydation maximum sont simplement déterminés par le nombre total d’électrons dans les sous-couches 3d et 4s.

ÉlémentConfiguration électronique États d’oxydation courant et moins courantsExemples de composés
Sc[Ar]4s3d21+3ScO23
Ti[Ar]4s3d22+2+3+4TiO, TiO23, TiO2
V[Ar]4s3d23+2+3+4+5VO, VO23, VO2, VO25
Cr[Ar]4s3d15+2+3+4+5+6CrO, CrO23, CrO3
Mn[Ar]4s3d25+2+3+4+5+6+7MnO, MnO23, MnO2, KMnO24, KMnO4
Fe[Ar]4s3d26+2+3+4+5+6FeO, FeO23
Co[Ar]4s3d27+2+3+4+5CoCl2, CoCl3
Ni[Ar]4s3d28+2+3+4NiO, NiO23, NiO2
Cu[Ar]4s3d110+1+2+3CuO2, CuO

Les atomes de zinc sont très intéressants car ce sont des éléments du bloc d qui ont tendance à ne former qu’un seul ion 2+ plutôt qu’une combinaison de plusieurs types d’ions différents chargés positivement. Les configurations électroniques de l’atome de zinc électriquement neutre et de l’ion zinc chargé positivement Zn2+ sont illustrées ci-dessous:AtomeZn[Ar]4s3dIonZn[Ar]3d,.2102+10

Le zinc a tendance à ne former qu’un seul ion car il possède une sous-couche 3d complètement remplie et il n’est énergétiquement pas favorable de retirer un ou plusieurs électrons d’une sous-couche complètement remplie. L’UICPA ne considère pas le zinc comme un métal de transition car il possède une sous-couche 3d complètement remplie et il ne forme généralement pas d’ions avec des sous-couches 3d incomplètes.

Exemple 3: Identifier quel élément n’est pas un métal de transition

Quel élément de la 4ème période du bloc d du tableau périodique n’est pas un métal de transition lorsque l’on tient compte de sa configuration électronique?

  1. le chrome
  2. le scandium
  3. le cuivre
  4. le zinc
  5. le fer

Réponse

Les métaux de transition sont des atomes avec des sous-couches d incomplètes ou des atomes qui peuvent produire des cations avec des sous-couches d incomplètes. Le chrome et le scandium doivent être définis comme des métaux de transition, car ils ont les configurations électroniques [Ar]4s3d15 et [Ar]4s3d21 et ils peuvent tous deux former des ions qui ont des sous-couches d incomplètes. Le cuivre et le fer doivent être définis comme des métaux de transition, car ils ont les configurations électroniques [Ar]4s3d110 et [Ar]4s3d26 et ils peuvent tous deux former des ions qui ont des sous-couches d incomplètes. Le zinc ne doit pas être défini comme un métal de transition car il possède la configuration électronique [Ar]4s3d210 et il forme l’ion Zn2+ qui a la configuration électronique [Ar]3d10. Les atomes de zinc électriquement neutres et les ions de zinc chargé positivement (Zn2+) ont tous deux une sous-couche d remplie ou complète d’électrons, ce qui démontre qu’ils ne sont pas en accord avec la définition standard d’un métal de transition. Nous pouvons utiliser ces assertions pour déterminer que l’option D est la bonne réponse à cette question.

Le degré d’oxydation de l’ion d’un métal de transition peut être utilisé pour déterminer sa configuration électronique, car le nombre d’oxydation montre combien d’électrons ont été perdus par l’atome. Les degrés d’oxydation +2, +3, +4 et +5 du vanadium sont indiqués ci-dessous:AtomeV[Ar]3d4sIonV[Ar]3dIonV[Ar]3dIonV[Ar]3dIonV[Ar],,,,.322+33+24+15+

Le vanadium a 5 électrons de valence et il forme différents types d’ions chargés positivement quand il perd ses électrons des sous-couches 3d puis 4s. L’ion vanadium 2+ se forme lorsqu’un atome de vanadium perd deux électrons de la sous-couche 4s. L’ion vanadium 3+ se forme lorsqu’un autre électron de la sous-couche 3d est retiré de l’ion V2+. L’ion vanadium 5+ se forme lorsqu’un atome de vanadium perd tous ses électrons des sous-couches 3d et 4s.

Le nombre d’oxydation peut toujours être utilisé pour comprendre combien d’électrons 4s et 3d ont été retirés de l’atome d’un élément de transition. Le degré d’oxydation maximal de tout élément de transition peut généralement être déduit de son nombre total d’électrons de valence.

Exemple 4: Déterminer le degré d’oxydation maximal du manganèse à partir de sa configuration électronique

Sachant que la configuration électronique du manganèse est [Ar]4s3d25, quel est l’état d’oxydation maximal pour le métal de transition?

Réponse

Le nombre d’oxydation indique le nombre d’électrons qui sont perdus ou gagnés par un atome. Les éléments des métaux de transition de la période quatre ont tendance à perdre des électrons de leurs sous-couches 3d et 4s. Les atomes de manganèse ont sept électrons qui peuvent être perdus à partir des sous-couches 4s et 3d. Nous pouvons donc déterminer que le manganèse peut former un ion avec un degré d’oxydation +7.

Points clés

  • La première rangée des métaux de transition présente des éléments qui ont une configuration électronique similaire, avec des sous-couches 4s remplies.
  • La sous-couche 3d contient plus d’électrons à mesure que nous passons du scandium au cuivre.
  • Le chrome et le cuivre ont des configurations électroniques inhabituelles, avec des orbitales 4s à moitié remplies:Chrome[Ar]4s3dCuivre[Ar]4s3d15110,.
  • Le nombre d’oxydation indique combien d’électrons ont été perdus ou gagnés par un élément de transition.
  • Les éléments du titane au cuivre ont plusieurs degrés d’oxydation.
  • Toutes les orbitales des sous-couches sont occupées individuellement avant que les orbitales ne soient doublement occupées.
  • Les configurations électroniques des métaux de transition peuvent être exprimées schématiquement en utilisant des combinaisons de flèches orientées vers le haut () et de flèches orientées vers le bas ().

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