Fiche explicative de la leçon: Métaux de transition Chimie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les réactivités des métaux de transition et leurs composés, ainsi que les tendances suivies par leurs propriétés physiques et chimiques.

La plupart des éléments du tableau périodique sont des métaux. Une poignée des éléments seulement sont des métalloïdes et des non-métaux.

On place les éléments dans des groupes ou des familles spécifiques dans le tableau périodique car ils réagissent de la même manière. Par exemple, les métaux du groupe 1 ont des propriétés chimiques similaires, ils sont donc regroupés et appelés les métaux alcalins. Les métaux du groupe 2 se comportent de la même manière et sont appelés métaux alcalino-terreux. Les métaux des groupes 3 à 12 sont tous appelés les éléments du bloc d, indiqués en rouge dans le tableau périodique ci-dessous.

Les anciennes conventions de dénomination des colonnes verticales du bloc d du tableau périodique utilisent IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB et IIB, comme indiqué dans la partie du tableau représentée ci-dessous. VIIIB couvre trois groupes (8, 9 et 10).

Les éléments du bloc d sont parfois appelés les métaux de transition. Cependant, tous les éléments du bloc d ne sont pas des métaux de transition selon la définition de l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA). La définition UICPA d’un métal de transition est un élément dont les atomes possèdent une sous-couche d incomplète ou qui peut former des cations avec une sous-couche d incomplète.

Les éléments du groupe 12, le zinc (), le cadmium (), le mercure (), et le copernicium (), ont des sous-couches d complètes et ne sont donc généralement pas considérés comme des métaux de transition.

Le tableau périodique ci-dessus indique, en orange, quels sont les éléments considérés comme des métaux de transition selon la définition de l’UICPA. Les éléments des séries lanthanide et actinide, les éléments du bloc f, sont aussi des éléments de transition et sont appelés métaux de transition interne.

Exemple 1: Identifier quel élément n’est pas un élément de transition

Lequel des éléments suivants n’est-il pas un métal de transition ? 

1. le cobalt
2. le rhodium
3. le zirconium
4. le potassium
5. l’or

Réponse

Un métal de transition correspond à tout élément avec une sous-couche d incomplète ou qui peut former des cations avec une sous-couche d incomplète. Ces éléments sont indiqués en orange ci-dessous.

Parmi les réponses possibles, seul le potassium n’a pas d’électrons dans la couche d ou une couche d incomplète. Le potassium est situé dans le bloc s et ses électrons de valence se trouvent donc dans une couche s. La bonne réponse est D : le potassium.

Les éléments se trouvant dans la période 4 du bloc d sont appelés première série des métaux de transition. Les éléments situés dans la période 5 sont connus comme la deuxième série de transition, et ceux de la période 6 comme la troisième série de transition.

Étudions certaines des propriétés physiques des métaux de transition.

Comme tous les métaux, les métaux de transition sont malléables et peuvent être martelés en fines feuilles. Ils sont également ductiles et peuvent être étirés en fils fins. Les métaux de transition contiennent les éléments les plus malléables et ductiles, à savoir l’or, l’argent et le platine.

Une autre propriété physique des métaux de transition sensiblement différente des autres métaux est le point de fusion. Le graphique ci-dessous représente les points de fusion de certains métaux du bloc s et des métaux de transition de la période 4, ainsi que celui du tungstène.

Le graphique montre que les points de fusion des métaux de transition sont, en général, plus élevés que les points de fusion des métaux du bloc s. Le tungstène, dans la période 6, est également un métal de transition. Il a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux purs, .

Exemple 2: Comprendre la tendance des points de fusion des métaux de transition par rapport aux éléments du groupe principal

Le graphique représente les points de fusion des 56 premiers éléments du tableau périodique et les groupes dans lesquels ils se trouvent.

Les métaux de transition sont situés dans les groupes 3 à 11. Lequel des choix suivants traduit-il la comparaison la plus précise des points de fusion illustrés sur le graphique ? 

1. Les points de fusion des métaux de transition et des éléments du groupe principal sont du même ordre de grandeur.
2. Les métaux de transition ont des points de fusion plus bas que la plupart des éléments du groupe principal.
3. Les métaux de transition ont des points de fusion plus bas que tous les éléments du groupe principal.
4. Les métaux de transition ont des points de fusion plus élevés que la plupart des éléments du groupe principal.
5. Les métaux de transition ont des points de fusion plus élevés que tous les éléments du groupe principal.

Réponse

Le graphique montre que les éléments des groupes 3 à 11 ont généralement des points de fusion plus élevés que les éléments des autres groupes. Seuls quelques points rouges (points de fusion) sont placés plus haut que ceux des groupes 3 à 11. Cela indique que certains éléments du groupe principal ont des points de fusion plus élevés que les métaux de transition, mais ce n’est pas la tendance générale. L’affirmation la plus précise est la D : les métaux de transition ont des points de fusion plus élevés que la plupart des éléments du groupe principal.

Les métaux, en général, conduisent bien la chaleur et l’électricité. Les éléments de transition du groupe 11, notamment le cuivre, l’argent et l’or, sont d’excellents conducteurs d’électricité. Le cuivre est le moins cher et le plus abondant de ces métaux et est donc couramment employé pour le câblage électrique. Certains appareils spécifiques utilisent l’or au lieu du cuivre pour conduire l’électricité, et parmi les trois métaux, l’argent est le plus conducteur.

La dureté et la résistance sont des propriétés physiques importantes à prendre en compte pour la fabrication de composants métalliques. De nombreux métaux de transition sont relativement durs comparés aux métaux du blocs s, dont certains sont assez mous pour être coupés au couteau. La plupart des métaux de transition sont également solides. Par exemple, le titane présente une grande résistance. Les métaux de transition sont très utiles pour les applications nécessitant une bonne dureté ou résistance.

Une masse volumique élevée est une autre propriété commune à de nombreux métaux de transition. Le graphique ci-dessous représente les masses volumiques relatives, à température ambiante, de certains métaux de transition par rapport à plusieurs métaux du blocs s.

La masse volumique des métaux de transition est généralement beaucoup plus élevée que la masse volumique des métaux du bloc s. Parmi tous les métaux, les deux éléments les plus dense (avec la plus grande masse volumique) sont l’osmium et l’iridium, deux métaux de transition, avec des masses volumiques de près de 23 g/cm³.

Les propriétés chimiques des métaux de transition présentent des différences notables par rapport aux autres métaux. L’une d’entre elle est que la plupart des métaux de transition sont capables d’adopter plus d’un état d’oxydation stable, tandis que la plupart des éléments du groupe principal n’ont généralement qu’un seul état d’oxydation stable, en plus d’un état d’oxydation qui existe pour tous les éléments à l’état pur. Par exemple, le manganèse peut adopter plusieurs états d’oxydation lui permettant de former une grande variété de composés.

Les ions des métaux de transition peuvent passer d’un de leurs états d’oxydation à l’autre par oxydation ou par réduction. L’équation ci-dessous montre comment le fer à l’état peut être oxydé vers l’état , et comment la réduction convertit les ions en ions .

En règle générale, un métal de transition à un faible état d’oxydation existe sous la forme d’un ion individuel, par exemple, l’ion ferreux ou fer(II) existe sous la forme , et l’ion ferrique ou fer(III) sous la forme . Par contre, un métal de transition à un état d’oxydation élevé est généralement lié à un autre élément tel que l’oxygène dans un oxyde ou un anion polyatomique. Deux exemples de ce phénomène se produisent avec l’élément chrome, qui peut se lier à l’oxygène à l’état d’oxydation , formant les ions chromate et dichromate. Ceci est illustré dans le tableau suivant.

Les composés de métaux de transition présentent une grande variété de couleurs à l’état solide et en solution aqueuse, couleur influencée par l’état d’oxydation des ions. Le tableau ci-dessous indique les couleurs en solution de certains ions courants de la première série de transition.

Dans leur forme métallique pure, les métaux de transition sont assez peu réactifs. Par exemple, le fer pur réagit avec l’eau et le dioxygène de l’air et rouille, mais c’est un processus lent par rapport à la vitesse de réaction d’autres éléments avec l’eau ou le dioxygène. Beaucoup d’autres métaux, tels que les métaux du groupe 1, sont beaucoup plus réactifs. Le lithium, du groupe 1, pétille au contact de l’eau tandis que le potassium réagit plus violemment en libérant beaucoup de chaleur.

Lorsqu’ils sont chauffés, la plupart des métaux de transition réagissent avec le dioxygène de l’air pour former des oxydes. Par exemple, le titane réagit avec le dioxygène à haute température selon l’équation suivante : 

De l’oxyde de titane(IV), aussi appelé dioxyde de titane, de couleur blanche est formé.

L’argent, l’or, le platine, le palladium, le rhodium, le ruthénium, l’osmium et l’iridium sont appelés métaux nobles car ils sont peu réactifs et stables dans les conditions normales, bien que l’argent se ternisse lentement (devienne noir) au contact du dioxygène. Les métaux nobles ne s’oxydent pas facilement et, par conséquent, ne se corrodent pas et ne réagissent pas avec la plupart des acides. Le tableau ci-dessous indique quels éléments sont des métaux nobles.

D’autres métaux de transition réagissent avec les acides, mais plutôt lentement par rapport à de nombreux métaux. Un grand nombre de métaux de la première série de transition réagit avec les acides selon cette équation générique : 

Par exemple, le chrome réagit avec l’acide chlorhydrique pour produire du chlorure de chrome(II) et du dihydrogène gazeux : 

Les propriétés physiques et chimiques des métaux de transition influencent directement leurs utilisations. Les métaux de transition sont très importants d’un point de vue économique et social en raison de leurs nombreuses applications.

Le titane est couramment utilisé dans les alliages ainsi que dans les implants dentaires en raison de sa durabilité. Le dioxyde de titane () est privilégié dans les crèmes solaires, comme illustré ci-dessous, où il aide à protéger la peau contre les effets néfastes de la lumière ultraviolette (UV).

Le pentoxyde de vanadium () est un catalyseur majeur utilisé dans le procédé de contact pour la production d’acide sulfurique (). L’image ci-dessous montre des microcristaux de pentoxyde de vanadium.

Le chrome est souvent employé pour la déposition de métal, par exemple sur des composants de moteur de motos, comme illustré ci-dessous, ou sur les ailes des voitures. Il sert aussi au tannage du cuir.

Le fer est le composant principal des alliages d’acier, qui sont largement utilisés en ingénierie. Cependant, le fer peut également être utilisé comme catalyseur, notamment dans le procédé Haber-Bosch pour la fabrication de l’ammoniac (). Les images ci-dessous représentent l’utilisation du fer dans une poutre en acier et dans la production d’ammoniac.

Le cuivre est principalement utilisé pour le câblage électrique, comme illustré ci-dessous, mais c’est aussi le composant principal des alliages de bronze.