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Fiche explicative de la leçon : Métaux de transition Chimie

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.

Définition : Métal de transition

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

Les éléments du groupe 12, le zinc (Zn), le cadmium (Cd), le mercure (Hg), et le copernicium (Cn), 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, 3422C.

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.

État d’oxydation du manganèseExemple d’un composé associé ou d’un ion
+2Mn2+, manganèse(II)
+3Mn3+, manganèse(III)
+4MnO2, oxyde de manganèse(IV)
+5MnO43, manganèse(V)
+6MnO42, manganèse(VI)
+7MnO4, permanganate

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 +2 peut être oxydé vers l’état +3, et comment la réduction convertit les ions Fe3+ en ions Fe2+. FeFe+e2+3+OxydationRéduction

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 Fe2+, et l’ion ferrique ou fer(III) sous la forme Fe3+. 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 +6, formant les ions chromate et dichromate. Ceci est illustré dans le tableau suivant.

Nom de l’ionFormule ioniqueÉtat d’oxydationCommentaire
Ion fer(II)Fe2+Faible+2Cation métallique seul
Ion fer(III)Fe3++3
Ion chromateCrO42Élevé+6L’ion métallique est lié à un autre élément.
Ion dichromateCrO272+6

Exemple 3: Comprendre que les éléments de transition possèdent plusieurs états d’oxydation stables

Laquelle des affirmations suivantes explique-t-elle pourquoi deux versions d’hydroxyde de fer, Fe(OH)3 et Fe(OH)2, existent?

  1. Les métaux de transition ont des points de fusion élevés.
  2. Les métaux de transition forment des composés colorés.
  3. Les métaux de transition sont magnétiques.
  4. Les métaux de transition et leurs composés sont de bons catalyseurs.
  5. Les métaux de transition peuvent former différents ions.

Réponse

Les métaux de transition peuvent exister dans plus d’un état d’oxydation stable;en d’autres termes, ils peuvent former plusieurs types d’ions. La plupart des éléments du groupe principal ont tendance à former uniquement un ion ou à adopter un seul état d’oxydation. Dans Fe(OH)3, le fer a un état d’oxydation +3, ou est sous forme de Fe3+, alors que dans Fe(OH)2, le fer a un état d’oxydation +2, ou est sous forme de Fe2+. La bonne réponse est E:les métaux de transition peuvent former différents ions.

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.

Exemple 4: Comparer les propriétés des métaux alcalins et des métaux de transition

Les métaux de transition et les métaux alcalins ont quelques caractéristiques en commun, mais sont différents à bien des égards. Laquelle des affirmations suivantes est-elle fausse?

  1. Les métaux de transition forment moins de composés colorés que les métaux alcalins.
  2. Les métaux alcalins ont des points de fusion et d’ébullition inférieurs à ceux des métaux de transition.
  3. Les métaux alcalins ne sont pas traditionnellement utilisés comme catalyseurs, au contraire des métaux de transition.
  4. Les métaux de transition sont plus durs et plus solides que les métaux alcalins.
  5. Les métaux de transition peuvent adopter un plus grand nombre d’états d’oxydation stables que les métaux alcalins.

Réponse

Les éléments métalliques du groupe 1 et les éléments de transition sont tous des métaux et partagent donc de nombreuses propriétés typiques des métaux. Cependant, ces deux familles de métaux présentent certaines différences.

On nous demande d’identifier quelle affirmation sur leurs propriétés est fausse.

Les métaux de transition, en général, ont tendance à fondre et à bouillir à des températures beaucoup plus élevées que les métaux alcalins. L’affirmation B est vraie.

Les métaux de transition sont d’excellents catalyseurs, au contraire des métaux alcalins. L’affirmation C est vraie.

Les métaux alcalins sont plus mous et pas aussi solides que les métaux de transition. L’affirmation D est vraie.

Les métaux alcalins ont tendance à adopter uniquement l’état d’oxydation +1 dans une liaison, tandis que les métaux de transition peuvent adopter plusieurs états d’oxydation stables. L’affirmation E est vraie.

De nombreux composés de métaux alcalins sont de couleur blanche et incolores en solution, tandis que les composés de métaux de transition montrent une grande variété de couleurs à l’état solide et en solution aqueuse. L’affirmation A est fausse. Ainsi, la bonne réponse est A:les métaux de transition produisent moins de composés colorés que les métaux alcalins.

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:Ti()+O()+chaleurTiO()sgs22

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.

Définition : Les métaux nobles

Les métaux nobles sont des métaux qui présentent une grande inertie chimique.

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:métal+acidesel+dihydrogènegazeux

Par exemple, le chrome réagit avec l’acide chlorhydrique pour produire du chlorure de chrome(II) et du dihydrogène gazeux:Cr()+2HCl()CrCl()+H()saqaqg22

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 (TiO2) 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).

Main tenant un écran solaire

Le pentoxyde de vanadium (VO25) est un catalyseur majeur utilisé dans le procédé de contact pour la production d’acide sulfurique (HSO()24l). L’image ci-dessous montre des microcristaux de pentoxyde de vanadium.

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.

Moto

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 (NH3). Les images ci-dessous représentent l’utilisation du fer dans une poutre en acier et dans la production d’ammoniac.

Poutre en acier sur un pont
Réservoir d'ammoniac anhydre

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

Câble d'alimentation électrique

Exemple 5: Comprendre une application des métaux de transition

Laquelle des affirmations suivantes explique-t-elle pourquoi le platine, le palladium et le rhodium sont utilisés dans les convertisseurs de pot d’échappement?

  1. Les métaux de transition réagissent lentement ou pas du tout avec l’acide.
  2. Les métaux de transition sont de bons catalyseurs.
  3. Les métaux de transition sont très denses.
  4. Les métaux de transition présentent des points de fusion élevés.
  5. Les métaux de transition forment des composés colorés.

Réponse

Les métaux de transition démontrent une excellente activité catalytique et sont largement utilisés comme catalyseurs pour de nombreux procédés. L’un de ces processus est la conversion catalytique des composés d’échappement toxiques, tels que les gaz NO et CO, et de composés moins nocifs, tels que N2, CO2, et HO2. En règle générale, le platine, le palladium et le rhodium sont utilisés à cet effet. La réponse correcte est la réponse B:les métaux de transition sont de bons catalyseurs.

Points clés

  • Un métal de transition est un élément dont les atomes possèdent une sous-couche d incomplète ou qui peuvent former des cations avec une sous-couche d incomplète.
  • Les métaux de transition
    • sont malléables et ductiles,
    • possèdent en général, par rapport aux métaux du bloc s, de plus grand(e)s
      • points de fusion,
      • Masses volumiques,
      • duretés,
      • conductivités électriques,
      • solidités,
    • peuvent adopter plusieurs états d’oxydation stables et donc former de nombreux composés,
    • former différents ions colorés,
    • sont généralement moins réactifs que les éléments du bloc s,
    • présentent souvent une bonne activité catalytique.

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