Fiche explicative de la leçon: Propriétés physiques des métaux de transition Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire et à comparer les propriétés physiques des métaux de transition.

Les éléments des métaux de transition se trouvent dans la région du bloc d du tableau périodique. Ils forment une sélection diversifiée de métaux et ont de nombreuses utilisations importantes. Les métaux de transition peuvent être comparés aux éléments des métaux de post-transition car ils sont solides, brillants et bons conducteurs de chaleur et d’électricité.

Les différentes applications des éléments des métaux de transition peuvent s’expliquer si nous prenons le temps de comprendre les propriétés physiques de chaque métal de transition, ainsi que la manière dont les propriétés physiques changent à travers le bloc de ces éléments.

Considérons d’abord les valeurs de la masse atomique des éléments de transition de la période quatre. La figure suivante montre que les valeurs de la masse atomique augmentent généralement lorsque nous nous déplaçons du scandium à gauche vers le cuivre à droite. Le nickel est une exception à cette tendance, car sa masse atomique a une valeur qui est inférieure à la valeur de la masse atomique du cobalt.

Nous pouvons également considérer la manière dont les rayons atomiques changent lorsque nous allons du scandium au cuivre. Les valeurs du rayon atomique n’augmentent pas ou ne diminuent pas systématiquement lorsque nous nous déplaçons sur la rangée des métaux de transition de la période quatre. La relation entre les valeurs des rayons atomiques et les numéros atomiques est assez complexe et ne peut être expliquée que si l’on considère les configurations électroniques de ces éléments. La figure suivante utilise une combinaison de notations condensées et de flèches unilatérales pour montrer comment la configuration électronique change le long de la période quatre des éléments métalliques.

Initialement, le rayon commence à diminuer à mesure que la charge du noyau augmente. La charge du noyau augmente en raison du nombre croissant de protons dans le noyau de l’atome. Les électrons supplémentaires continuent à remplir l’orbitale 3d et sont attirés plus près du noyau.

Cependant, lorsque nous arrivons au chrome, l’augmentation du nombre d’électrons dans l’orbitale 3d génère une répulsion suffisante entre les électrons pour arrêter la diminution du rayon atomique, et les valeurs du rayon atomique restent essentiellement constantes du chrome au cuivre.

La masse volumique est reliée à la masse d’un objet et à son volume, et lorsque nous nous déplaçons de gauche à droite le long de la période 4, la masse de l’atome augmente. En termes de rayon atomique, comme nous l’avons exposé précédemment, le rayon diminue mais pas de manière uniforme. Lorsqu’elles sont combinées, ces deux tendances générales créent une tendance à la masse volumique croissante à mesure que nous nous déplaçons le long de la période 4, comme le montre le graphique ci-dessous.

Il convient de noter ici que les métaux de transition ont généralement des masses volumiques plus élevées que les métaux du bloc s de la même période. Le potassium et le calcium sont tous les deux des métaux de la période quatre, mais ce ne sont pas des éléments appartenant aux métaux de transition. Le potassium et le calcium ont des valeurs de masse volumique de seulement 0,89 g/cm³ et 1,54 g/cm³.

Il ne semble pas y avoir de tendance ou de schéma général clair entre les points de fusion et les numéros atomiques pour les éléments de la période quatre appartenant aux métaux de transition. C’est ce que nous pouvons voir dans la figure suivante.

Cependant, une affirmation définitive que nous pouvons faire concerne les métaux du bloc s de la période 4. Le potassium a un point de fusion de 336,5 K et le calcium a un point de fusion de 1‎ ‎115 K ; de de fait les métaux de transition de la période 4 ont des points de fusion plus élevés que les métaux du bloc s correspondants. Le point de fusion est en relation avec la liaison métallique, ce qui indique que les métaux de transition de la période 4 ont des liaisons métalliques plus fortes que le potassium et le calcium.

Nous pouvons classer les métaux de transition en fonction de leurs propriétés magnétiques. Certains des métaux sont paramagnétiques, et d’autres sont diamagnétiques. Un atome, un ion ou une molécule est considéré comme étant paramagnétique lorsqu’il contient des atomes avec des électrons non appariés. Ces électrons non appariés ont un moment dipolaire magnétique et ils agissent comme de minuscules aimants, car ils sont attirés par les champs magnétiques appliqués de l’extérieur. L’intensité du moment magnétique dans une substance paramagnétique a tendance à être plus grande si la substance a un plus grand nombre d’électrons non appariés.

Une substance diamagnétique n’a pas de moment magnétique global car toutes ses orbitales sont remplies d’électrons appariés. Les substances diamagnétiques repoussent presque toujours les champs magnétiques appliqués de l’extérieur.

La configuration électronique des atomes, des ions et des molécules peut généralement être utilisée pour déterminer si des substances sont diamagnétiques ou paramagnétiques. En prenant le vanadium comme exemple, les atomes de vanadium ont la configuration électronique . Le terme indique que le vanadium a au moins un électron non apparié et ceci peut être utilisé pour déterminer que le vanadium est un matériau paramagnétique.

Les éléments et alliages de nickel, de fer et de cobalt présentent un type de magnétisme assez intéressant appelé ferromagnétisme. Le ferromagnétisme est le mécanisme de base par lequel certains matériaux forment des aimants permanents. Les éléments et alliages de nickel, de fer et de cobalt présentent un ferromagnétisme en raison de leurs structures inhabituelles.

Les métaux de transition de la période 4 ont des interactions avec d’autres substances et des réactivités chimiques remarquablement différentes. Le cuivre a une réactivité remarquablement faible avec la plupart des molécules gazeuses, tandis que le fer a tendance à rouiller lorsqu’il est laissé à l’air libre où il peut interagir avec les molécules d’oxygène et d’eau présentes dans l’air. D’autres métaux comme le scandium peuvent réagir violemment avec l’eau s’ils sont fragmentés en particules fines. Le scandium métallique a tendance à produire des ions hydroxyde lorsqu’il remplace des atomes d’hydrogène dans des molécules d’eau : 

L’utilisation des métaux de transition est vue de façon plus détaillée dans une autre fiche explicative, mais il est néanmoins important de préciser que de nombreux métaux de transition sont utilisés dans l’industrie en raison de leur activité catalytique.

Le nickel métallique finement fragmenté est utilisé comme catalyseur pour produire de la margarine par des procédés d’hydrogénation. Le fer fragmenté est utilisé comme catalyseur pour améliorer le procédé Haber-Bosch, qui est un procédé de fixation artificielle de l’azote et le principal procédé industriel de production d’ammoniac.

Le pentoxyde de vanadium est un composé de métal de transition bien connu qui peut être utilisé comme catalyseur pour augmenter la production d’acide sulfurique par le procédé de contact : 

Enfin, le dioxyde de manganèse peut être utilisé pour catalyser la décomposition du peroxyde d’hydrogène : 

La chimie permettant d’expliquer l’activité catalytique des éléments de transition et des composés des éléments de transition est complexe. Cependant, une grande partie de l’activité catalytique peut être attribuée à la présence des électrons 4s et 3d et au fait qu’ils permettent aux réactions de se dérouler par différentes voies chimiques. Des voies alternatives peuvent inclure, par exemple, la formation d’ions complexes intermédiaires ou la formation de complexes de molécules de réactifs qui sont adsorbés sur les surfaces du catalyseur.

Les éléments de transition forment généralement des composés colorés. Les couleurs résultent de l’absorption de certaines longueurs d’onde de la lumière blanche par le métal de transition et son composé. Cette absorption fait que seulement certaines longueurs d’ondes de la lumière blanche traversent la solution.

Lorsque des cristaux de sulfate de cuivre(II) hydraté sont dissous dans l'eau, l'ion complexe se forme. Cet ion a tendance à absorber les longueurs d'onde rouge et orange, comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous.

La roue chromatique ci-dessous indique la relation entre les longueurs d’onde de la lumière absorbée par différents cations et la couleur correspondante, telles qu’elles apparaissent à l’œil humain. Lorsque la lumière rouge et orange est absorbée, l’œil humain observe les couleurs opposées sur la roue et la solution apparaît donc comme étant bleue. L’énergie lumineuse est absorbée par les électrons dans des ions dont les orbitales d sont partiellement remplies.