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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.

Définition : Métal de transition

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

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.

Exemple 1: Sélectionnez l’exception aux tendances de la masse atomique pour les propriétés des métaux de transition de la quatrième période

La tendance à l’augmentation de la masse atomique est observée le long des périodes du tableau périodique de gauche à droite. Quel métal de transition de la quatrième période est une exception à cette tendance?

  1. Le manganèse
  2. Le nickel
  3. Le chrome
  4. Le scandium
  5. Le fer

Réponse

Les éléments du tableau périodique sont classés par numéro atomique croissant. Ainsi, à mesure que nous progressons dans la période 4, le numéro atomique augmente, ce qui signifie qu’il y a une augmentation du nombre de protons dans le noyau des différents atomes. À mesure que le nombre de protons dans le noyau de l’atome augmente, le nombre de neutrons augmente également, créant une augmentation générale de la masse atomique lorsque nous allons du côté gauche du tableau périodique vers le côté droit.

Cette tendance est observée pour les métaux de transition de la période quatre;cependant, le nickel, avec une masse atomique relative de 58,7, est une exception car l’élément précédent, le cobalt, a une masse atomique de 58,9. Par conséquent, la bonne réponse est la réponse B.

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.

ÉlémentConfiguration électronique4s3d3d3d3d3d
Sc[Ar]sd43↑↓
Ti[Ar]sd43↑↓
V[Ar]sd43↑↓
Cr[Ar]sd43
Mn[Ar]sd43↑↓
Fe[Ar]sd43↑↓↑↓
Co[Ar]sd43↑↓↑↓↑↓
Ni[Ar]sd43↑↓↑↓↑↓↑↓
Cu[Ar]sd43↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓

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.

Exemple 2: Comparer les masses volumiques du vanadium et du cuivre

Laquelle des affirmations suivantes comparant deux éléments du bloc d est exacte?

  1. Le vanadium est plus dense que le cuivre, mais son rayon atomique est plus petit.
  2. Le vanadium est moins dense que le cuivre, mais son rayon atomique est plus grand.
  3. Le vanadium est plus dense que le cuivre et son rayon atomique est plus grand.
  4. Le vanadium est moins dense que le cuivre et son rayon atomique est plus petit.

Réponse

Bien que les tendances des propriétés physiques des métaux de transition de la période 4 ne soient pas toujours évidentes ou parfaitement cohérentes pour tous les éléments, des différences subtiles peuvent être observées.

Par exemple, lorsque nous nous déplaçons du scandium au cuivre, la masse volumique des différents métaux augmente;cependant, en même temps, le rayon atomique diminue, en partie à cause de l’augmentation de la charge du noyau.

En combinant ces deux tendances, nous pouvons déterminer que la bonne réponse est la B, car le vanadium est moins dense que le cuivre qui a un rayon atomique plus grand.

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.

Exemple 3: Comparer les points de fusion des métaux de transition aux métaux du bloc s

L’élément calcium du bloc s possède des propriétés physiques différentes des métaux de transition voisins de la même période.

  1. Complétez:Le point de fusion du calcium est que celui du chrome.
    1. plus élevé
    2. plus bas
  2. Laquelle des affirmations suivantes explique cette différence de point de fusion?
    1. Le calcium a un point de fusion plus bas car il a moins d’électrons et donc moins de répulsion interne entre les électrons appariés.
    2. Le chrome a un point de fusion plus bas en raison d’une liaison métallique plus faible due à l’effet de masquage du noyau par les électrons 3d.
    3. Le calcium a un point de fusion plus élevé car sa plus grande masse volumique entraîne une liaison métallique plus forte.
    4. Le chrome a un point de fusion plus élevé car les électrons de l’orbitale 3d peuvent se délocaliser et contribuer à rendre la liaison métallique plus forte.

Réponse

Partie 1

Premièrement, en nous rappelant de nos connaissances ou en utilisant une source d’informations, nous pouvons déterminer que le point de fusion du calcium est inférieur au point de fusion du chrome. Par conséquent, la réponse à la première partie de cette question est la B.

La raison de ce bas point de fusion est décrite dans la deuxième partie.

Partie 2

Lorsque nous passons du bloc s au bloc d dans la période 4, nous commençons à remplir l’orbitale 3d. À mesure que ces orbitales commencent à se remplir, davantage d’électrons sont disponibles pour participer à la liaison métallique et les interactions de ces électrons produisent une force d’attraction plus importante entre les ions des métaux de transition et le nuage électronique d’électrons délocalisés.

Un point de fusion plus élevé est associé à une liaison métallique plus forte. Nous nous attendons à ce que le chrome ait un point de fusion plus élevé que le calcium, car il contient des électrons de l’orbitale 3d, qui peuvent rendre la liaison métallique plus forte. Cette explication est résumée dans l’option D qui est donc la bonne réponse.

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 [Ar]ds34. Le terme 3d 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.

Exemple 4: Identifier les ions ferromagnétiques

Lequel de ces ions est ferromagnétique?

  1. Fe2+
  2. V3+
  3. Mn2+
  4. Cu2+
  5. Ti2+

Réponse

Le ferromagnétisme se rapporte à la capacité d’un élément à former un aimant permanent. Cette propriété n’est pas fréquente pour les éléments du tableau périodique. Les éléments et alliages de fer, de nickel et de cobalt peuvent être ferromagnétiques. Les alliages de certains métaux terrestres rares peuvent aussi être ferromagnétiques. Le fer est répertorié comme option A. Nous pouvons utiliser ces assertions pour déterminer que l’option A est la bonne réponse à cette question.

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 (OH) lorsqu’il remplace des atomes d’hydrogène dans des molécules d’eau:2Sc()+6HO()2Sc(OH)()+3H()slaqg232

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.

Réaction : La formation d’ammoniac dans le processus Haber-Bosch

N()+3H()2NH()223gggFe/MocatalyseurC,atm

Le pentoxyde de vanadium (VO)25 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:2SO()+O()2SO()HSO()+SO()HSO()HSO()+HO()2HSO()223243227227224ggglgllllVOC25

Enfin, le dioxyde de manganèse peut être utilisé pour catalyser la décomposition du peroxyde d’hydrogène:peroxydedhydrogèneeau+oxygène2HO()2HO()+O()MnOMnO222222llg

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 [Cu(HO)]262+ 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.

Points clés

  • La masse atomique des métaux de transition de la période 4 augmente du groupe 3 au groupe 11, avec comme exception le nickel.
  • Le rayon atomique des métaux de transition de la période 4 diminue initialement puis il reste essentiellement constant du chrome au cuivre.
  • La masse volumique des métaux de la période 4 augmente lorsque nous parcourons le tableau périodique, mais les valeurs de la masse volumique n’augmentent pas de façon constante.
  • Les métaux de transition forment généralement des liaisons métalliques fortes, ce qui signifie qu’ils ont des points de fusion élevés.
  • Les métaux de transition sont souvent paramagnétiques ou diamagnétiques, et leurs propriétés magnétiques dépendent de la disponibilité en électrons non appariés.
  • Le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages sont ferromagnétiques.
  • De nombreux éléments et composés de métaux de transition ont des propriétés catalytiques.
  • Les composés de métaux de transition peuvent être très colorés, car les métaux de transition ont des électrons dans des orbitales d partiellement remplies qui peuvent absorber certains types de lumière visible.

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