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Vidéo de la leçon : Propriétés physiques des métaux de transition Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment décrire et comparer les propriétés physiques des métaux de transition.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir les propriétés physiques des métaux de transition, en particulier ceux de la première ligne. Rappelons-nous d’abord brièvement ce que sont les métaux de transition et leur emplacement dans le tableau périodique.

Les métaux de transition sont les éléments dont les atomes ont une sous-couche d incomplète ou dont les cations ont une sous-couche d incomplète. Ils sont situés dans le bloc d du tableau périodique, et les éléments de transition internes sont situés dans le bloc f. Nous n’étudierons que la première ligne des principaux métaux de transition. Cette ligne est appelée première série des métaux de transition et se situe dans la période quatre. Les métaux de transition de cette série sont le scandium, le titane, le vanadium, le chrome, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel et le cuivre. Notez que le zinc du groupe 12 n’est techniquement pas considéré comme un métal de transition car sa sous-couche d est complète et remplie d’électrons.

Vous connaissez peut-être déjà certaines propriétés physiques notables de quelques-uns de ces éléments. Par exemple, le titane est de faible densité mais très résistant, le chrome poli est très brillant, éclatant, et le cuivre est un excellent conducteur électrique. Avant d’examiner certaines propriétés physiques spécifiques de la première série des éléments de transition, étudions leurs masses atomiques.

Les masses atomiques de ces éléments sont répertoriées et exprimées en unités de masse atomique. En allant de gauche à droite sur la période, on observe une tendance générale : plus le nombre atomique ou nombre de protons augmentent, plus la masse atomique augmente. Cependant, cette tendance diminue légèrement pour le nickel. Voyons comment la masse atomique influence le rayon atomique.

Le rayon atomique est la distance du centre du noyau à la couche la plus externe ou à la couche contenant les électrons les plus externes. Si cette image est un atome, ceci le noyau, et ceci la couche contenant les électrons les plus externes, alors la flèche rose représente le rayon atomique. Les rayons atomiques peuvent être mesurés de différentes manières. Selon la façon dont ils sont mesurés, on obtiendra des valeurs légèrement variables. Ils peuvent être exprimés avec différentes unités, par exemple, en picomètres, qui est un fois 10 puissance moins 12 mètres, ou en angströms, un fois 10 puissance moins 10 mètres. Les valeurs indiquées ici sont en angström.

En se déplaçant de gauche à droite sur la série, on observe une tendance générale : à mesure que le nombre atomique ou nombre de protons augmente, le rayon atomique diminue avec une légère augmentation à la fin pour le cuivre. Qu’est-ce qui explique cette tendance ? Eh bien, plus il y a de protons dans le noyau, plus la charge nucléaire est élevée, autrement dit, la force d’attraction sur les électrons externes augmente. Ainsi, les électrons externes sont attirés plus près du noyau, résultant en un rayon atomique plus petit. Si on trace, sur un graphique, ces valeurs du rayon atomique en fonction du nombre atomique, la courbe ressemblerait à ceci. Il est intéressant de noter que le bas de la courbe entre le chrome et le cuivre est assez plat. C’est parce qu’il y existe une répulsion croissante entre les électrons 3d qui s’oppose à la force d’attraction du noyau. On dit alors que la charge nucléaire effective est moins élevée.

Il est intéressant de noter que le potassium et le calcium, juste avant le scandium dans la période quatre du tableau périodique et qui sont également représentés ici sur le graphique, ont des rayons atomiques significativement plus grands. Nous n’expliquerons pas pourquoi dans cette vidéo. Mais nous pouvons noter que le potassium et le calcium sont des espèces très différentes des métaux de transition car ils n’ont pas d’orbitales d. Maintenant, nous connaissons la tendance pour le rayon atomique. Mais qu’en est-il de la densité ?

Les densités des éléments de la période quatre sont indiquées ici. Elles sont données en grammes par centimètre cube, et grossièrement représentées sur ce graphique qui nous décrit la tendance générale. Nous pouvons voir, en allant de gauche à droite sur la série, qu’à mesure que le nombre atomique ou nombre de protons augmente, la densité augmente. Qu’en est-il des éléments potassium et calcium du bloc s ? Leurs densités sont-elles comparables à celles des métaux de transition ?

La valeur de la densité du potassium, d’environ 0,86 grammes par cm cube, et celle du calcium, d’environ 1,55 grammes par cm cube, sont notablement inférieures aux densités de tous les autres métaux de transition. Nous savons que la configuration électronique externe de ces éléments de transition est 4s2 3dx, où x varie entre un à neuf selon l’élément concerné. Le potassium et le calcium n’ont que leurs électrons 4s disponibles pour la liaison métallique. Mais la première série des métaux de transition a à la fois les électrons 4s et les électrons 3d disponibles pour former une liaison métallique, et la force des liaisons métalliques influence la densité.

La prochaine propriété est le point de fusion. Le point de fusion n’a pas de tendance définie pour la première série des métaux de transition. Depuis le point de fusion du scandium de 1397 degrés Celsius, la valeur augmente, augmente, augmente, diminue, augmente, diminue, diminue. Je ne vais pas tracer ces valeurs sur un graphique. Le graphique ressemble un peu à des montagnes russes. Les valeurs de point de fusion pour cette série ne suivent pas non plus une tendance identifiable. Cependant, observons les points de fusion des éléments du bloc s juste avant ces métaux.

Pour le potassium il est de 63,5 degrés et de 842 degrés Celsius pour le calcium. Donc, en comparant les valeurs de point de fusion de ces éléments du bloc s avec celles des métaux de transition, nous pouvons conclure. On peut voir que les points de fusion des métaux de transition sont beaucoup plus élevés que ceux des éléments du bloc s dans la quatrième période. Pourquoi est-ce le cas ?

Comme précédemment, les métaux de transition ont à la fois les électrons 4s et 3d disponibles pour former une liaison métallique. Et les éléments du bloc s n’ont que les électrons 4s disponibles pour les liaisons métalliques. Ainsi, les métaux de transition ont des liaisons métalliques plus fortes, et les métaux du bloc s des liaisons métalliques plus faibles. Des liaisons métalliques plus fortes entraînent des points de fusion plus élevés, et des liaisons métalliques plus faibles entraînent des points de fusion plus faibles. Ce qui est intéressant à noter, c’est que le point de fusion du calcium est supérieur à celui du zinc, même si le zinc a des électrons 3d disponibles pour les liaisons métalliques. Sans s’attarder sur l’explication, je vous rappelle que le zinc n’est techniquement pas un métal de transition.

Passons aux propriétés magnétiques de ces éléments. Certains atomes, ions ou molécules sont attirés par un champ magnétique, et d’autres ne le sont pas. Les particules attirées par un champ magnétique sont appelées particules paramagnétiques. Celles qui ne le sont pas, sont appelées diamagnétiques. Les particules diamagnétiques sont en fait légèrement repoussées par un champ magnétique. Les particules paramagnétiques ont des électrons non appariés dans leurs orbitales. A cause de leur spin, ces électrons non appariés créent un champ magnétique. Plus il y a d’électrons non appariés, plus le moment magnétique d’une particule est grand.

Les atomes ou particules diamagnétiques n’ont pas d’électrons non appariés ; tous leurs électrons sont appariés. Les électrons se couplent par spins opposés. Ainsi, dans une paire d’électrons, chaque électron annulera l’effet du spin de l’autre. En d’autres termes, une paire d’électrons n’a pas de moment dipolaire magnétique net, et aucun champ magnétique n’est créé par une paire d’électrons avec des spins opposés. C’est pourquoi les particules dont les électrons sont tous appariés ne sont pas attirées par un champ magnétique mais plutôt légèrement repoussées.

Regardons un exemple. C’est la configuration électronique du scandium. Les deux électrons 4s sont appariés, mais un électron unique 3d n’a aucun partenaire. Il est non apparié. Donc, un atome de scandium est paramagnétique. Voici un autre exemple. C’est la configuration électronique d’un atome de fer. Encore une fois, les deux électrons 4s sont appariés. Mais qu’en est-il des électrons 3d ? Si on met les six électrons 3d dans les cinq orbitales de la sous-couche 3d, on voit que deux des électrons sont appariés et que quatre ne le sont pas. Ainsi, un atome de fer est paramagnétique et à un degré plus fort qu’un atome de scandium car un atome de fer a plus d’électrons non appariés.

Maintenant, changeons cet atome de fer en un ion fer. Choisissons Fe3+. La configuration électronique de Fe3+ est illustrée ici. Trois électrons ont été retirés de l’atome de Fe pour créer l’ion Fe3+, deux électrons de la sous-couche 4s et un de la sous-couche 3d. Nous pouvons placer les électrons de la sous-couche 3d dans des orbitales séparées, comme indiqué. On peut ainsi déterminer que Fe3+ est également paramagnétique car il contient des électrons non appariés, dans ce cas, cinq électrons non appariés. Et le zinc ? Si on écrit la configuration électronique du zinc, on voit qu’il possède 10 électrons 3d, c’est-à-dire cinq paires d’électrons. Le zinc n’a pas d’électrons non appariés et il est diamagnétique.

Nous allons examiner deux autres propriétés de ces métaux de transition. La première est l’activité catalytique. De nombreux métaux de transition sont très utiles dans l’industrie en raison de leur excellente activité catalytique. Par exemple, le fer est utilisé dans le procédé Haber-Bosch. Il s’agit de la production d’ammoniac. Le vanadium est utilisé dans le procédé de contact sous forme de V2O5 pour la production d’acide sulfurique. Le nickel est utilisé dans diverses réactions d’hydrogénation. Un exemple d’hydrogénation utilisant le nickel de Raney est l’hydrogénation de la benzine en cyclohexane. Les catalyseurs métalliques et leur activité catalytique sont abordés plus en détail dans une autre vidéo.

Nous allons maintenant étudier la dernière propriété, à savoir la couleur des composés complexes de métaux de transition. Lorsque la lumière blanche, qui se compose des sept couleurs de l’arc-en-ciel, traverse une solution aqueuse d’un composé complexe de métal de transition, certaines longueurs d’onde sont absorbées et d’autres traversent la solution. Par exemple, ce composé complexe de métal de transition, en solution aqueuse, absorbe les longueurs d’onde rouge et orange de la lumière blanche. Cependant, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet traversent sans être absorbés. Le mélange de ces longueurs d’onde émergentes apparaît à l’œil humain bleu-vert pâle ou cyan.

Cette roue chromatique nous montre que si les longueurs d’onde rouge et orange sont absorbées, alors les couleurs opposées ou complémentaires sur la roue - ici, bleu et vert - seront celles que l’œil humain verra. Le cyan est une couleur bleu-vert pâle. Ne confondez pas. Les longueurs d’onde violette, indigo et jaune émergeront également. Cette roue chromatique nous montre simplement comment apparaîtra la solution pour l’œil humain. Les longueurs d’onde particulières absorbées dépendent des électrons des orbitales d partiellement remplies. De plus amples explications à ce sujet sont données dans une autre vidéo.

Maintenant, il est temps de conclure en résumant ce que nous avons appris. Dans la première série de métaux de transition, la masse atomique augmente lorsque nous allons de gauche à droite, à l’exception du nickel. Le rayon atomique diminue lorsque la charge nucléaire augmente en allant vers la droite. Les valeurs de densité augmentent à mesure que nous allons vers la droite. Les valeurs du point de fusion ne suivent aucune tendance, mais sont supérieures à ceux du potassium et du calcium de la période quatre bloc s. Nous avons dit que cela était dû à l’augmentation de la force des liaisons métalliques dans ces métaux de transition liée à la présence d’électrons 3d.

Nous avons vu que tous les atomes de la première série de métaux de transition sont paramagnétiques en raison de la présence d’électrons non appariés. Le zinc, dont les électrons sont tous appariés, fait exception. Cependant, le zinc n’est techniquement pas un métal de transition selon leur définition. Nous avons étudié trois exemples de métaux de transition utilisés comme catalyseurs. Enfin, nous avons appris que la couleur des composés complexes de métaux de transition en solution aqueuse dépend des électrons 3d et des longueurs d’ondes correspondantes absorbées. Nous avons appris que l’œil humain détecte les couleurs complémentaires, celles qui ne sont pas absorbées par la solution.

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