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Vidéo de la leçon : Métaux de transition Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment décrire les composés formés par les métaux de transition, leur réactivité, ainsi que les tendances de leurs propriétés physiques et chimiques.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir les métaux de transition, certaines de leurs utilisations et leurs propriétés chimiques et physiques.

Avant de s’intéresser à cet ensemble d’éléments, il est important d’identifier ceux qui y sont et n’y sont pas inclus. Le terme métal de transition est apparu il y a environ 100 ans. A l’origine, il incluait tout élément situé entre les groupes 2 et 13 du tableau périodique. Ces éléments fournissaient une transition entre ces deux blocs, mais il convient de noter que tous ces éléments n’avaient pas encore été découverts à l’époque. Aujourd’hui, cette définition inclurait tous les éléments du bloc d et tous ceux du bloc f.

Cependant, au fil du temps, certaines propriétés de cet ensemble d’éléments sont devenues des signatures et certains éléments ont été supprimés. Pour certains éléments, il existe un désaccord sur leur appartenance à cet ensemble des éléments de transition. Je ne vais pas entrer dans les détails de ces désaccords, mais je vais vous indiquer lesquels sont généralement considérés comme des éléments de transition.

La définition de l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA) inclut ces éléments. Presque toujours, le zinc est éliminé. Le statut du cadmium et du mercure est vivement débattu. Et pour certains éléments les plus lourds, il n’y a pas assez de données expérimentales pour que la décision soit tranchée. Mais en pratique, les éléments du groupe 12 du tableau périodique ne sont pas considérés comme des éléments de transition.

À l’autre extrémité du tableau, certains ne considèrent pas non plus les éléments du groupe 3 comme des éléments de transition. Ce groupe inclut le scandium et l’yttrium. Pour ne pas compliquer les choses dans cette vidéo, voici les éléments que nous considérerons comme des éléments de transition ou des métaux de transition. Cela signifie que nous incluons tout élément des groupes 3 à 11 ainsi que ceux du bloc f.

De plus, en pratique, généralement seuls les métaux de transition des groupes trois à 12 sont appelés métaux de transition. Ceux du bloc f sont spécifiquement appelés métaux de transition internes. Cela signifie que seuls les éléments des groupes 3 à 11 sont ceux que nous appellerons métaux ou éléments de transition. C’est cet ensemble d’éléments dont nous allons tenir compte dans la suite de cette vidéo. Nous allons uniquement détailler leurs propriétés sans en expliquer les causes.

Regardons d’abord quelles sont les propriétés physiques des métaux de transition. Comme d’autres métaux sous leur forme pure, les métaux de transition sont conducteurs thermiquement et électriquement. Cependant, les trois métaux les plus conducteurs parmi les métaux de transition sont : l’or, le cuivre et l’argent, l’argent étant deux fois plus conducteur que l’aluminium. Les métaux de transition sont également généralement assez durs, plus durs que les éléments du groupe 14 tels que l’étain et le plomb.

Certains d’entre eux sont également très solides, comme le fer et le titane. La masse d’un centimètre cube d’eau étant d’environ un gramme, l’eau a une densité d’un gramme par centimètre cube. L’élément plomb sous forme métallique, 11 fois plus dense que l’eau, est généralement considéré comme assez dense. Mais les éléments les plus denses sont l’osmium et l’iridium, qui sont 23 fois plus denses que l’eau et deux fois plus denses que le plomb. En fait, il y existe 10 autres métaux de transition dans le bloc d qui sont plus denses que le plomb.

Comme beaucoup d’autres métaux, les métaux de transition ont tendance à être malléables et peuvent être martelés ou roulés sous diverses formes. Ils sont aussi ductiles et peuvent donc être coulés en fils fins. Comme les autres métaux, ils sont brillants ou lustrés et peuvent être polis pour obtenir une finition miroir. Enfin, les métaux de transition ont généralement des points de fusion élevés. Le plomb dans le groupe 14 a un point de fusion d’environ 328 degrés Celsius. Mais le métal qui a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux est le tungstène, un métal de transition.

Maintenant que nous avons examiné les propriétés physiques des éléments de transition sous leur forme métallique, intéressons-nous à leur chimie. L’une des caractéristiques les plus remarquables des éléments de transition est le nombre de composés qu’ils peuvent former. Cela est surtout dû au fait qu’ils peuvent former plusieurs ions et états d’oxydation stables. Les métaux du groupe principal, comme le magnésium et l’aluminium, ont tendance à ne présenter qu’un seul état d’oxydation usuel. Le magnésium forme de préférence des ions Mg2+, tandis que l’aluminium formera naturellement des ions Al3+. Au contraire, on observe beaucoup d’autres états d’oxydation stables pour certains des métaux de transition.

Passons en revue la première rangée du bloc d. Le scandium est une exception car il est majoritairement observé à l’état d’oxydation Sc3+, sans évoquer le degré zéro, bien sûr. Les autres éléments de transition de cette rangée ont plusieurs états d’oxydation usuels. Pour mémoire, le zinc, placé à la fin de cette ligne du bloc d, n’a qu’un seul état d’oxydation usuel, Zn2+. Il est cependant important de se rappeler que parfois, nous pouvons obtenir d’autres degrés d’oxydation. Ils représentent les états d’oxydation usuels, et certaines personnes ne sont pas d’accord sur la définition du terme usuel. Vous ne devez donc retenir ces nombres qu’à titre indicatif.

Lorsqu’on trouve des éléments de transition à des faibles états d’oxydation, ils sont généralement observés sous forme d’ions, tandis qu’aux états d’oxydation élevés, on les trouve plutôt sous forme d’oxydes ou de fluorures, etc. À titre d’exemple, on peut citer la grande variété de composés que peut former le manganèse, considérant tous ses états d’oxydation possibles. La transition entre ces états d’oxydation disponibles est facile, ce qui permet une large gamme de propriétés catalytiques et électrochimiques.

L’autre caractéristique frappante des éléments de transition est la variété des couleurs de leurs composés. La couleur permet de prédire quelles fréquences de lumière l’ion absorbe. Par exemple, un ion qui absorbe la lumière rouge apparaît vert. Les ions zinc, magnésium et aluminium sont incolores dans tous les cas. Le scandium Sc3+ est également incolore. En revanche, les solutions de titane Ti3+ sont violettes. Il y a une grande variété d’ions vanadium ou d’ions oxyde de vanadium coloré. Les solutions de V2+ sont violettes, tandis que les solutions de V3+ apparaissent vertes. Les solutions de VO2+ sont bleues, celles de VO3+ sont jaunes. Les solutions de chrome Cr3+ sont également violettes.

Le manganèse peut former une grande variété de composés colorés, mais je ne vais inclure que ceux que vous rencontrerez le plus probablement en solution. L’ion Mn2+ produit des solutions de couleur rose pâle, tandis que les solutions de l’ion permanganate, MnO4-, sont d’un violet intense. Les ions fer les plus courants sont Fe2+ et Fe3+. Vous lirez peut-être des versions différentes concernant les couleurs de Fe2+ et de Fe3+ car elles changent en fonction de l’environnement. Mais de manière générale, les solutions de Fe2+ sont vertes, tandis que les solutions de Fe3 + sont jaunes ou brunes. Les solutions d’ions cobalt Co2+ sont généralement roses, mais peuvent devenir bleues si des ions Cl- sont ajoutés. Les solutions de nickel Ni2+ sont quant à elles vertes, et les solutions de cuivre deux plus généralement bleues.

Ces couleurs ne sont pas exactes. Le contre-ion, l’environnement, la température, etc. peuvent affecter la couleur d’une solution d’ions d’un élément de transition. Cependant, dans certains environnements contrôlés, la couleur peut être si distinctive que nous pouvons l’utiliser pour identifier l’ion.

Passons maintenant à l’une des propriétés les plus fâcheuses de certains métaux de transition : leur toxicité. Avant d’aller plus loin, il est essentiel de souligner que la toxicité dépend de la forme de l’élément, selon qu’il soit pur ou en composé. Certains des métaux de transition forment des composés qui participent à des fonctions vitales chez les plantes et les animaux. Mais pour certains des éléments de transition comme le vanadium, le chrome et le cobalt, beaucoup de leurs composés sont très toxiques. Notons cependant que comme pour de nombreux matériaux, beaucoup d’éléments de transition seront toxiques à fortes doses, y compris ceux qui sont normalement vitaux pour certaines fonctions biologiques.

La dernière propriété importante des éléments de transition à examiner est leur réactivité. Sous forme pure, aucun des métaux de transition n’est très réactif. Et en fait, les métaux les moins réactifs sont les métaux de transition. L’argent n’est pas du tout réactif mais aura tendance à se ternir. C’est l’or, cependant, qui est considéré comme le métal le moins réactif de tous. Un bon test pour évaluer la réactivité d’un métal est la façon dont il réagit avec l’acide. Le cuivre est plus réactif que l’or et l’argent, mais comme il ne réagit pas avec les acides tels quels, il est considéré comme relativement non réactif. Pourtant la majorité des métaux de transition réagissent avec les acides.

Soulignons aussi que la plupart des métaux de transition vont réagir avec l’oxygène pour former des oxydes de métaux de transition, bien que certains, comme le cuivre, doivent d’abord être chauffés, pour obtenir une vitesse de réaction correcte. En revanche, les métaux de transition ne réagissent généralement pas avec l’eau à température ambiante. Le processus de rouille du fer est un procédé distinct. Mais avec suffisamment de chaleur, certains métaux de transition vont réagir avec l’eau chaude ou la vapeur d’eau.

Sous forme composée, les éléments de transition peuvent être oxydés et réduits, en basculant entre les états d’oxydation disponibles. Par exemple, Fe3+ peut être oxydé en Fe2+, Fe2+ peut aussi être réduit en Fe3+, alternant entre les formes vertes et jaunes/brunes.

C’est ce comportement qui contribue en partie à faire des éléments de transition et de leurs composés des catalyseurs fabuleux. Par exemple, le fer est utilisé dans le procédé Haber pour convertir les gaz d’azote et d’hydrogène en ammoniac, et l’oxyde de vanadium cinq est utilisé comme catalyseur dans l’une des étapes du procédé de contact, permettant de transformer le SO2 en SO3. Et il existe de nombreuses molécules biologiques, comme les enzymes et les protéines, qui dépendent des ions de métaux de transition pour fonctionner.

C’est très bien de s’intéresser à ces observations de façon isolée, mais nous aurons une meilleure idée de la façon dont les métaux de transition se comportent en les comparant. Comparons donc la première série, la rangée supérieure des métaux de transition, avec les métaux des groupes 1 et 2. Et j’ajouterai aussi le zinc.

Tous ces éléments dans leur forme pure sont brillants. La plupart sont argentés, et le cuivre est d’un brun orangé. Tous ces métaux de transition et le zinc sont relativement durs, cependant le potassium et le calcium sont assez mous. Quelque chose de vraiment intéressant apparaît lorsque nous observons les points de fusion. Ici, je les exprime en kelvin.

Le potassium a un point de fusion relativement bas, à seulement 337 kelvins. Celui du calcium semble beaucoup plus élevé. Le point de fusion du potassium n’est que de 64 degrés Celsius. Mais le point de fusion de tous ces éléments de transition est sensiblement supérieur à 1300 degrés kelvin. Et nous voyons le point de fusion baisser à nouveau pour le zinc, avec un point de fusion de seulement 693 kelvins.

Les différences entre les métaux alcalins et alcalino-terreux deviennent encore plus frappantes lorsque nous nous intéressons à leurs propriétés chimiques. Lorsqu’on ajoute du potassium ou du calcium à de l’eau froide, des réactions rapides presque explosives se produisent. Cependant, aucun des métaux de transition ni le zinc ne réagissent directement avec l’eau froide. La rouille du fer est un procédé distinct.

Le calcium et le potassium purs quant à eux vont réagir rapidement en se ternissant à cause de l’oxygène dans l’air. Pour le reste des éléments, la réaction est lente et nécessite généralement de la chaleur. Mais la différence la plus spectaculaire se produit lorsque nous utilisons de l’acide. Le potassium et le calcium explosent, tandis que les métaux de transition ont des réactions lentes voire nulle dans le cas du cuivre.

Concernant le nombre d’états d’oxydation usuels, nous constatons que la moyenne des métaux de transition est significativement plus élevée pour les métaux alcalins ou alcalino-terreux. Et nous pouvons également voir que les métaux alcalins et alcalino-terreux sont globalement beaucoup plus réactifs que les métaux de transition. Après tout ça, je pense qu’il est temps de s’exercer.

Lequel des énoncés suivants n’est-il pas un métal de transition ? (A) l’or, (B) le cobalt, (C) le potassium, (D) le rhodium ou (E) le zirconium.

Les métaux de transition sont autrement appelés éléments de transition. Et où trouve-t-on ces éléments ? Dans le tableau périodique. Le tableau périodique des éléments recense de nombreuses informations sur les éléments, nous pouvons les voir dans leur ensemble. Les éléments à l’intérieur de la zone verte sont généralement appelés métaux de transition. Et ceux dont la plupart des gens parlent se trouvent dans les groupes 3 à 11 du tableau périodique.

Voyons maintenant lesquels des éléments énumérés se trouvent réellement à l’intérieur de cette zone. Si vous regardez attentivement, vous trouverez l’or dans le groupe 11 et sur la période 6. Le symbole de l’or est Au. Le cobalt, noté Co, peut être trouvé dans le groupe 9 et sur la période 4. Le potassium, avec le symbole K, est également dans la période 4, mais dans le groupe 1. Le rhodium, symbole Rh, se trouve sous le cobalt dans le groupe 9 et sur la période 5. Et enfin, le zirconium se situe dans le groupe 4 et sur la période 5.

Nous pouvons éliminer le bloc f car aucun de ces éléments ne se trouve à l’intérieur. Le seul élément qui n’est pas dans cette zone est le potassium. Ce n’est pas un métal de transition. Le potassium est, en fait, réactif, mou et un métal alcalin. Par conséquent, sur les cinq éléments, le seul qui n’est pas un métal de transition est le potassium.

Maintenant, récapitulons les points clés. Les métaux ou éléments de transition se trouvent dans les blocs d et f du tableau périodique. Ceux du bloc f sont généralement appelés métaux de transition internes et ne seront généralement pas inclus lorsque nous parlerons de métaux de transition. Comme beaucoup d’autres métaux, les métaux de transition sont des conducteurs d’électricité et de chaleur, lustrés ou brillants dans leur forme pure. Ils sont également solides et durs, malléables et ductiles, avec des points de fusion élevés. Ils ont tendance à former des composés colorés et ont généralement plusieurs états d’oxydation usuels, ce qui explique pourquoi ils peuvent être de très bons catalyseurs. Ils sont également moins réactifs que les métaux alcalins et alcalino-terreux, et les métaux les moins réactifs sont les métaux de transition.

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