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Vidéo de la leçon : Configurations électroniques des métaux de transition Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre à décrire la configuration électronique des métaux de transition et la formation de leurs ions.

15:00

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire la configuration électronique des métaux de transition et la formation de leurs ions. Nous présenterons les configurations électroniques et les nombres d’oxydation des éléments de la première rangée du bloc d ainsi que de leurs ions, nous montrerons comment ils sont liés les uns aux autres et nous utiliserons les configurations électroniques des métaux de transition pour nous aider à définir un métal de transition.

La configuration électronique d’un atome décrit le nombre d’électrons qu'il possède et la manière dont ces électrons sont disposés sur les différentes couches et sous-couches électroniques. Dans le tableau périodique, une période ou une ligne horizontale contient des éléments dont les électrons de valence sont sur la même plus haute couche électronique occupée. Par exemple, les électrons de valence du sodium et de tous les éléments de la période 3 sont sur la troisième couche électronique. Cependant, la disposition des électrons sur les couches électroniques est plus compliquée que ce que nous avons discuté jusqu'ici. À l’intérieur des couches électroniques se trouvent des sous-couches qui sont connues par une lettre basée sur le type d’orbitales qu’elles contiennent. Il s'agit des sous-couches s, p, d et f.

Le tableau périodique peut être divisé en blocs qui représentent ces sous-couches. Les électrons de valence des éléments qui se retrouvent dans le même bloc occupent le même type de sous-couche. Les éléments qui se retrouvent dans le bloc d, qui incluent les éléments des groupes 3 à 12, ont un ou plusieurs électrons de valence sur une sous-couche d. L’ordre de remplissage des sous-couches d’un atome par les électrons est basé sur l'augmentation de l'énergie. Selon le principe d’Aufbau, les électrons remplissent les sous-couches d’énergie plus faible avant de remplir les sous-couches d’énergie plus élevée. La configuration électronique d’un atome peut être écrite en se déplaçant période par période sur le tableau périodique, en commençant par l’hydrogène jusqu’à ce que nous atteignions l’élément pour lequel nous voulons écrire la configuration électronique.

Écrivons la configuration électronique du premier élément du bloc d retrouvé sur la période 4, soit le scandium. Le scandium a un numéro atomique de 21, ce qui signifie qu’un atome de scandium possède 21 électrons au total. Pour écrire la configuration électronique du scandium, nous commençons par l’hydrogène et passons sur la période 1 du tableau périodique, qui représente la sous-couche 1s. Chaque fois que nous passons à un nouvel élément, nous ajoutons un autre électron sur la sous-couche. Nous devons donc remplir la sous-couche 1s avec deux électrons. Lorsque nous écrivons une configuration électronique, nous commençons chaque partie avec la lettre représentant la sous-couche et nous utilisons un exposant pour indiquer le nombre d’électrons sur cette sous-couche.

En nous déplaçant sur la période 2, nous remplissons la sous-couche 2s avec deux électrons et la sous-couche 2p avec six électrons. En nous déplaçant sur la période 3, nous remplissons la sous-couche 3s avec deux électrons et la sous-couche 3p avec six électrons. Finalement, en nous déplaçant sur la période 4, nous remplissons la sous-couche 4s avec deux électrons et la sous-couche 3d avec un électron. Lorsque nous écrivons la configuration électronique en utilisant le tableau périodique, la valeur utilisée pour identifier la sous-couche correspond généralement au numéro de la période. Cependant, lorsque nous remplissons les sous-couches d, la valeur utilisée est toujours inférieure de un par rapport au numéro de la période.

Vous verrez souvent les configurations électroniques des métaux de transition écrites de façon à ce que la sous-couche 3d soit placée avant la sous-couche 4s. Il est tout à fait acceptable de l’écrire de cette façon. Les configurations électroniques des éléments venant après la période 4 peuvent être assez longues. Les chimistes les simplifient donc en utilisant la notation abrégée. Le scandium se situe sur la période 4. La partie de la configuration électronique que nous avons écrite avant d’atteindre la période 4 correspond à celle de l’argon. Les sous-couches suivantes contiennent les électrons de valence de l’atome de scandium.

La notation abrégée consiste à mettre un gaz noble entre crochets suivi de la configuration électronique des électrons de valence. Après avoir combiné ces deux parties, la notation abrégée du scandium est l’argon entre crochets 4s2 3d1.

Maintenant que nous avons écrit la configuration électronique du premier élément du bloc d, examinons plus en détail les configurations électroniques des métaux de transition. Les éléments de transition sont des métaux qui se retrouvent dans les groupes 3 à 11 du tableau périodique. Les éléments qui se retrouvent dans le groupe 12, soit le zinc, le cadmium, le mercure et le copernicium, ne sont généralement pas considérés comme des métaux de transition.

Un élément de transition est défini comme un élément dont les atomes ont une sous-couche d incomplète ou qui peut générer des cations avec des sous-couches d incomplètes. Nous allons nous concentrer sur les métaux de transition de la période 4 étant donné qu'ils ont les configurations électroniques les plus simples de tous les métaux de transition. Écrivons la configuration électronique des deux prochains métaux de transition après le scandium, soit le titane et le vanadium, en utilisant la notation abrégée.

Les diagrammes orbitaux peuvent être utilisés pour montrer comment les électrons sont organisés dans les couches de valence de ces trois atomes de métal de transition. Selon la règle de Hund, les orbitales des électrons sur la même sous-couche sont remplies avec un électron à l'état haut spin avant de pouvoir être couplées avec un électron à l'état bas spin. Pour remplir la couche de valence d’un atome de scandium, nous commençons par remplir la sous-couche 4s avec deux électrons de spin opposé. La sous-couche 4s n'a qu’une seule orbitale et nous pouvons donc la remplir avec deux électrons. Ensuite, nous devons remplir la première orbitale de la sous-couche 3d avec un électron à l'état haut spin.

Pour compléter le diagramme orbital de la couche de valence du titane, nous devons remplir la sous-couche 4s avec deux électrons de spin opposé. Nous allons ensuite placer un électron à l'état haut spin dans la première et la deuxième orbitales de la sous-couche 3d. Nous ne pouvons pas ajouter deux électrons dans la première orbitale de la sous-couche 3d, car cela irait à l'encontre de la règle de Hund. Nous utilisons un processus similaire pour compléter le diagramme du vanadium. Pour la sous-couche 3d du vanadium, les trois premières orbitales contiendront chacune un électron à l'état haut spin.

Nous sommes maintenant prêts à examiner la configuration électronique des autres métaux de transition de la période 4. Pour chaque configuration électronique successive, nous pourrions nous attendre à observer la présence d'un électron supplémentaire dans la sous-couche d. Toutefois, pour les configurations électroniques du chrome et du cuivre, la sous-couche d contient un électron de plus que ce à quoi nous nous attendions.

En étudiant de plus près les configurations électroniques et les diagrammes orbitaux du chrome et du cuivre, nous pouvons constater que la sous-couche 4s contient un seul électron au lieu de deux, ce qui a pour résultat que les sous-couches 4s et 3d sont exactement à moitié remplies dans le cas du chrome, alors que la sous-couche 4s est à moitié remplie et que la sous-couche 3d est complètement remplie dans le cas du cuivre. L'explication de ce phénomène dépasse toutefois le cadre de cette vidéo. Il est cependant important d’identifier le chrome et le cuivre comme des métaux de transition de la période 4 qui constituent des exceptions aux règles d’écriture des configurations électroniques.

Lorsque nous examinons les configurations électroniques de tous les éléments de transition de la période 4, nous pouvons constater qu'ils ont tous une sous-couche d incomplète, à l’exception du cuivre. Il s'agit d'une caractéristique distinctive des éléments de transition.

La plupart des métaux de transition peuvent former plus d’un type d’ion. En fait, tous les métaux de transition de la période 4 peuvent former au moins trois ions différents, à l’exception du scandium qui peut former un seul type d’ion. Les métaux de transition de la période 4 forment des cations ou des ions chargés positivement en perdant des électrons de valence dans leurs sous-couches s et d. Le nombre d’oxydation d’un métal de transition représente le nombre d’électrons que l’atome de métal a perdu pour former un ion.

Le nickel peut avoir trois nombres d’oxydation différents : plus deux, plus trois et plus quatre. En raison de ces différents nombres d’oxydation, le nickel peut former plus d’un type de composé avec certains éléments. Dans le cas de l’oxyde de nickel(II), il s'agit de l’ion nickel deux plus qui est combiné avec l’ion oxyde, alors que dans le cas de l’oxyde de nickel(III), il s'agit de l’ion nickel trois plus. Comment ces différents ions se forment-ils exactement ?

Commençons par examiner la configuration électronique et le diagramme orbital d'un atome de nickel. Les métaux de transition de la période 4 ont tendance à perdre des électrons sur leur sous-couche 4s avant de perdre des électrons sur leur sous-couche 3d. Disons qu’un atome de nickel perd deux électrons pour former un ion nickel deux plus. Étant donné que les deux électrons sont perdus à partir de la sous-couche 4s, la configuration électronique de cet ion ne l’inclura pas. Si un atome de nickel perdait trois électrons pour former l’ion nickel trois plus, le troisième électron serait alors perdu à partir de la sous-couche 3d.

En général, lorsque nous écrivons la configuration électronique des métaux de transition de la période 4, la sous-couche 4s se remplit d’électrons avant la sous-couche 3d. À titre comparatif, lorsque nous écrivons la configuration électronique des ions des métaux de transition, les électrons sont perdus de la sous-couche 4s avant la sous-couche 3d. Avant de résumer ce que nous venons d'apprendre dans cette vidéo sur les métaux de transition et leurs configurations électroniques, répondons à une question.

Lequel des énoncés suivants correspond à la configuration électronique du Ti ? (A) [Ar] 4s1 3d3, (B) [Ar] 3s2 4d2, (C) [Kr] 4s2 3d2, (D) [Kr] 5s2 4d2 ou (E) [Ar] 4s2 3d2.

Pour résoudre ce problème, nous devons sélectionner le choix de réponse qui illustre correctement la configuration électronique de l’élément titane. La configuration électronique d’un atome décrit le nombre d’électrons de cet atome et la manière dont ils sont disposés sur les différentes couches et sous-couches électroniques. Le numéro atomique du titane est 22, ce qui signifie qu’un atome de titane possède 22 électrons au total.

En examinant les choix de réponse, nous constatons que les configurations électroniques fournies sont écrites en notation abrégée. En général, la notation abrégée inclut le symbole chimique d’un gaz noble suivi de la configuration électronique des sous-couches contenant les électrons de valence. L'élément titane est le deuxième métal de transition de la période 4 du tableau périodique. Utilisons donc le tableau périodique pour remplir les sous-couches de l'atome de titane avec des électrons.

En commençant par l’hydrogène et en nous déplaçant sur la période 1, nous remplissons la sous-couche 1s avec deux électrons. Nous écrivons donc 1s2. En nous déplaçant sur la période 2, nous remplissons la sous-couche 2s avec deux électrons et la sous-couche 2p avec six électrons. Nous pouvons donc écrire 2s2 2p6. En nous déplaçant sur la période 3, le modèle de remplissage est similaire à celui de la période 2. Nous allons donc remplir la sous-couche 3s avec deux électrons et la sous-couche 3p avec six électrons. Nous pouvons donc écrire 3s2 3p6. Finalement, sur la période 4, nous remplissons la sous-couche 4s avec deux électrons et la sous-couche 3d avec deux électrons. Nous pouvons donc écrire 4s2 3d2.

Afin d'écrire la configuration électronique complète du titane, nous devons placer les sous-couches dans l’ordre de gauche à droite. Afin de déterminer l’identité du gaz noble qui doit être utilisé pour la notation abrégée, nous devons simplement localiser le gaz noble situé à la fin de la période précédant celle où se retrouve notre élément. Étant donné que le titane est situé sur la période 4, nous cherchons à identifier le gaz noble situé à la fin de la période 3, qui est l’argon. Nous pouvons abréger la configuration électronique que nous avons écrite pour les périodes 1 à 3 en mettant l’argon entre crochets. En d’autres termes, la forme abrégée de la configuration électronique du titane peut s’écrire par l'argon entre crochets suivi de 4s2 3d2. Par conséquent, la bonne réponse est le choix (E), soit l’argon entre crochets 4s2 3d2.

Récapitulons maintenant ce que nous venons d'apprendre. Les éléments de transition sont des éléments qui ont des sous-couches d incomplètes ou qui forment des cations avec des sous-couches d incomplètes. Tous les métaux de transition de la période 4 ont une configuration électronique avec des sous-couches 4s complètes et des sous-couches 3d incomplètes, à l’exception du chrome et du cuivre. Dans le cas du chrome, les sous-couches 4s et 3d sont chacune à moitié remplies. Dans le cas du cuivre, la sous-couche 4s est à moitié remplie et la sous-couche 3d est complètement remplie.

Lorsque nous écrivons la configuration électronique des atomes de métaux de transition de la période 4, les électrons remplissent la sous-couche 4s avant de remplir la sous-couche 3d. Cependant, lorsque nous écrivons la configuration électronique des ions de métaux de transition de la période 4, les électrons sont perdus à partir de la sous-couche 4s avant la sous-couche 3d. Étant donné que la plupart des métaux de transition ont plusieurs nombres d’oxydation, ils peuvent former plus d’un type de cation.

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