Métaux de transition

Principales caractéristiques

Les métaux de transition sont notamment caractérisés par leur capacité à conduire l’électricité, ainsi que leur solidité à température et pression normales. Ils sont également connus pour leur densité et leur température de fusion élevées. Dans la majorité des cas, ils sont en mesure de catalyser des réactions chimiques, soit en tant qu’atomes individuels, soit sous forme ionique. De même, ils sont capables de former de nombreux ions dans différents états d’oxydation. Ceux-ci peuvent avoir des couleurs variées en raison des mouvements des électrons entre différents niveaux d’énergie. Ces transitions électroniques se produisent généralement au sein de la sous-couche d incomplète.

Aussi, les métaux de transition peuvent former des composés attirés par un champ magnétique externe. Cette propriété est due à la présence d’électrons non appariés dans leur sous-couche électronique incomplète. Elle est importante dans la chimie des éléments de transition. En effet, elle peut influencer leur réactivité et leur capacité à former des liaisons avec d’autres atomes.

Catégorisation

Selon cette définition de l’UPAS, les métaux de transition sont des éléments chimiques appartenant au groupe 3 jusqu’au groupe 11 du tableau périodique. Ils appartiennent également à la même catégorie de la plupart des lanthanides et des actinides. En revanche, les éléments du groupe 12 (zinc, cadmium, mercure et copernicium) ne sont pas considérés comme des métaux de transition. Ils ont une configuration électronique particulière qui leur permet de former des liaisons avec les électrons de leur sous-couche ns. Celle-ci laisse leur sous-couche (n-1)d complète avec 10 électrons.

En réalité, les éléments du groupe 12 sont inclus dans la catégorie des métaux de transition pour des raisons pratiques et de commodité. Même s’ils ne répondent pas à la définition de l’UPAC, ils sont tous regroupés dans le bloc d, à l’exception des lanthanides et des actinides. Ainsi, il n’est plus obligatoire de créer une catégorie distincte pour eux. Cependant, les éléments du bloc f, qui répondent à la définition de l’UPAC, sont parfois appelés « métaux de transition internes ». Toutefois, ils ne sont généralement pas considérés comme des métaux de transition.

Cas du mercure

Le mercure (Hg) est souvent considéré comme faisant partie du groupe 12 et non pas des métaux de transition. Néanmoins, il pourrait être classé comme tel dans certains cas. En particulier, il est possible pour cet élément chimique de former des composés dans lesquels il a un état d’oxydation supérieur à 2. Autrement dit, il mobilise un ou plusieurs électrons de sa couche 5d pour former des liaisons chimiques. Cet état est typique des métaux de transition et conduit certains scientifiques à inclure le mercure dans cette catégorie. Cependant, cette classification n’est pas universelle et dépend de la définition spécifique des métaux de transition qui est utilisée.

Le fluorure de mercure (IV) HgF₄ a notamment été observé en 2007 dans une matrice cryogénique de néon et d’argon à une température de 4 K. Ce composé chimique est intéressant, car il implique un état d’oxydation de +4 pour l’atome de mercure. Ainsi, il mobilise au moins un électron de la couche 5d comme mentionné précédemment. Cependant, cette analyse n’a pas été reproduite dans une expérience similaire l’année suivante. Elle a suscité des débats sur sa validité en tant que représentation de la chimie de l’élément mercure. Certains auteurs ont suggéré que cette observation ne serait représentative que dans des conditions hors équilibre. Ils estiment également que le mercure devrait être considéré comme un métal pauvre.

Cas du copernicium

Le copernicium est un élément chimique de numéro atomique 112 qui est placé dans la colonne 12 du tableau périodique. Il se positionne également dans la septième période, car il contient 7 couches électroniques autour de son noyau atomique. Aussi, il peut être classé en tant que métal de transition. Selon les effets de la relativité restreinte sur les électrons lourds, la sous-couche 7s est plus stabilisée que la sous-couche 6d pour les éléments superlourds. Par conséquent, l’ion Cn²⁺ aurait une configuration électronique avec une sous-couche 6d incomplète, caractéristique des métaux de transition. En solution aqueuse, le copernicium serait à l’état d’oxydation +2 ou +4. Cependant, il est important de noter que la chimie de cet élément n’est pas encore très bien comprise. Celui-ci est difficile à produire et à étudier en raison de sa grande instabilité et de sa radioactivité.

Configuration électronique

Selon la règle de Klechkowski, les électrons remplissent les orbitales atomiques en partant de la plus basse énergie. Ils augmentent graduellement jusqu’à atteindre la plus haute énergie disponible. Dans le cas des métaux de transition, ces éléments ont une configuration électronique particulière où une sous-couche d est remplie progressivement après une sous-couche s saturée. Celle-ci leur donne des propriétés particulières comme leur capacité à former des complexes colorés et des liaisons métalliques solides.

Exceptions

La règle de Klechkowski permet de décrire la configuration électronique d’environ 80 % des éléments chimiques. Les métaux de transition, les lanthanides et les actinides représentent les 20 % restants. Ils peuvent présenter des exceptions à cette règle. Plus précisément, certains éléments de ces groupes peuvent avoir une configuration électronique de type s¹ d⁵ ou s¹ d¹⁰. Celle-ci est plus favorable sur le plan énergétique que la configuration de type s² d⁴ ou s² d⁹. Elle peut également être observée pour certains éléments adjacents aux groupes 6 et 11. Cependant, pour les métaux de transition de la septième période, la configuration électronique exacte à l’état fondamental reste largement inconnue. Elle empêche de caractériser de telles exceptions pour les transactinides.

Orbitales électroniques

Les orbitales électroniques (n-1)d des métaux de transition jouent un rôle plus important dans leurs caractéristiques chimiques et physiques, car elles se remplissent progressivement. Elles sont notamment responsables de leurs propriétés magnétiques, car les électrons dans ces orbitales peuvent avoir des spins parallèles ou antiparallèles. Or, cette situation peut donner lieu à des moments magnétiques élevés. De plus, la présence d’électrons dans les orbitales d peut conduire à des états d’oxydation multiples, qui sont caractéristiques des métaux de transition. Aussi, les couleurs des différents composés ioniques de ces éléments sont souvent associées aux transitions d’électrons entre les orbitales d partiellement remplies et d’autres orbitales. Ces dernières peuvent notamment inclure les orbitales p et les orbitales d de niveaux d’énergie plus élevés.

Quant aux orbitales (n-1)p et ns, elles restent constantes le long d’une période. Leur rôle est beaucoup moins important que celui des orbitales (n-1)d. Cependant, les éléments de transition qui se trouvent dans la même période ont des configurations électroniques similaires pour leurs électrons de valence. De ce fait, ils ont des propriétés chimiques similaires les uns aux autres, malgré leurs différences dans le nombre de protons et d’électrons.

Tendances

Deux principales tendances sont observées dans les propriétés des métaux de transition le long d’une période. La première est que le nombre d’états d’oxydation possibles pour chaque ion augmente jusqu’au groupe 7 ou 8 avant de diminuer. Elle signifie que les éléments des groupes 4 à 7 ou 8 peuvent former des ions avec un grand nombre d’états d’oxydation. Quant à ceux des groupes suivants, ils ont une plage plus restreinte. La deuxième tendance est que les éléments dans un faible état d’oxydation peuvent se trouver sous forme d’ion simple. Cependant, pour les états d’oxydations les plus élevés, ceux-ci sont généralement présents sous forme de composés covalents avec l’oxygène ou le fluor. Cette situation peut être expliquée à la forte électronégativité de ces deux éléments qui favorise la formation de liaisons covalentes.

Couleurs des complexes de métaux de transition

Les métaux de transition peuvent former des complexes avec des ligands dont les couleurs dépendent de plusieurs facteurs. Celles-ci varient notamment en fonction de la nature de l’ion métallique, en particulier le nombre d’électrons dans l’orbitale d de la couche de valence. Elles peuvent également être influencées par la géométrie des ligands autour de l’ion métallique. Des diastéréoisomères, qui ont des arrangements spatiaux différents, peuvent avoir des couleurs variées. Cette caractéristique est due à des effets stériques et électroniques qui affectent les niveaux d’énergie des orbitales d de l’ion métallique.

Le dernier facteur est la nature des ligands qui peuvent influencer également les niveaux d’énergie des orbitales d des métaux de transition. Les ligands qui sont de forts donneurs d’électrons tels que l’ammoniac sont en mesure de les abaisser. Ainsi, ils peuvent décaler la bande d’absorption vers les longueurs d’onde plus longues (vers le rouge). Les ligands faibles comme l’eau ont généralement l’effet inverse et décalent la bande d’absorption vers les longueurs d’onde plus courtes (vers le bleu).

À titre d’exemples :

• le cobalt(II) dans le nitrate de cobalt Co(NO₃)₂ forme un complexe rouge ;
• le chrome(VI) dans le dichromate de potassium K₂Cr₂O₇ forme un complexe orange ;
• le chrome(VI) dans le chromate de potassium K₂CrO₄ forme un complexe jaune ;
• le nickel(II) dans le chlorure de nickel NiCl₂ forme un complexe vert ;
• le cuivre(II) dans le sulfate de cuivre CuSO₄ forme un complexe bleu ;
• le manganèse(VII) dans le permanganate de potassium KMnO₄ forme un complexe violet.

Ces couleurs peuvent être utilisées pour identifier les métaux de transition ou pour déterminer la présence de ligands spécifiques. Concrètement, elles sont souvent liées aux transitions électroniques entre les orbitales d des atomes de ces éléments. Les électrons dans ces orbitales peuvent facilement être excitées à des niveaux d’énergie supérieurs. Ils produisent des nuances différentes selon la qualité d’énergie absorbée. Or, les métaux de transition peuvent avoir de nombreux états d’oxydation et des configurations électroniques différentes. Ainsi, une grande variété de couleurs dans leurs complexes est observée. En fait, ces nuances sont produites par l’absorption de certaines longueurs d’onde de la lumière visible par les électrons dans les orbitales d de l’ion. Par ailleurs, elles peuvent être influencées par la coordination d’un ligand qui est susceptible de changer les niveaux d’énergie des orbitales d.

Propriétés des métaux de transition

Comme tous les métaux, les éléments de transition ont la propriété de conduire l’électricité. Certains d’entre eux peuvent être extrêmement toxiques pour l’être humain. Lorsqu’ils sont sous forme de particules, ils peuvent contribuer à la pollution de l’air. Or, celle-ci risque d’avoir des conséquences néfastes sur la santé et l’environnement. Ainsi, il est important de prendre des précautions pour limiter l’exposition à ces métaux. De même, il est essentiel de mettre en place des mesures pour réduire leur émission dans l’atmosphère.

En général, les éléments de transition ont une densité ainsi qu’une température de fusion et de vaporisation élevées. Seuls ceux qui se trouvent dans le groupe 12 ont un point de fusion relativement bas. Le mercure, par exemple, est liquide à des températures supérieures à -38,8 °C, tandis que le copernicium peut être gazeux à température ambiante. Ces propriétés physiques sont dues à la capacité des électrons de la sous-couche d à se délocaliser dans le réseau métallique. Dans les métaux, la cohésion augmente avec le nombre d’électrons partagés entre les noyaux.

Utilisations des métaux de transition

Il est possible de se servir de certains métaux de transition comme des catalyseurs efficaces qui peuvent prendre une forme homogène ou hétérogène. Ceux-ci sont en mesure d’accélérer considérablement les réactions chimiques et sont donc utilisés dans de nombreux processus industriels. Le fer, par exemple, a été employé dans le procédé Haber pour produire de l’ammoniac. Par ailleurs, le nickel et le platine sont nécessaires dans l’hydrogénation des alcènes dans le but de créer un alcane.

Les métaux du groupe du platine présentent des propriétés remarquables, notamment une grande résistance à la corrosion, une forte densité et une faible réactivité chimique. Celles-ci les rendent extrêmement utiles dans les catalyseurs aux applications stratégiques.

En outre, les métaux de transition peuvent conduire à la production de sulfates dans les nuages et dans certains types de smogs. Ces processus se produisent généralement en présence du dioxyde d’azote (NO₂₎ et sans avoir besoin de la lumière solaire pour se déclencher. Par ailleurs, les éléments de transitions peuvent être utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs. Des métaux de transition d’origine humaine sont souvent dispersés dans l’environnement terrestre et aquatique. Ils peuvent provenir de diverses sources telles que l’industrie, l’orpaillage ou les pots catalytiques des véhicules (en particulier ceux du groupe du platine). Les avions à réaction peuvent également les éparpiller. Certains chélateurs sont capables de se lier à certains de ces métaux et être utilisés pour soigner des intoxications. Ils servent aussi à dépolluer des sols ou des sédiments.