Éléments de transition

On appelle métal de transition un élément chimique du bloc d du tableau périodique qui n'est ni un lanthanide ni un actinide. Il s'agit des 38 éléments des périodes 4 à 7 et des groupes 3 à 12 hormis le lutécium ₇₁Lu (un lanthanide) et le lawrencium ₁₀₃Lr (un actinide).

Il existe en fait plusieurs définitions possibles des métaux de transitions, qui conduisent à délimiter de façon différente l'ensemble des éléments concernés :

• On confond parfois les métaux de transitions avec les éléments du bloc d, ce qui conduit à inclure le lutécium et le lawrencium ; cette définition est assez logique mais l'UICPA définit expressément ces éléments respectivement comme un lanthanide et un actinide, ce qui les exclut du champ des métaux de transition.

• L'UICPA définit les métaux de transition comme les éléments qui ont une sous-couche d incomplète ou qui peuvent donner un cation ayant une sous-couche d incomplète. Cette définition revient à exclure les éléments du groupe 12 (zinc, cadmium, mercure et copernicium), qui ont une sous-couche d complète^[1], et pose un problème pour le lutécium et le lawrencium, qui se retrouvent ainsi affectés à deux séries chacun.

La liste la plus large des métaux de transition peut donc être résumée par le tableau suivant :

Configuration électronique

Les métaux de transition sont des éléments du bloc d, qui remplissent progressivement une sous-couche électronique d en dessous d'une sous-couche s saturée, conformément à la règle de Klechkowski. Cette règle permet d'expliquer la configuration électronique d'un peu plus de 80 % des éléments chimiques ; les quelque 20 % restants se trouvent précisément parmi les métaux de transition, les lanthanides, et les actinides : c'est le cas des deux premiers éléments du groupe 6 et de tous ceux du groupe 11, pour lesquels une configuration de type s¹ d⁵ ou s¹ d¹⁰ est énergétiquement plus favorable que la configuration de type s² d⁴ ou s² d⁹ qu'on attendrait en appliquant la règle de Klechkowski ; cette configuration particulière est également observée pour certains éléments adjacents aux groupes 6 et 11 ; la configuration électronique exacte à l'état fondamental des métaux de transition de la septième période (transactinides) reste trop mal connue pour y caractériser de telles exceptions :

Élément chimique			Configuration électronique
no 21	Sc	Scandium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
no 22	Ti	Titane	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2
no 23	V	Vanadium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3
no 24	Cr	Chrome	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 ( * )
no 25	Mn	Manganèse	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5
no 26	Fe	Fer	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
no 27	Co	Cobalt	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7
no 28	Ni	Nickel	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8
no 29	Cu	Cuivre	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 ( * )
no 30	Zn	Zinc	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10
no 39	Y	Yttrium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d1
no 40	Zr	Zirconium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d2
no 41	Nb	Niobium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d4 ( * )
no 42	Mo	Molybdène	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d5 ( * )
no 43	Tc	Technetium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d5
no 44	Ru	Ruthénium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d7 ( * )
no 45	Rh	Rhodium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d8 ( * )
no 46	Pd	Palladium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4d10 ( * )
no 47	Ag	Argent	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d10 ( * )
no 48	Cd	Cadmium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10
no 72	Hf	Hafnium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d2
no 73	Ta	Tantale	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d3
no 74	W	Tungstène	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d4
no 75	Re	Rhénium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d5
no 76	Os	Osmium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d6
no 77	Ir	Iridium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d7
no 78	Pt	Platine	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d9 ( * )
no 79	Au	Or	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d10 ( * )
no 80	Hg	Mercure	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10
no 104	Rf	Rutherfordium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d2 ?
no 105	Db	Dubnium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d3 ?
no 106	Sg	Seaborgium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d4 ?
no 107	Bh	Bohrium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d5 ?
no 108	Hs	Hassium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d6 ?
no 109	Mt	Meitnérium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d7 ?
no 110	Ds	Darmstadtium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d8 ?
no 111	Rg	Roentgenium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d9 ?
no 112	Cn	Copernicium	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 ?

( * ) Exceptions à la règle de Klechkowski :

• Période n^o 4 : chrome ₂₄Cr, cuivre ₂₉Cu,
• Période n^o 5 : niobium ₄₁Nb, molybdène ₄₂Mo, ruthénium ₄₄Ru, rhodium ₄₅Rh, palladium ₄₆Pd, argent ₄₇Ag,
• Période n^o 6 : platine ₇₈Pt, or ₇₉Au.

États d'oxydation

Contrairement aux deux premiers groupes du tableau périodique (les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux), les métaux de transition (notamment des groupes 4 à 11) peuvent former des ions avec une grande variété d'états d'oxydation. Les métaux alcalino-terreux tels que le calcium sont stables à l'état d'oxydation +2, alors qu'un métal de transition peut adopter des degrés d'oxydation de -3 à +8. On peut en comprendre la raison en étudiant les potentiels d'ionisation des éléments deux séries. L'énergie requise pour enlever un électron du calcium est faible jusqu'à ce qu'on commence à enlever des électrons sous les deux électrons de sa sous-couche 4s. En fait, Ca³⁺ a une telle énergie d'ionisation qu'il n'existe pas naturellement. En revanche, avec un élément comme le vanadium, on observe une augmentation linéaire de l'énergie d'ionisation entre les orbitales s et d, ceci étant dû à la très faible différence énergétique entre les sous-couches 3d et 4s. Ainsi, un élément comme le manganèse, avec une configuration [Ar] 4s² 3d⁵, peut perdre sept électrons et atteindre l'état d'oxydation +7, tandis que le ruthénium et l'osmium atteignent couramment l'état d'oxydation +8 :

États d'oxydation des métaux de transition : un disque plein représente un état d'oxydation courant, un cercle vide indique un état d'oxydation plus rare — énergétiquement moins favorable.

Certaines tendances dans les propriétés des métaux de transition peuvent être observées le long d'une période :

• Le nombre d'états d'oxydation de chaque ion augmente jusqu'au groupe 7 ou 8, puis diminue.
• Un élément dans un faible état d'oxydation peut se trouver sous forme d'ion simple, mais, pour les états d'oxydation les plus élevés, généralement sous forme d'un composé covalent d'oxygène ou de fluor.

Couleurs des complexes de métaux de transition

De gauche à droite :
    - Nitrate de cobalt(II) Co(NO₃)₂ (rouge)
    - Dichromate de potassium K₂Cr₂O₇ (orange)
    - Chromate de potassium K₂CrO₄ (jaune)
    - Chlorure de nickel(II) NiCl₂ (vert)
    - Sulfate de cuivre(II) CuSO₄ (bleu)
    - Permanganate de potassium KMnO₄ (violet)

Compte tenu de leur grande variété d'états d'oxydation et donc de configurations électroniques, les métaux de transition forment des composés aux couleurs les plus variées. Tout le spectre visible est couvert, la couleur d'un élément donné dépendant aussi de son état d'oxydation : ainsi le manganèse à l'état d'oxydation +7 est violet (permanganate de potassium) tandis que l'ion Mn²⁺ est rose pâle.

La coordination d'un ligand est susceptible de modifier les niveaux d'énergie des orbitales d et donc la couleur des composés d'un métal de transition donné.

Les facteurs déterminant la couleur d'un complexe sont :

• la nature de l'ion métallique, en particulier le nombre d'électrons de l'orbitale d dans la couche de valence
• la nature des ligands autour de l'ion métallique, ce qui conditionne l'effet sur les niveaux d'énergie des orbitales d
• la géométrie de ces ligands autour de l'ion métallique, car des diastéréoisomères peuvent avoir des couleurs différentes.

Propriétés

Les métaux de transition ont en général une densité ainsi qu'une température de fusion et de vaporisation élevées, sauf ceux du groupe 12, qui ont au contraire un point de fusion assez bas : le mercure est ainsi liquide au-dessus de -38,8 °C et le copernicium serait peut-être même gazeux à température ambiante. Ces propriétés proviennent de la capacité des électrons de la sous-couche d à se délocaliser dans le réseau métallique. Dans les substances métalliques, plus le nombre d'électrons partagés entre les noyaux est grand, plus grande est la cohésion du métal.

Certains métaux de transition forment de bons catalyseurs homogènes et hétérogènes. Par exemple, le fer est un catalyseur dans le procédé Haber, le nickel et le platine sont utilisés dans l'hydrogénation des alcènes.

Le groupe du platine constitue un ensemble important de métaux de transitions aux propriétés remarquables, qui en font d'excellents catalyseurs aux applications stratégiques.

Notes et références

Liens externes

• UICPA : Page de liens vers le tableau périodique
• UICPA : Tableau périodique officiel du 22/06/2007

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