Chimie illimitée
Propriétés physiques et Taille atomique
En raison des sous-couches d partiellement remplies, les métaux de transition possèdent un certain nombre de propriétés uniques.
Objectifs d’apprentissage
Reconnaître l’importance de la taille atomique et des transitions électroniques dans les métaux de transition.
Points clés
Points clés
- Les couleurs des composés de métaux de transition sont dues à deux types de transitions électroniques.
- En raison de la présence d’électrons d non appariés, les métaux de transition peuvent former des composés paramagnétiques.
- Les composés diamagnétiques ont des électrons d qui sont tous appariés.
- Les métaux de transition sont des conducteurs d’électricité, possèdent une densité élevée et des points de fusion et d’ébullition élevés.
Termes clés
- conducteur: Quelque chose qui peut transmettre de l’électricité, de la chaleur, de la lumière ou du son.
- paramagnétique: Matériaux qui sont attirés par un champ magnétique appliqué de l’extérieur et forment des champs magnétiques internes induits dans la direction du champ magnétique appliqué.
- ferromagnétisme : Phénomène par lequel certaines substances peuvent devenir des aimants permanents lorsqu’elles sont soumises à un champ magnétique.
- diamagnétique: Matériaux qui créent un champ magnétique induit dans une direction opposée à un champ magnétique appliqué à l’extérieur et sont donc repoussés par le champ magnétique appliqué.
Propriétés du métal de transition
Il existe un certain nombre de propriétés partagées par les éléments de transition qui ne se trouvent pas dans d’autres éléments, qui résultent de la sous-coquille d partiellement remplie. Ceux–ci comprennent la formation de composés dont la couleur est due aux transitions électroniques d-d et la formation de nombreux composés paramagnétiques dus à la présence d’électrons d non appariés. La couleur dans les composés métalliques de la série des transitions est généralement due à des transitions électroniques de deux types principaux: les transitions de transfert de charge et les transitions d-d.
Couleurs des composés de métaux de transition: De gauche à droite, solutions aqueuses de: Co(NO3) 2 (rouge); K2Cr2O7 (orange); K2CrO4 (jaune); NiCl2 (turquoise); CuSO4 (bleu); KMnO4 (violet).
Transitions de transfert de charge
Un électron peut passer d’une orbitale à prédominance ligand à une orbitale à prédominance métallique, donnant lieu à une transition de transfert de charge ligand-métal (LMCT). Ceux-ci peuvent se produire plus facilement lorsque le métal est dans un état d’oxydation élevé. Par exemple, la couleur des ions chromate, dichromate et permanganate est due aux transitions LMCT. Dans chaque cas, les métaux (Cr et Mn) ont des états d’oxydation de +6 ou plus.
Une transition de transfert de charge métal-ligand (MLCT) sera plus probable lorsque le métal est dans un état d’oxydation faible et que le ligand est facilement réduit.
transitions d-d
Dans une transition d-d, un électron saute d’une orbitale d à une autre. Dans les complexes des métaux de transition, les orbitales d n’ont pas toutes la même énergie. Le modèle de division des orbitales d peut être calculé en utilisant la théorie des champs cristallins. L’étendue de la division dépend du métal particulier, de son état d’oxydation et de la nature des ligands.
Dans les complexes centrosymétriques, tels que les complexes octaédriques, les transitions d-d sont interdites. Les complexes tétraédriques ont une couleur un peu plus intense car le mélange des orbitales d et p est possible lorsqu’il n’y a pas de centre de symétrie, de sorte que les transitions ne sont pas des transitions d-d pures.
Certaines transitions d-d sont interdites de rotation. Un exemple se produit dans les complexes octaédriques à spin élevé du manganèse (II) dans lesquels les cinq électrons ont des spins parallèles. La couleur de tels complexes est beaucoup plus faible que dans les complexes avec des transitions permises par le spin. En fait, de nombreux composés du manganèse (II) apparaissent presque incolores.
Les composés de métaux de transition sont paramagnétiques lorsqu’ils ont un ou plusieurs électrons d non appariés. Dans les complexes octaédriques avec entre quatre et sept électrons d, des états de spin élevé et de spin faible sont possibles. Les complexes de métaux de transition tétraédriques, tels que le 2-, sont à spin élevé car la division du champ cristallin est faible. Cela signifie que l’énergie à gagner du fait que les électrons sont dans des orbitales d’énergie inférieure est toujours inférieure à l’énergie nécessaire pour apparier les spins.
Paramagnétique vs. Diamagnétique
Certains composés sont diamagnétiques. Dans ces cas, tous les électrons sont appariés. Le ferromagnétisme se produit lorsque des atomes individuels sont paramagnétiques et que les vecteurs de spin sont alignés parallèlement les uns aux autres dans un matériau cristallin. Le fer métallique est un exemple de matériau ferromagnétique impliquant un métal de transition. L’anti-ferromagnétisme est un autre exemple de propriété magnétique résultant d’un alignement particulier de spins individuels à l’état solide.
Ferromagnétisme: Un aimant en alnico, un alliage de fer. Le ferromagnétisme est la théorie physique qui explique comment les matériaux deviennent des aimants.
Comme son nom l’indique, tous les métaux de transition sont des métaux et des conducteurs d’électricité. En général, les métaux de transition possèdent une densité élevée et des points de fusion et d’ébullition élevés. Ces propriétés sont dues à la liaison métallique par des électrons d délocalisés, conduisant à une cohésion qui augmente avec le nombre d’électrons partagés. Cependant, les métaux du groupe 12 ont des points de fusion et d’ébullition beaucoup plus faibles car leurs sous-coquilles d complètes empêchent la liaison d-d. En fait, le mercure a un point de fusion de -38,83 ° C (-37,89 ° F) et est un liquide à température ambiante.
Métaux de transition et taille atomique
En ce qui concerne la taille atomique des métaux de transition, il y a peu de variations. En règle générale, lorsque vous vous déplacez de gauche à droite à travers le tableau périodique, il y a une tendance à la diminution du rayon atomique. Cependant, dans les métaux de transition, se déplaçant de gauche à droite, il y a une tendance à l’augmentation du rayon atomique qui se stabilise et devient constante. Dans les éléments de transition, le nombre d’électrons augmente mais d’une manière particulière. Le nombre d’électrons augmente au cours d’une période, il y a donc plus d’attraction de ces électrons vers le noyau. Cependant, avec les électrons d, il y a une répulsion électron-électron ajoutée. Par exemple, dans le chrome, il y a une promotion de l’un des électrons 4s pour remplir à moitié le sous-niveau 3d; les répulsions électron-électron sont moindres et la taille atomique est plus petite. Le contraire est vrai pour la dernière partie de la rangée.
Tableau périodique des éléments: Cette image représente la taille des rayons atomiques. Notez la taille des métaux de transition.