Les métaux de transition sont des éléments qui se situent entre les métaux très métalliques et les non-métaux, caractérisés par des propriétés atomiques et chimiques uniques. Ils sont utilisés dans divers domaines tels que la médecine, l'industrie et la chimie en raison de leur capacité à former des complexes colorés et à agir comme des catalyseurs. Des expériences démontrent la nature réactive de ces métaux et la formation de différents composés lors de réactions chimiques.

1. LES METAUX DE TRANSITION NGUYEN Khac Minh Huy RENAULD Cédric

2. SOMMAIRE 1°) QU’EST-CE QU’UN METAL DE TRANSITION? 2°) PROPRIETES ATOMIQUES 3°) PROPRIETES CHIMIQUES 4°) S’EN SERT-ON DANS LA VIE? 5°) EXPERIENCES

3. 1°) QU’EST-CE QU’UN METAL DE TRANSITION? Ces métaux sont dits «de transition» car ils assument la transition entre les éléments à caractère métallique très prononcés et les non-métaux. a) Historique

4. 1°) QU’EST-CE QU’UN METAL DE TRANSITION? b) Famille d’éléments

5. 1°) QU’EST-CE QU’UN METAL DE TRANSITION? Les métaux de transition constituent à eux-mêmes une famille. Voici le nom de tout les métaux de transitions : Hg 80 Cd 48 Zn 30 12 (II B) Rg 111 Au 79 Ag 47 Cu 29 11 (I B) Ds 110 Pt 78 Pd 46 Ni 28 10 (VIII B) Mt 109 Ir 77 Rh 45 Co 27 9 (VIII B) Hs 108 Os 76 Ru 44 Fe 26 8 (VIII B) Bh 107 Re 75 Tc 43 Mn 25 7 (VII B) Sg 106 W 74 Mo 42 Cr 24 6 (VI B) Db 105 Ta 73 Nb 41 V 23 5 (V B) Rf 104 Hf 72 Zr 40 Ti 22 4 (IV B) Lr 103 Lu 71 Y 39 Sc 21 3 (III B) Période 7 Période 6 Période 5 Période 4 Groupe

6. 2°) PROPRIETES ATOMIQUES Les métaux de transition présentent une couche d incomplètement saturée en électrons. Les 5 orbitales d se remplissent progressivement par acquisition de 1 à 10 électrons. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 30 Zinc 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 29 Cuivre 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 28 Nickel 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2 27 Cobalt 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 26 Fer 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 25 Manganèse 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 24 Chrome 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2 23 Vanadium 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 22 Titane Configuration électronique Z Elément

7. 2°) PROPRIETES ATOMIQUES À l'exception du cuivre et du chrome, tous les éléments du bloc d ont deux électrons dans leur orbitale extérieure s , même les éléments avec une orbitale 3d incomplète. Ceci est inhabituel car normalement les orbitales plus basses sont remplies avant les orbitales extérieures, mais dans ce cas les orbitales s des éléments du bloc d sont à un niveau d'énergie plus faible que les orbitales d .

8. 2°) PROPRIETES ATOMIQUES Comme les atomes sont toujours dans leur état énergétique le plus stable, les orbitales s sont remplies d'abord. Le cuivre et le chrome possèdent un seul électron dans leur orbitale extérieure s à cause de la répulsion électronique. Partager un électron entre les orbitales s et d est plus stable énergiquement que d'avoir deux électrons dans l'orbitale s extérieure.

9. 2°) PROPRIETES ATOMIQUES Tous les éléments du bloc d ne sont pas des métaux de transition. Par exemple, le scandium et le zinc ne vérifient pas la définition précédente. Le scandium a un électron dans son orbitale d et deux électrons dans son orbitale extérieure s . Comme le seul ion du scandium (Sc3+) n'a aucun électron dans son orbitale d , il ne correspond plus à la définition des métaux de transition car il n'a plus de sous-couche d partiellement remplie. De la même façon, cette définition ne peut être appliquée au Zinc, car l'ion Zn2+ possède une orbitale d pleine.

10. 3°) PROPRIETES CHIMIQUES Les éléments de transition ont en général une forte densité, une température de fusion et de vaporisation élevée. a) Particularités Ces propriétés proviennent de la capacité des électrons de la couche d de se délocaliser dans le réseau métallique.

11. 3°) PROPRIETES CHIMIQUES Les métaux de transition possèdent de nombreux degrés d’oxydation. b) Etats d’oxydation Le calcium, par exemple, ne perd pas plus de deux électrons, alors qu'un métal de transition peut en perdre jusqu'à neuf.

12. 3°) PROPRIETES CHIMIQUES Le nombre d'états d'oxydation de chaque ion augmente jusqu'au manganèse, puis diminue. Cette chute est provoquée par la plus forte attraction des protons du noyau sur les électrons, les rendant plus difficiles à arracher. Quand un élément est dans un faible état d'oxydation, on peut le trouver sous forme d'ion simple. En revanche pour les états d'oxydation les plus élevés on le trouve souvent sous forme de composé lié de manière covalente à l'oxygène ou au fluor.

13. 3°) PROPRIETES CHIMIQUES Les métaux de transition forment de bons catalyseurs homogènes et hétérogènes. Par exemple le fer est un catalyseur dans le procédé de Haber (réaction de l’azote et de l’hydrogène donnant l’ammoniac), le nickel et le platine sont utilisés dans l'hydrogénation des alcènes. c) Des catalyseurs

14. 3°) PROPRIETES CHIMIQUES À cause de leur structure électronique, les métaux de transition forment de nombreux ions et complexes colorés. Leur couleur peut même varier suivant les états d'oxydation d'un même ion. Par exemple MnO4- (Mn dans un état d'oxydation +7) est violet, alors que Mn2+ est rose pâle. d) Complexes colorés

15. 3°) PROPRIETES CHIMIQUES Ligand : Les ligands sont des atomes, ions ou molécules portant des fonctions chimiques lui permettant de se lier à un (ou plusieurs) atome(s) ou ion(s) centraux. Pour comprendre ce qui suit il est nécessaire de savoir ce qu’est un ligand.

16. 3°) PROPRIETES CHIMIQUES La formation de complexes peut jouer un rôle important dans la couleur d'un composé possédant un métal de transition. Ceci provient du fait que les ligands ont un effet sur la sous-couche 3d. Les ligands peuvent attirer certains électrons et les partager en groupes d'énergies distinctes. Lorsqu'un photon est absorbé par un complexe possédant ce partage d'orbitales 3d, il peut promouvoir un électron dans ce nouveau groupe et ainsi modifier la couleur du complexe. On peut ainsi observer une modification de la couleur de l'ion en fonction des ligands utilisés.

17. 3°) PROPRIETES CHIMIQUES La couleur d'un complexe dépend de : - la nature de l'ion métallique, particulièrement du nombre d'électrons dans son orbitale d - de l'arrangement des ligands du métal, par exemple des isomères peuvent avoir une couleur différente - la nature du ligand entourant le métal.

18. 4°) S’EN SERT-ON DANS LA VIE? Le 99mTc est utilisé en médecine nucléaire pour le repérage du ganglion sentinelle en particulier dans le traitement chirurgical du cancer du sein. Le 99mTc est aussi utilisé sous forme de technétium-méthoxyisobutylisonitrile (Tc-MIBI) pour marquer les cellules du muscle cardiaque et faire une scintigraphie tomographique. Cet examen sert à diagnostiquer la présence de tissus non irrigués dans le myocarde.

19. 4°) S’EN SERT-ON DANS LA VIE? Le nickel était autrefois utilisé pour fabriquer les pièces de monnaie mais plus maintenant car il aurait un effet allergisant sur certaines personnes. L'expression française nickel qui vient de nickel chrome est une connotation de la propreté. Le nickel-chrome est un alliage utilisé pour les soins dentaires et comme matériaux de soudure!!!

20. 4°) S’EN SERT-ON DANS LA VIE? Le Cobalt est aussi beaucoup utilisé dans : Les alliages résistants à la corrosion Les carbures Alliage prothèse dentaire Pour la radiothérapie Comme catalyseur dans l’industrie chimique et pétrolière Mais aussi dans de nombreux autre domaines…

21. 4°) S’EN SERT-ON DANS LA VIE? Des composés mercuriques servent aussi beaucoup dans : La synthèse du chlore en Europe passe souvent par l'utilisation de cellules à cathode de mercure. Les lampes fluorescentes à vapeur de mercure contiennent environ 15 mg de mercure gazeux. Le mercure est utilisé pour la fabrication des amalgames dentaires couramment appelés plombages (bien que ne contenant pas de plomb!!!). Certaines piles contiennent du mercure.

22. 4°) S’EN SERT-ON DANS LA VIE? Nous n’avons ici cité que quelques-uns de ces métaux mais il y en a beaucoup d’autres comme l’argent et l’or mais aussi le fer qui est très utilisé dans l’industrie. En bref, beaucoup de métaux de transition sont utilisés dans l’industrie mais aussi dans les soins et, par conséquent, dans la vie de tout les jours.

23. 5°) EXPERIENCES A 25 ml de solution de permanganate de potassium (KMnO 4 ) 0.01 M , ajouter 10 ml de soude (NaOH) 4 M (uniquement pour travailler en milieu basique). Ajouter quelques gramme de MnO 2 (dioxyde de manganèse) solide. Agiter et filtrer la solution obtenue. Dismutation de l’ion manganate Première Partie :

24. 5°) EXPERIENCES Après avoir filtrer, la solution recueillie est de couleur verte. Cette couleur verte est caractéristique des ions manganates MnO 4 (2-). RESULTATS :

25. 5°) EXPERIENCES Une fois la solution filtrée, ajouter de l’acide sulfurique [ 2H 3 O( +) + SO 4 ( 2-) ] concentré à Deuxième Partie :

26. 5°) EXPERIENCES Une fois l’acide sulfurique ajouté la solution obtenue après filtration prend une teinte plutôt violette caractéristique des ions permanganates MnO 4 ( - ) présents initialement dans la solution de permanganate de potassium. RESULTATS :

27. 5°) EXPERIENCES Couples : MnO 4 ( - ) / MnO 2 ; MnO 4 (-) / MnO 4 ( 2- ) Ecrivons les demi-équations : - [ MnO 4 ( - ) + e ( - ) MnO 4 ( 2- ) ] x3 - [ MnO 4 ( - ) + 3e ( - ) + 4H( + ) MnO 4 ( 2- ) + H 2 O ] x1 D’où l’équation bilan : 3MnO 4 (-) + MnO 2 + H 2 O 3MnO 4 ( 2- ) + MnO 4 ( - ) + H ( + ) RESULTATS :

28. 5°) EXPERIENCES RESULTATS : Une dismutation est une réaction dans laquelle le même composé chimique est à la fois oxydant et réducteur. On peut voir ici qu’en milieu basique se sont les ions manganates qui prennent le dessus alors qu’en milieu acide se sont les ions permanganates

29. 5°) EXPERIENCES Verser une pointe de spatule de zinc métallique (Zn) dans un tube à essais. Ajouter 2 ml d’acide chlorhydrique (HCl) 1 M. b) Formation de l’hydroxyde de zinc Première Partie :

30. 5°) EXPERIENCES Lorsque l’on a ajouté l’acide chlorhydrique dans le tube à essais on peut voir que le zinc métallique disparaît mais la solution reste translucide : caractéristique des ions Zn ( 2+ ). On peut en déduire l’équation : Zn + 2H( + ) Zn( 2+ ) + H 2 RESULTATS :

31. 5°) EXPERIENCES Lorsque tout le solide a disparu ajouter goutte-à-goutte de la soude 1 M jusqu’à apparition d’un précipité. Ajouter ensuite la solution de soude jusqu’à dissolution du précipité. Deuxième Partie :

32. 5°) EXPERIENCES Après avoir ajouté la soude on observe un précipité blanc caractéristique de l’hydroxyde de zinc Zn(OH) 2 . On peut en déduire l’équation : Zn( 2+ ) + 2OH( - ) Zn(OH) 2 . RESULTATS :

33. 5°) EXPERIENCES Après avoir ajouté beaucoup de soude on peut voir que le précipité blanc a disparu. Ceci est due au fait qu’un excès d’ions hydroxyde forme des ions zincates incolores Zn(OH) 4 ( 2- ) On peut en déduire l’équation : Zn(OH) 2 + 2HO( - ) Zn(OH) 4 ( 2- ) RESULTATS :

34. 5°) EXPERIENCES Cette réaction nous montre qu’un métal de transition comme le zinc peut, à la suite d’une réaction avec la soude, former un solide (précipité) qui est un hydroxyde. De plus cet hydroxyde est immédiatement dissout lorsqu’il réagit avec la même soude qu’auparavant!!! RESULTATS :

35. Merci à tous de votre attention…. Et surtout…. Continuez la…. C H I M I E !!!