Définition et place dans le tableau périodique
Les métaux de transition (bloc d) occupent les groupes 3 à 12 du tableau périodique, aux périodes 4 à 7. Leur caractéristique fondamentale est de posséder une sous-couche d partiellement remplie dans au moins un de leurs états d'oxydation courants (les zinc Zn, cadmium Cd, mercure Hg — groupe 12 — sont parfois exclus car leur d est pleine à l'état +2).
Le bloc d comprend 38 éléments : la série 3d (Sc à Zn), 4d (Y à Cd), 5d (Hf à Hg) et 6d (Rf à Cn) — le lutécium et le lawrencium étant rattachés respectivement aux lanthanides et aux actinides.
Configurations électroniques — la règle et ses exceptions
La règle de remplissage (Aufbau / Klechkowski) prédit ns avant (n−1)d — c'est pourquoi la configuration attendue du chrome est [Ar] 3d⁴ 4s². Dans la pratique :
| Élément | Configuration attendue | Configuration réelle |
|---|---|---|
| Cr | [Ar] 3d⁴ 4s² | [Ar] 3d⁵ 4s¹ |
| Cu | [Ar] 3d⁹ 4s² | [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ |
| Mo | [Kr] 4d⁴ 5s² | [Kr] 4d⁵ 5s¹ |
Ces exceptions reflètent la stabilisation particulière des configurations d⁵ (demi-remplie) et d¹⁰ (pleine). Le cuivre (Cu) et le chrome (Cr) sont les exemples canoniques de la série 3d.
À l'ionisation, les électrons 4s partent avant les 3d : Fe²⁺ = [Ar] 3d⁶ (et non [Ar] 3d⁴ 4s²).
États d'oxydation multiples
Les métaux de transition peuvent exhiber de nombreux états d'oxydation parce que les niveaux 3d et 4s sont proches en énergie. Quelques exemples emblématiques :
| Métal | États d'oxydation courants | Exemple |
|---|---|---|
| Fe | +2, +3 (rarement +4, +6) | Fe²⁺ (FeSO₄), Fe³⁺ (Fe₂O₃) |
| Mn | +2 à +7 | MnO₄⁻ (permanganate, +7) |
| Cu | +1, +2 | CuCl (Cu⁺), CuSO₄·5H₂O (Cu²⁺) |
| Cr | +2, +3, +6 | CrO₄²⁻ (chromate, +6) |
L'état +3 est particulièrement stable pour les métaux 3d car il correspond à la perte de 4s² + un électron d, laissant souvent une configuration d⁰, d³ ou d⁶ bien stabilisée.
Propriétés communes
Tous les métaux de transition partagent plusieurs propriétés liées à leurs électrons d :
- Conductivité électrique et thermique élevées : bandes d partielles permettent la conduction.
- Points de fusion élevés : liaisons métalliques renforcées par les électrons d.
- Densité élevée : masse atomique importante conjuguée à un rayon métallique réduit par le renforcement de la liaison métallique.
- Formation de complexes : lacunes en électrons comblées par les ligands (cf. champ cristallin).
- Propriétés magnétiques : électrons d non appariés → paramagnétisme (Fe, Ni, Co).
- Activité catalytique : états d'oxydation variables facilitent les cycles rédox.
Le fer (Fe) est à lui seul un condensé de ces propriétés : paramagnétique, excellent catalyseur (Haber-Bosch), formateur de nombreux complexes bioinorganiques (hémoglobine).
Exemples emblématiques
[Fer (Fe)](/element/fe) — métal le plus abondant de la croûte terrestre après l'aluminium. Haut spin en milieu biologique (hème), bas spin dans [Fe(CN)₆]⁴⁻. Catalyseur historique du procédé Haber.
[Cuivre (Cu)](/element/cu) — premier métal façonné par l'Homme. Sa couleur rouge-orangé vient de ce que le seuil des transitions interbandes d → s tombe dans le visible (≈ 2,1 eV, soit ≈ 590 nm) : le cuivre absorbe le bleu-violet et réfléchit le rouge. Chez l'argent, ce même seuil est dans l'UV, d'où son aspect gris. Catalyseur en synthèse organique (couplage d'Ullmann).
[Platine (Pt)](/element/pt) — métal 5d, résistance à l'oxydation exceptionnelle. Catalyseur d'oxydation des gaz d'échappement et actif dans les médicaments anticancéreux (cisplatine : cis-[PtCl₂(NH₃)₂]).
[Manganèse (Mn)](/element/mn) — gamme d'oxydation la plus large des 3d. Le permanganate (KMnO₄, Mn(VII)) est un oxydant fort utilisé en analyse volumétrique.
Oxydoréduction et potentiels standards
Les états d'oxydation multiples font des métaux de transition des acteurs privilégiés de la chimie rédox. Le potentiel standard E° permet de prévoir la spontanéité des réactions :
- Fe³⁺ / Fe²⁺ : E° = +0,77 V
- Cu²⁺ / Cu : E° = +0,34 V
- MnO₄⁻ / Mn²⁺ (milieu acide) : E° = +1,51 V
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