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ELM 38 éléments

Métaux de transition

Du fer des aciers au platine des catalyseurs, les métaux de transition réunissent des éléments aux usages très différents. Leur point commun se trouve dans le remplissage des orbitales d, même si les frontières de cette famille varient selon la définition retenue.

Par Claire Delmas · Mis à jour le

Les 38 métaux de transition

Les métaux de transition dans le tableau périodique.

Dans le tableau périodique interactif, cette famille forme le bloc central, entre les blocs s et p. La liste retenue ici compte 38 éléments répartis en quatre séries : du scandium au zinc, de l’yttrium au cadmium, de l’hafnium au mercure, puis du rutherfordium au copernicium. Cette sélection pratique inclut les éléments du groupe 12, même si leur classement comme métaux de transition au sens strict fait débat.

Où se situent les métaux de transition ?

Les quatre séries correspondent aux lignes 4 à 7 du bloc d : elles commencent respectivement par le scandium (Sc, numéro atomique 21), l’yttrium (Y, 39), l’hafnium (Hf, 72) et le rutherfordium (Rf, 104). Les lanthanides et les actinides, présentés en général dans deux rangées séparées sous le tableau, appartiennent au bloc f et ne font pas partie des 38 éléments de cette liste.

Le terme « métal de transition » n’a pas toujours un périmètre uniforme. Il désigne couramment les métaux du bloc d, mais une définition chimique plus stricte s’appuie sur l’existence d’une sous-couche d incomplète dans l’atome ou dans au moins un ion. Selon ce critère, le zinc, le cadmium et le mercure sont souvent écartés : leurs atomes et leurs ions usuels ont une sous-couche d remplie. Ils restent néanmoins dans la sélection pratique de cette famille.

Pourquoi leur structure électronique compte-t-elle ?

Au fil d’une série, les électrons remplissent progressivement la sous-couche d. La configuration électronique de valence associe généralement des électrons s et d, avec quelques exceptions : leurs niveaux d’énergie sont proches, ce qui autorise des configurations et des comportements variés. La Société chimique de France présente la chimie des métaux de transition à travers cette sous-couche d et les propriétés qui en découlent, notamment dans les complexes chimiques (la Société chimique de France).

Un effet important est la possibilité de former plusieurs ions, ou états d’oxydation. Le fer, par exemple, forme notamment des ions Fe²⁺ et Fe³⁺. Les électrons d peuvent aussi participer à l’absorption de certaines longueurs d’onde : plusieurs composés de métaux de transition sont donc colorés, sans que ce soit une propriété universelle de chaque élément ou de chacun de ses composés.

Quelles propriétés se retrouvent d’une série à l’autre ?

La plupart sont des solides métalliques à température ambiante : ils conduisent généralement l’électricité et la chaleur et peuvent former des alliages. Mais la famille n’est pas homogène. Le mercure est liquide à température ambiante, tandis que les éléments superlourds des dernières cases sont produits en quantités infimes et leurs propriétés macroscopiques sont souvent prévues plutôt que mesurées.

La densité, la dureté, les températures de fusion et la réactivité varient selon l’élément et ne progressent pas toutes de façon régulière dans une ligne. Les états d’oxydation multiples et les composés colorés sont des tendances caractéristiques, pas des règles sans exception. Les orbitales d expliquent aussi l’intérêt de nombreux éléments comme catalyseurs : ils peuvent faciliter des réactions en interagissant avec les réactifs. La Royal Society of Chemistry décrit notamment ce rôle et cite le fer utilisé dans la fabrication de l’ammoniac (la RSC sur les catalyseurs de métaux de transition).

Quels éléments illustrent leurs usages ?

Le fer est essentiel à la fabrication de l’acier, tandis que le cuivre sert notamment aux conducteurs électriques. Le platine intervient dans des catalyseurs, et le nickel dans des alliages et divers procédés chimiques. Ces usages dépendent de propriétés précises et des composés concernés : ils ne sont pas interchangeables pour tous les membres de la famille.

Les premiers éléments de la série 3d montrent déjà cette diversité. La fiche du scandium et de ses caractéristiques complète le panorama des éléments employés dans certains alliages spécialisés. Le titane et ses propriétés éclairent l’intérêt de ce métal pour des matériaux résistants et légers. Le vanadium en chimie et dans les alliages illustre, lui, l’importance des états d’oxydation variables. Ces exemples donnent une idée de la richesse du bloc d, sans réduire ses 38 éléments à une seule propriété commune.

Questions fréquentes

Le zinc est-il vraiment un métal de transition ?

Cela dépend de la définition. Le zinc se trouve dans le bloc d et fait partie des 38 éléments de la sélection présentée ici. Toutefois, selon le critère strict de la sous-couche d incomplète dans l’atome ou dans un ion, le zinc est généralement exclu : son atome et son ion courant Zn²⁺ ont une sous-couche d complète.

Tous les métaux de transition forment-ils des composés colorés ?

Non. Les composés colorés sont fréquents chez les métaux de transition, car les électrons d peuvent absorber certaines longueurs d’onde de la lumière. Mais la couleur dépend de l’élément, de son état d’oxydation et de son environnement chimique. Certains ions, comme Zn²⁺, ont une sous-couche d complète et leurs composés sont souvent incolores.

Pourquoi le mercure est-il inclus si c’est un liquide ?

Le mercure est inclus parce que la liste suit une définition pratique fondée sur la place des éléments dans le bloc d, notamment celle du groupe 12. Son état liquide à température ambiante en fait une exception physique notable au sein de la famille, dont les autres membres répertoriés sont solides ou, pour certains éléments superlourds, prédits solides.