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Chimie des éléments de transition

Chimie A-Level · Sujet 28

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8:24

Chimie des éléments de transition

Regardez ces six éprouvettes : rose, orange, jaune, vert, bleu, violet. Chacune contient un métal du bloc d dans l'eau, et chaque métal provient de la même courte…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

28.1

Éléments de transition

Programme
  1. définir un élément de transition comme un élément du bloc d formant un ou plusieurs ions stables avec des orbitales d incomplètes
  2. esquisser la forme d'une orbite $3\text{d}_{xy}$ et d'une orbite $3\text{d}_{z^2}$
  3. comprendre que les éléments de transition ont les propriétés suivantes : (a) ils ont des états d'oxydation variables (b) ils agissent comme des catalyseurs (c) ils forment des ions complexes (d) ils forment des composés colorés
  4. expliquer pourquoi les éléments de transition ont des états d'oxydation variables en termes de similarité d'énergie des sous-couches 3d et 4s
  5. expliquer pourquoi les éléments de transition agissent comme des catalyseurs en termes de posséder plus d'un état d'oxydation stable, et des orbitales d vacantes qui sont énergétiquement accessibles et peuvent former des liaisons coordinées avec des ligands
  6. expliquer pourquoi les éléments de transition forment des ions complexes en termes d'orbitales d vacantes qui sont énergétiquement accessibles

Source : Programme Cambridge International

Un élément de transition 过渡元素 est un élément du bloc d formant un ou plusieurs ions stables avec des orbitales d incomplètes. (Le scandium et le zinc sont dans le bloc d mais ne sont pas des éléments de transition, car leurs ions stables ont des orbitales d vides ou pleines.)

Les orbitales 轨道 3d ont des formes fixes : l'orbitale $3\text{d}_{xy}$ a quatre lobes pointant entre les axes, et l'orbitale $3\text{d}_{z^2}$ a deux lobes le long de l'axe $z$ avec un anneau autour du milieu.

Quatre propriétés clés (et pourquoi)

Propriété Raison
variable état d'oxydation 氧化态 les sous-couches 3d et 4s sont proches en énergie, donc de petites quantités similaires d'énergie retirent différents nombres d'électrons
agissent comme catalyseurs 催化剂 ils ont plus d'un état d'oxydation stable et des orbitales d vacantes capables de former des liaisons coordonnées
forment des ions complexes des orbitales d vacantes peuvent accepter des paires libres
forment des composés colorés les électrons se déplacent entre les orbitales d scindées (voir ci-dessous)
Quatre propriétés : états d'oxydation variables, action en tant que catalyseurs, formation d'ions complexes et composés colorés
Les quatre propriétés clés des éléments de transition
Un cristal de rubis rouge
Un rubis est rouge en raison d'ions de métal de transition (chrome) maintenus dans son réseau cristallin
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Propriétés des éléments de transition - Laboratoire

Classez les preuves métalliques de transition par la propriété qu'elle montre.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/ 过渡元素 guò dù yuán sù
orbital/ˈɔːbɪtl/ 轨道 guǐ dào
oxidation state/ˌɒksɪˈdeɪʃn steɪt/ 氧化态 yǎng huà tài
catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
complex ion/ˈkɒmpleks ˈaɪɒn/ 配离子 pèi lí zi
28.2

Ligands et complexes

Programme
  1. décrire et expliquer les réactions des éléments de transition avec des ligands pour former des complexes, y compris les complexes des ions cuivre(II) et cobalt(II) avec des molécules d'eau et d'ammoniaque ainsi qu'avec des ions hydroxyde et chlorure
  2. définir le terme ligand comme une espèce contenant une paire d'électrons libre qui forme une liaison covalente coordonnée avec un atome ou ion métallique central
  3. comprenez et utilisez les termes : (a) ligand monodentate incluant comme exemples $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ et $\text{CN}^-$ (b) ligand bidentate incluant comme exemples 1,2-diaminoéthane, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ et l'ion éthanedioate, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ (c) ligand polydentate incluant comme exemple $\text{EDTA}^{4-}$
  4. définir le terme complexe comme une molécule ou un ion formé par un atome ou ion métallique central entouré d'un ou plusieurs ligands
  5. décrire la géométrie (forme et angles de liaison) des complexes d'éléments de transition qui sont linéaires, plan carrés, tétraédriques ou octaédriques
  6. (a) indiquer ce que signifie le nombre de coordination (b) prédire la formule et la charge d'un ion complexe, étant donné l'ion métallique, sa charge ou son état d'oxydation, le ligand et son nombre de coordination ou sa géométrie
  7. expliquer qualitativement qu'un échange de ligands peut se produire, y compris les complexes des ions cuivre(II) et cobalt(II) avec des molécules d'eau et d'ammoniaque ainsi qu'avec des ions hydroxyde et chlorure
  8. prédire, à l'aide des valeurs de $E^\ominus$, la faisabilité des réactions redox impliquant des éléments de transition et leurs ions
  9. décrire les réactions et effectuer des calculs concernant : (a) $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ en solution acide donnée des données appropriées (b) $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ en solution acide donnée des données appropriées (c) $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$ donnée des données appropriées
  10. effectuer des calculs impliquant d'autres systèmes redox donnée des données appropriées

Source : Programme Cambridge International

Un ion de métal de transition peut être entouré d'ions complexes 配离子. Les espèces attachées sont des ligands.

Un ligand 配体 est une espèce avec une paire libre d'électrons qui forme une liaison covalente coordonnée 配位键 vers l'ion métallique central. (La paire libre 孤对电子 est ce qu'elle donne.) Les ligands sont classés selon le nombre de telles liaisons qu'ils peuvent former :

  • monodenté 单齿 : une liaison ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$, $\text{CN}^-$).
  • bidenté 双齿 : deux liaisons (1,2-diaminoéthane "en", et l'ion éthanoate $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$).
  • polydenté 多齿 : de nombreuses liaisons ($\text{EDTA}^{4-}$, qui en utilise six).
Un ion métallique avec un ligand monodenté formant une liaison, un ligand bidenté formant deux liaisons, et un ligand polydenté formant six liaisons
Les ligands sont classés selon le nombre de liaisons coordonnées qu'ils forment : monodenté (une), bidenté (deux) ou polydenté (plusieurs, comme les six de l'EDTA)

Un complexe 配合物 est un atome ou ion métallique central entouré d'un ou plusieurs ligands. Sa forme peut être linéaire 直线形, plan carré 平面正方形, tétraédrique 四面体形 ou octaédrique 八面体形.

Le numéro de coordination 配位数 est le nombre de liaisons coordonnées provenant des ligands vers l'ion central (6 → octaédrique, 4 → tétraédrique ou plan carré, 2 → linéaire). Pour prédire la charge d'un complexe, ajoutez la charge du métal et toutes les charges des ligands.

Quatre complexes : un linéaire à deux ligands, un tétraédrique et un plan carré à quatre ligands, et un octaédrique à six ligands, chacun étiqueté avec son numéro de coordination
Les formes des complexes suivent le numéro de coordination : 2 est linéaire, 4 est tétraédrique ou plan carré, 6 est octaédrique

Échange de ligands

Dans un échange de ligands 配体 échange, un ligand remplace un autre, souvent avec un changement de couleur. Pour le cuivre(II) :

$$[\text{Cu}(\text{H}_2\text{O})_6]^{2+} \;(\text{pale blue}) \;\xrightarrow{\text{NH}_3}\; [\text{Cu}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+} \;(\text{deep blue})$$

Avec concentré $\text{HCl}$, il devient jaune $[\text{CuCl}_4]^{2-}$ ; le cobalt(II) se comporte de manière similaire.

Trois boîtes colorées pour le cuivre(II) : bleu pâle avec l'eau, bleu profond après ajout d'ammoniaque, jaune après ajout de HCl concentré
L'échange de ligands modifie la couleur du cuivre(II) : bleu pâle avec l'eau, bleu profond avec l'ammoniaque, jaune avec HCl concentré

Réactions redox des ions de transition

Utilisez les valeurs $E^{\ominus}$ pour prédire si une réaction redox est réalisable. Les titrations courantes que vous devez savoir calculer incluent $\text{MnO}_4^-/\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ et $\text{MnO}_4^-/\text{Fe}^{2+}$ en milieu acide (violet à incolore), ainsi que $\text{Cu}^{2+}/\text{I}^-$ (qui forme de l'iode, puis est titré avec du thiosulfate).

Exemple résolu. En milieu acide, $\text{MnO}_4^-$ réagit avec $\text{Fe}^{2+}$ dans un rapport de $1:5$ (voir l'équation équilibrée ci-dessus). Un échantillon de $25.0\ \text{cm}^3$ de solution de $\text{Fe}^{2+}$ nécessite $22.0\ \text{cm}^3$ de $0.0200\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{KMnO}_4$ pour atteindre le point final. Trouvez la concentration de la $\text{Fe}^{2+}$.

Moles de $\text{MnO}_4^-$ utilisées $= 0.0200 \times \dfrac{22.0}{1000} = 4.40 \times 10^{-4}\ \text{mol}$. Chaque mole de $\text{MnO}_4^-$ réagit avec $5$ moles de $\text{Fe}^{2+}$, donc moles de $\text{Fe}^{2+} = 5 \times 4.40 \times 10^{-4} = 2.20 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. Cela se trouvait dans $25.0\ \text{cm}^3$, donc

$$[\text{Fe}^{2+}] = \frac{2.20 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0880\ \text{mol dm}^{-3}.$$
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Ligands et complexes - Laboratoire

Identifiez la partie d'un ion complexe qui contrôle sa structure.

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Voie d'échange de ligands

Suivez un ligand remplaçant un autre autour d'un ion métallique.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
ligand/ˈlɪɡænd/ 配体 pèi tǐ
dative covalent bond/ˈdætɪv ˈkəʊvələnt bɒnd/ 配位键 pèi wèi jiàn
lone pair/ləʊn peə/ 孤对电子 gū duì diàn zi
monodentate/ˈmɒnəʊdenteɪt/ 单齿 dān chǐ
bidentate/baɪˈdenteɪt/ 双齿 shuāng chǐ
polydentate/ˌpɒlɪˈdenteɪt/ 多齿 duō chǐ
complex/ˈkɒmpleks/ 配合物 pèi hé wù
linear/ˈlɪnɪə/ 直线形 zhí xiàn xíng
square planar/skweə ˈpleɪnə/ 平面正方形 píng miàn zhèng fāng xíng
tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/ 四面体形 sì miàn tǐ xíng
octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/ 八面体形 bā miàn tǐ xíng
coordination number/kəʊˈɔːdɪneɪʃn ˈnʌmbə/ 配位数 pèi wèi shù
ligand exchange/ˈlɪɡænd eksˈtʃeɪndʒ/ 配体交换 pèi tǐ jiāo huàn
degenerate/dɪˈdʒenəreɪt/ 简并 jiǎn bìng
non-degenerate/nɒn dɪˈdʒenəreɪt/ 非简并 fēi jiǎn bìng
complementary colour/ˌkɒmplɪˈmentəri ˈkʌlə/ 互补色 hù bǔ sè
geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 几何异构 jǐ hé yì gòu
28.3

Pourquoi les complexes sont colorés

Programme
  1. définir et utiliser les termes orbitales d dégénérées et orbitales d non dégénérées
  2. décrire le fractionnement des orbitales d dégénérées en deux ensembles non dégénérés d'orbitales d d'énergie plus élevée, et l'utilisation de $\Delta E$ dans : (a) les complexes octaédriques, deux orbitales d plus hautes et trois orbitales d plus basses (b) les complexes tétraédriques, trois orbitales d plus hautes et deux orbitales d plus basses
  3. expliquer pourquoi les éléments de transition forment des composés colorés en termes de fréquence de lumière absorbée lors de l'excitation d'un électron entre deux orbitales d non dégénérées
  4. décrire, en termes qualitatifs, les effets de différents ligands sur $\Delta E$, la fréquence de lumière absorbée, et donc la couleur complémentaire observée
  5. utiliser les complexes des ions cuivre(II) et cobalt(II) avec des molécules d'eau et d'ammoniaque ainsi qu'avec des ions hydroxyde et chlorure comme exemples montrant comment l'échange de ligands affecte la couleur observée

Source : Programme Cambridge International

Dans un ion libre, les cinq orbitales d sont dégenerées 简并 — elles ont la même énergie. Lorsqu'un ligand s'approche, il sépare les orbitales d en deux ensembles non dégénérés 非简并, séparés par un écart d'énergie $\Delta E$ :

  • octaédrique : trois orbitales inférieures et deux supérieures.
  • tétraédrique : deux orbitales inférieures et trois supérieures.

Un complexe absorbe une lumière dont la fréquence correspond à $\Delta E$, promouvant un électron d'une orbitale d inférieure vers une orbitale d supérieure. La couleur que vous voyez est la couleur complémentaire 互补色 de la lumière absorbée. Différents ligands donnent un $\Delta E$ différent, ils changent donc la fréquence absorbée et par conséquent la couleur ; c'est pourquoi l'échange de ligands change la couleur.

Les cinq orbitales d égales d'un ion libre se séparant en un ensemble inférieur et un ensemble supérieur, séparés par un écart d'énergie, pour les complexes octaédriques et tétraédriques
Les ligands séparent les cinq orbitales d en deux ensembles séparés par un écart $\Delta E$ ; le complexe absorbe une lumière de cette énergie, nous voyons donc la couleur complémentaire
Six béchers de solutions de métaux de transition alignés, chacun d'une couleur vive différente : rouge, orange, jaune, vert, bleu et violet
Différents métaux et états d'oxydation donnent des couleurs différentes : cobalt(II) (rouge), dichromate (orange), chromate (jaune), nickel(II) (vert), cuivre(II) (bleu) et permanganate (violet)
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Voie de couleur du complexe

Suivez l'absorption lumineuse depuis le clivage des orbitales d jusqu'à la couleur observée.

28.4

Stéréoisomérie dans les complexes

Programme
  1. décrire les types de stéréoisomérie présentés par les complexes, y compris ceux associés aux ligands bidentés : (a) isomérie géométrique (cis/trans), ex. plan carré tel que $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$ et octaédrique tel que $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ et $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ (b) isomérie optique, ex. $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$ et $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$
  2. déduire la polarité globale de complexes tels que ceux décrits en 28.4.1(a) et 28.4.1(b)

Source : Programme Cambridge International

  • isomérie géométrique 几何异构 (cis 顺式 / trans 反式) apparaît dans les complexes plans carrés comme $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, et dans les complexes octaédriques comme $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$.
Un complexe plan carré au platine dessiné deux fois : cis avec les deux ligands ammoniaques adjacents, trans avec eux opposés
Isomérie géométrique dans un complexe plan carré : les deux ligands identiques sont adjacents (cis) ou opposés (trans)
  • isomérie optique 旋光异构 apparaît dans les complexes octaédriques avec des ligands bidentés, comme $[\text{Ni}(\text{en})_3]^{2+}$, qui possède deux images miroir non superposables.

Vous pouvez également déduire la polarité d'un complexe : une forme cis peut être polaire, tandis que la forme trans correspondante est souvent apolaire car ses dipôles s'annulent.

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Labo stéréoisomères complexes

Classifiez les isomères complexes selon l'arrangement des ligands.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
cis/sɪs/ 顺式 shùn shì
trans/trænz/ 反式 fǎn shì
optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 旋光异构 xuán guāng yì gòu
stability constant/stəˈbɪlɪti ˈkɒnstənt/ 稳定常数 wěn dìng cháng shù
28.5

Constantes de stabilité

Programme
  1. définir la constante de stabilité, $K_{\text{stab}}$, d'un complexe comme la constante d'équilibre pour la formation de l'ion complexe dans un solvant (à partir de ses ions constitutifs ou molécules)
  2. écrire une expression pour une $K_{\text{stab}}$ d'un complexe ($[\text{H}_2\text{O}]$ ne doit pas être inclus)
  3. utiliser des expressions de $K_{\text{stab}}$ pour effectuer des calculs
  4. décrire et expliquer les échanges de ligands en termes de valeurs de $K_{\text{stab}}$ et comprendre qu'une grande $K_{\text{stab}}$ est due à la formation d'un ion complexe stable

Source : Programme Cambridge International

La constante de stabilité 稳定常数 ($K_{\text{stab}}$) est la constante d'équilibre pour la formation d'un ion complexe à partir de l'ion métallique et de ses ligands en solution (l'eau est exclue de l'expression).

Une $K_{\text{stab}}$ grande signifie un complexe très stable. Dans un échange de ligands, l'équilibre se déplace vers le complexe ayant la plus grande $K_{\text{stab}}$ ; c'est pourquoi un ligand formant un complexe plus stable peut déplacer un ligand plus faible.

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Labo constantes de stabilité

un Kstab plus grand favorise le complexe

Augmentez la force de liaison des ligands et voyez la formation du complexe devenir plus complète.

28.5

Conseils d'examen

  • Définissez un élément de transition : il forme au moins un ion avec une sous-couche d partiellement remplie — Sc et Zn sont donc exclus.
  • La couleur provient de transitions d-d (les ligands séparent les orbitales d) ; la couleur observée est le complément de la lumière absorbée.
  • Indiquez le ligand et le nombre de coordination et prédez la forme (6 = octaédrique, 4 = tétraédrique ou plan carré).
  • L'échange de ligands peut changer la couleur et le nombre de coordination ; une constante de stabilité plus grande = un complexe plus stable.

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