Il existe un certain nombre de propriétés partagées par les éléments de transition qui ne se trouvent pas dans d’autres éléments, ce qui résulte du shell d partiellement rempli. Ceux–ci comprennent

• la formation de composés dont la couleur est due aux transitions électroniques d-d
• la formation de composés dans de nombreux états d’oxydation, en raison de l’écart d’énergie relativement faible entre différents états d’oxydation possibles
• la formation de nombreux composés paramagnétiques dus à la présence d’électrons d non appariés. Quelques composés d’éléments du groupe principal sont également paramagnétiques (p.ex. oxyde nitrique, oxygène)

La plupart des métaux de transition peuvent être liés à une variété de ligands, ce qui permet une grande variété de complexes de métaux de transition.

Composés colorés

De gauche à droite, solutions aqueuses de: Co(NO
3)
2 (rouge); K
2Cr
2O
7 (orange); K
2CrO
4 (jaune); NiCl
2 (turquoise); CuSO
4 (bleu); KMnO
4 (violet).

La couleur des composés métalliques de la série des transitions est généralement due à des transitions électroniques de deux types principaux.

• 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. Un autre exemple est que l’iodure mercurique, HgI2, est rouge à cause d’une transition LMCT.

Une transition de transfert de charge métal-ligand (MLCT) sera la plus probable lorsque le métal est dans un état d’oxydation faible et que le ligand est facilement réduit.

En général, les transitions de transfert de charge donnent des couleurs plus intenses que les transitions d-d.

• transitions 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 du fractionnement dépend du métal particulier, de son état d’oxydation et de la nature des ligands. Les niveaux d’énergie réels sont indiqués sur les diagrammes de Tanabe–Sugano.

Dans les complexes centrosymétriques, tels que les complexes octaédriques, les transitions d-d sont interdites par la règle de Laporte et ne se produisent qu’à cause du couplage vibronique dans lequel une vibration moléculaire se produit avec une transition d-d. 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. L’absorptivité molaire (ε) des bandes provoquées par les transitions d-d est relativement faible, à peu près dans la gamme 5-500 M−1cm−1 (où M = mol dm−3). Certaines transitions d-d sont interdites. Un exemple se produit dans les complexes octaédriques à spin élevé du manganèse (II), qui ont une configuration d5 dans laquelle 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. De nombreux composés du manganèse (II) apparaissent presque incolores. Le spectre de 2+
montre une absorptivité molaire maximale d’environ 0,04 M−1cm-1 dans le spectre visible.

États d’oxydation

Une caractéristique des métaux de transition est qu’ils présentent deux états d’oxydation ou plus, généralement différents d’un. Par example, les composés du vanadium sont connus dans tous les états d’oxydation compris entre -1, tels que −
, et +5, tels que VO3−

États d’oxydation des métaux de transition. Les points solides montrent des états d’oxydation communs, et les points creux montrent des états possibles mais improbables.

Les principaux éléments des groupes 13 à 18 présentent également de multiples états d’oxydation. Les états d’oxydation « communs » de ces éléments diffèrent généralement par deux au lieu d’un. Par exemple, il existe des composés de gallium aux états d’oxydation +1 et +3 dans lesquels il existe un seul atome de gallium. Aucun composé de Ga(II) n’est connu : un tel composé aurait un électron non apparié et se comporterait comme un radical libre et serait détruit rapidement. Les seuls composés dans lesquels le gallium a un état d’oxydation formel de +2 sont des composés dimériques, tels que 2−
, qui contiennent une liaison Ga-Ga formée à partir de l’électron non apparié sur chaque atome de Ga. Ainsi, la principale différence d’états d’oxydation entre les éléments de transition et les autres éléments est que l’on connaît des états d’oxydation dans lesquels il y a un seul atome de l’élément et un ou plusieurs électrons non appariés.

L’état d’oxydation maximal dans les métaux de transition de la première rangée est égal au nombre d’électrons de valence du titane (+4) jusqu’au manganèse (+ 7), mais diminue dans les éléments ultérieurs. Dans la deuxième rangée, le maximum se produit avec le ruthénium (+ 8) et dans la troisième rangée, le maximum se produit avec l’iridium (+9). Dans des composés tels que –
et OsO
4, les éléments obtiennent une configuration stable par liaison covalente.

Les états d’oxydation les plus bas sont présentés dans des complexes carbonyles métalliques tels que Cr(CO)
6 (état d’oxydation zéro) et 2−
(état d’oxydation -2) dans lesquels la règle des 18 électrons est respectée. Ces complexes sont également covalents.

Les composés ioniques sont principalement formés avec des états d’oxydation +2 et +3. En solution aqueuse, les ions sont hydratés par (généralement) six molécules d’eau disposées octaédralement.

Magnétisme

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, les états de spin élevé et de spin bas sont possibles. Les complexes de métaux de transition tétraédriques tels que 2-
ont un spin élevé car la division du champ cristallin est faible, de sorte que l’énergie à gagner du fait que les électrons se trouvent dans des orbitales d’énergie inférieure est toujours inférieure à l’énergie nécessaire pour apparier les spins. Certains composés sont diamagnétiques. Ceux-ci incluent les complexes octaédriques, à faible spin, d6 et d8 plan carré. Dans ces cas, la division du champ cristallin est telle que 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 et l’alliage alnico sont des exemples de matériaux ferromagnétiques impliquant des métaux de transition. L’anti-ferromagnétisme est un autre exemple de propriété magnétique résultant d’un alignement particulier de spins individuels à l’état solide.

Propriétés catalytiques

Les métaux de transition et leurs composés sont connus pour leur activité catalytique homogène et hétérogène. Cette activité est attribuée à leur capacité à adopter de multiples états d’oxydation et à former des complexes. L’oxyde de vanadium (V) (dans le procédé de contact), le fer finement divisé (dans le procédé Haber) et le nickel (dans l’hydrogénation catalytique) sont quelques-uns des exemples. Les catalyseurs à surface solide (catalyseurs à base de nanomatériaux) impliquent la formation de liaisons entre les molécules de réactifs et les atomes de la surface du catalyseur (les métaux de transition de la première rangée utilisent des électrons 3d et 4s pour la liaison). Ceci a pour effet d’augmenter la concentration des réactifs à la surface du catalyseur et également d’affaiblir les liaisons dans les molécules réactives (l’énergie d’activation est abaissée). De plus, parce que les ions de métaux de transition peuvent changer leurs états d’oxydation, ils deviennent plus efficaces en tant que catalyseurs.

Un type de catalyse intéressant se produit lorsque les produits d’une réaction catalysent la réaction produisant plus de catalyseur (autocatalyse). Un exemple est la réaction de l’acide oxalique avec du permanganate de potassium acidifié (ou manganate (VII)). Une fois qu’un peu de Mn2+ a été produit, il peut réagir avec MnO4 – formant Mn3+. Celui−ci réagit alors avec les ions C2O4- formant à nouveau Mn2+.

Propriétés physiques

Comme son nom l’indique, tous les métaux de transition sont des métaux et donc 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 pleines d empêchent la liaison d-d, ce qui tend à nouveau à les différencier des métaux de transition acceptés. Le mercure a un point de fusion de -38,83 ° C (-37,89 ° F) et est un liquide à température ambiante.