Etude de Chimie

Calcul du nombre d’oxydation des métaux

Chimie Inorganique : Calcul du Nombre d'Oxydation

Calcul du nombre d'oxydation des métaux de transition

Contexte : La Flexibilité Électronique des Métaux de Transition

Le nombre d'oxydationCharge hypothétique qu'un atome aurait si toutes ses liaisons avec des atomes d'éléments différents étaient 100% ioniques. (ou état d'oxydation) est un concept fondamental en chimie qui permet de suivre le mouvement des électrons dans les réactions chimiques. Pour les métaux de transition, cette notion est particulièrement importante car ils peuvent exister sous de multiples états d'oxydation, ce qui est à l'origine de leur riche chimie de coordination et de leur rôle crucial en catalyse. Déterminer correctement le nombre d'oxydation du métal central dans un complexe de coordinationStructure constituée d'un atome ou ion central (généralement un métal) lié à un ensemble de molécules ou d'ions appelés ligands. est la première étape indispensable pour comprendre sa structure électronique, sa réactivité et ses propriétés.

Remarque Pédagogique : Le calcul du nombre d'oxydation est un jeu de comptabilité simple basé sur un principe de base : la somme des nombres d'oxydation de tous les atomes dans une molécule ou un ion doit être égale à la charge globale de cette espèce.

Objectifs Pédagogiques

  • Connaître la charge des ligands courants (neutres et anioniques).
  • Déterminer la charge globale d'un ion complexe.
  • Appliquer la règle de neutralité électrique pour calculer un nombre d'oxydation inconnu.
  • Utiliser le nombre d'oxydation pour déterminer le nombre d'électrons d d'un ion métallique.

Données de l'étude

On cherche à déterminer le nombre d'oxydation (N.O.) du métal central dans les complexes suivants :

Complexes à Étudier

Complexe 1 : \(\text{K}_4[\text{Fe(CN)}_6]\)

Complexe 2 : \([\text{Cr(NH}_3)_4\text{Cl}_2]\text{Cl}\)

Questions à traiter

  1. Déterminer le nombre d'oxydation du fer dans \(\text{K}_4[\text{Fe(CN)}_6]\).
  2. Déterminer le nombre d'oxydation du chrome dans \([\text{Cr(NH}_3)_4\text{Cl}_2]\text{Cl}\).
  3. Quel est le nombre d'électrons d de l'ion \(\text{Cr}^{n+}\) dans le complexe 2 (sachant que Cr est dans la colonne 6, configuration \([Ar] 3d^5 4s^1\)) ?

Correction : Calcul du nombre d'oxydation des métaux de transition

Question 1 : N.O. du Fer dans \(\text{K}_4[\text{Fe(CN)}_6]\)

Principe :
Charge totale = 0 4 x K⁺ + [Fe(CN)₆]⁴⁻ (+4) (-4)

Le composé global est électriquement neutre. On détermine d'abord la charge des contre-ions (ici, les ions potassium \(\text{K}^+\)). La charge de l'ion complexe doit être égale et opposée. Ensuite, on utilise la charge de l'ion complexe et la charge connue des ligands pour déduire le nombre d'oxydation du métal central.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : La première étape est toujours d'identifier ce qui est à l'intérieur des crochets (l'ion complexe) et ce qui est à l'extérieur (les contre-ions). La somme des charges doit toujours faire zéro pour le composé global.

Formule(s) / Règles :
\[ \text{N.O.}_{\text{métal}} + \sum (\text{charge des ligands}) = \text{Charge de l'ion complexe} \]
Donnée(s) :
  • Formule : \(\text{K}_4[\text{Fe(CN)}_6]\)
  • Charge du contre-ion : \(\text{K}^+\) a une charge de +1.
  • Charge du ligand : \(\text{CN}^-\) (cyano) a une charge de -1.
Calcul(s) :

1. Charge de l'ion complexe : Il y a 4 ions \(\text{K}^+\), soit une charge totale de +4. Pour que le composé soit neutre, l'ion complexe \([\text{Fe(CN)}_6]\) doit avoir une charge de -4.

2. Calcul du N.O. du Fer (x) :

\[ \begin{aligned} x + (6 \times -1) &= -4 \\ x - 6 &= -4 \\ x &= +2 \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Nom latin du métal : Pour certains métaux dans des complexes anioniques, on utilise une racine latine : Fer \(\rightarrow\) ferrate, Cuivre \(\rightarrow\) cuprate, Or \(\rightarrow\) aurate, Argent \(\rightarrow\) argentate, Plomb \(\rightarrow\) plombate.

Le saviez-vous ?

Le bleu de Prusse, le premier pigment synthétique moderne, est un complexe de coordination contenant du fer dans deux états d'oxydation différents : +II et +III. Sa formule est approximativement \(\text{Fe}_4[\text{Fe(CN)}_6]_3\). La couleur bleue intense est due à un transfert d'électron entre les deux centres de fer de charges différentes, un phénomène appelé "transfert de charge à intervalence".

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi le nom des ligands anioniques se termine-t-il par "-o" ?

C'est une convention IUPAC pour distinguer clairement les ligands anioniques des anions libres. Ainsi, \(\text{Cl}^-\) est l'ion "chlorure", mais en tant que ligand, il devient "chloro". De même, \(\text{SO}_4^{2-}\) est l'ion "sulfate", mais le ligand est "sulfato".

Résultat : Le nombre d'oxydation du fer est +II.

Question 2 : N.O. du Chrome dans \([\text{Cr(NH}_3)_4\text{Cl}_2]\text{Cl}\)

Principe :
Charge totale = 0 [Cr(NH₃)₄Cl₂]⁺ + Cl⁻ (+1) (-1)

La logique est la même. On identifie la charge du contre-ion (ici, un \(\text{Cl}^-\) à l'extérieur) pour déduire la charge de l'ion complexe. Ensuite, on utilise la charge des ligands à l'intérieur des crochets pour trouver le nombre d'oxydation du chrome.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Il faut bien distinguer les ligands (à l'intérieur des crochets) des contre-ions (à l'extérieur). Ici, il y a des ions chlorure qui jouent les deux rôles : deux ligands "chloro" et un contre-ion "chlorure".

Formule(s) / Règles :
\[ \text{N.O.}_{\text{métal}} + \sum (\text{charge des ligands}) = \text{Charge de l'ion complexe} \]
Donnée(s) :
  • Formule : \([\text{Cr(NH}_3)_4\text{Cl}_2]\text{Cl}\)
  • Charge du contre-ion : \(\text{Cl}^-\) a une charge de -1.
  • Charge des ligands : \(\text{NH}_3\) (ammine) est neutre (0), \(\text{Cl}^-\) (chloro) est -1.
Calcul(s) :

1. Charge de l'ion complexe : Le contre-ion \(\text{Cl}^-\) a une charge de -1. L'ion complexe \([\text{Cr(NH}_3)_4\text{Cl}_2]\) doit donc avoir une charge de +1.

2. Calcul du N.O. du Chrome (x) :

\[ \begin{aligned} x + (4 \times 0) + (2 \times -1) &= +1 \\ x - 2 &= +1 \\ x &= +3 \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Ne pas confondre les ligands et les contre-ions. Seuls les groupes à l'intérieur des crochets sont des ligands et sont pris en compte pour le calcul de la charge du complexe. Les espèces à l'extérieur sont des contre-ions qui servent uniquement à déterminer la charge globale du complexe.

Le saviez-vous ?

Les complexes de Chrome(III) sont connus pour leur grande inertie cinétique, c'est-à-dire que leurs ligands s'échangent très lentement. Cette propriété, combinée à leurs couleurs vives (souvent vert ou violet), en fait des sujets d'étude classiques et visuellement intéressants en laboratoire d'inorganique.

FAQ en rapport avec la question :
Comment savoir si Cl est un ligand ou un contre-ion ?

La règle est simple : tout ce qui est écrit à l'intérieur des crochets `[]` fait partie de l'ion complexe et est considéré comme un ligand lié au métal. Tout ce qui est écrit à l'extérieur des crochets est un contre-ion, présent pour assurer la neutralité de l'édifice cristallin.

Résultat : Le nombre d'oxydation du chrome est +III.

Question 3 : Nombre d'électrons d de \(\text{Cr}^{3+}\)

Principe :
Cr⁰: [Ar] 3d⁵ 4s¹ - 3e⁻ Cr³⁺: [Ar] 3d³

Pour trouver le nombre d'électrons d d'un ion de métal de transition, on part de la configuration électronique de l'atome neutre. Ensuite, on enlève les électrons pour correspondre à l'état d'oxydation. Pour les métaux de transition, on enlève d'abord les électrons de la sous-couche s (la plus externe), puis ceux de la sous-couche d.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : L'ordre de remplissage des orbitales (règle de Klechkowski) n'est pas le même que l'ordre de "vidage". On remplit 4s avant 3d, mais on vide 4s avant 3d. C'est une erreur fréquente !

Donnée(s) :
  • Configuration du Cr neutre : \([Ar] 3d^5 4s^1\)
  • État d'oxydation à atteindre : +3 (ion \(\text{Cr}^{3+}\))
Calcul(s) / Détermination :

Pour former \(\text{Cr}^{3+}\), on doit enlever 3 électrons à partir de \(\text{Cr}^0\).

  1. On enlève d'abord l'électron 4s : \(\text{Cr}^0 \rightarrow \text{Cr}^+ \), la configuration devient \([Ar] 3d^5\).
  2. On enlève ensuite deux électrons de la sous-couche 3d : \(\text{Cr}^+ \rightarrow \text{Cr}^{3+}\), la configuration devient \([Ar] 3d^3\).
Points de vigilance :

Les exceptions de remplissage : Le chrome (et le cuivre) sont des exceptions à la règle de Klechkowski. Ils préfèrent avoir des sous-couches d à moitié ou entièrement remplies, ce qui explique la configuration \(3d^5 4s^1\) plutôt que \(3d^4 4s^2\). Cependant, la règle de "vider s avant d" reste la même.

Le saviez-vous ?

Le nombre d'électrons d est fondamental car ce sont ces électrons qui sont impliqués dans le dédoublement du champ cristallin, déterminant les propriétés magnétiques et la couleur du complexe. Un ion d⁰ ou d¹⁰ sera toujours incolore.

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi vide-t-on les orbitales 4s avant les 3d ?

Bien que l'orbitale 4s soit remplie avant la 3d pour les atomes neutres (car elle est de plus basse énergie), une fois que les orbitales 3d commencent à se remplir, elles "protègent" moins efficacement le noyau. L'attraction du noyau sur les électrons 4s augmente, et leur niveau d'énergie devient légèrement supérieur à celui des 3d. Par conséquent, lors de l'ionisation, les électrons les plus externes et les plus faciles à arracher sont ceux de la 4s.

Résultat : L'ion \(\text{Cr}^{3+}\) a une configuration \(d^3\). Il possède 3 électrons d.

Pratique Interactive : Calcul de l'État d'Oxydation

Pour les complexes suivants, déterminez l'état d'oxydation du métal central (en chiffre, ex: 2, 3, -1).

Défi 1 : \([\text{Pt(NH}_3)_2\text{Cl}_2]\)
Défi 2 : \([\text{Co(en)}_3]^{3+}\) (en = éthylènediamine, neutre)
Rappel des Charges des Ligands
  • Neutres (0) : H₂O (aqua), NH₃ (ammine), CO (carbonyle), en (éthylènediamine)
  • Anioniques (-1) : F⁻ (fluoro), Cl⁻ (chloro), Br⁻ (bromo), I⁻ (iodo), CN⁻ (cyano), OH⁻ (hydroxo)
  • Anioniques (-2) : SO₄²⁻ (sulfato), CO₃²⁻ (carbonato)

Pour Aller Plus Loin : Ligands Non Innocents

Quand les ligands jouent un double jeu : Le modèle simple de charge des ligands fonctionne dans la plupart des cas. Cependant, certains ligands, dits "non-innocents", peuvent exister sous plusieurs formes redox. Par exemple, le ligand nitrosyle (NO) peut être considéré comme NO⁺, NO• (radicalaire) ou NO⁻. Dans ces cas, déterminer l'état d'oxydation du métal devient ambigu et nécessite des techniques spectroscopiques avancées pour être résolu.

Le Saviez-Vous ?

Le bleu de Prusse, le premier pigment synthétique moderne, est un complexe de coordination contenant du fer dans deux états d'oxydation différents : +II et +III. Sa formule est approximativement \(\text{Fe}_4[\text{Fe(CN)}_6]_3\). La couleur bleue intense est due à un transfert d'électron entre les deux centres de fer de charges différentes, un phénomène appelé "transfert de charge à intervalence".

Foire Aux Questions (FAQ)

La somme des N.O. est-elle toujours égale à la charge ?

Oui, c'est la règle fondamentale. Pour un ion, la somme des nombres d'oxydation de tous les atomes doit être égale à la charge de l'ion. Pour une molécule neutre, la somme doit être égale à zéro.

Comment connaître la charge d'un ligand ?

Il faut se baser sur la charge de la molécule ou de l'ion lorsqu'il n'est pas lié au métal. Par exemple, l'ammoniac (NH₃) est une molécule neutre, donc sa charge en tant que ligand est 0. L'ion chlorure (Cl⁻) a une charge de -1, donc sa charge en tant que ligand est -1.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Quel est le nombre d'oxydation du platine dans l'ion \([\text{PtCl}_6]^{2-}\) ?

2. Dans le complexe \([\text{Ni(CO)}_4]\), le nombre d'oxydation du nickel est :

Glossaire

Nombre d'Oxydation
Charge formelle assignée à un atome dans une molécule ou un ion, en supposant que les liaisons sont entièrement ioniques.
Complexe de Coordination
Structure constituée d'un atome ou ion central (généralement un métal) lié à un ensemble de molécules ou d'ions environnants, appelés ligands.
Ligand
Ion ou molécule qui se lie à un atome métallique central en donnant une ou plusieurs paires d'électrons.
Contre-ion
Ion qui accompagne un ion complexe pour assurer la neutralité électrique du composé global.
Calcul du nombre d'oxydation des métaux de transition

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