Règle des 18 électrons pour les composés organométalliques
Contexte : L'Équivalent de la Règle de l'Octet pour les Métaux
Tout comme les éléments du bloc p tendent à atteindre une configuration à 8 électrons de valence (règle de l'octet), de nombreux complexes de métaux de transition sont particulièrement stables lorsqu'ils atteignent une configuration à 18 électrons de valence. La règle des 18 électrons stipule qu'un complexe est thermodynamiquement stable si la somme des électrons de valence du métal et des électrons donnés par les ligands est égale à 18. Ce nombre correspond au remplissage complet des orbitales de valence du métal (une orbitale s, trois orbitales p, et cinq orbitales d). Le décompte des électrons est un outil prédictif puissant pour comprendre la stabilité et la réactivité des composés organométalliques, qui sont au cœur de la catalyse moderne.
Remarque Pédagogique : Il existe deux méthodes principales pour compter les électrons : le modèle du ligand neutre et le modèle ionique. Les deux mènent au même résultat final. Nous utiliserons ici le modèle du ligand neutre, qui est souvent plus simple : on considère le métal à l'état d'oxydation 0 et on compte les électrons que chaque ligand neutre apporterait.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre l'origine et la signification de la règle des 18 électrons.
- Connaître le nombre d'électrons donnés par les ligands courants.
- Appliquer le modèle du ligand neutre pour calculer le nombre total d'électrons de valence.
- Prédire la stabilité d'un complexe organométallique sur la base de son nombre d'électrons.
Données de l'étude
Complexes à Étudier
Complexe 1 : Fer pentacarbonyle, \(\text{Fe(CO)}_5\)
Complexe 2 : Ferrocène, \([\text{Fe(C}_5\text{H}_5)_2]\)
- Le Fer (Fe) est dans le groupe 8 du tableau périodique.
- Le ligand carbonyle (CO) est un donneur de 2 électrons.
- Le ligand cyclopentadiényle (\(\text{C}_5\text{H}_5\), ou Cp) est un donneur de 5 électrons.
Questions à traiter
- Calculer le nombre d'électrons de valence pour \(\text{Fe(CO)}_5\).
- Calculer le nombre d'électrons de valence pour le ferrocène, \([\text{Fe(C}_5\text{H}_5)_2]\).
Correction : Règle des 18 électrons pour les composés organométalliques
Question 1 : Décompte pour \(\text{Fe(CO)}_5\)
Principe :
En utilisant le modèle du ligand neutre, on additionne le nombre d'électrons de valence de l'atome métallique neutre (son numéro de groupe) et le nombre d'électrons donnés par chaque ligand neutre.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : Il est essentiel de connaître le nombre d'électrons que donne chaque ligand. Les ligands les plus courants comme CO, les phosphines (PR₃) ou les amines (NR₃) sont des donneurs de 2 électrons. Les halogènes (X) sont des donneurs de 1 électron.
Formule(s) utilisée(s) :
Donnée(s) :
- Métal : Fer (Fe), Groupe 8 \(\rightarrow\) 8 e⁻ de valence.
- Ligands : 5 \(\times\) CO. Chaque CO est un donneur de 2 e⁻.
Calcul(s) :
Points de vigilance :
Ne pas confondre charge et don d'électrons. Un ligand comme \(\text{Cl}\) est un donneur de 1 électron dans le modèle du ligand neutre, même si l'ion chlorure \(\text{Cl}^-\) a une charge de -1. Il faut bien mémoriser le nombre d'électrons donnés par chaque type de ligand.
Le saviez-vous ?
Question 2 : Décompte pour le Ferrocène \([\text{Fe(C}_5\text{H}_5)_2]\)
Principe :
Le ferrocène est un "complexe sandwich". Le ligand cyclopentadiényle (Cp) est considéré comme un radical neutre \(\text{C}_5\text{H}_5\bullet\) dans le modèle du ligand neutre. Il possède 5 électrons π et donne donc 5 électrons au métal.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : Les ligands polyhaptiques comme le Cp sont courants. L'hapticité (notée η) indique le nombre d'atomes du ligand qui sont directement liés au métal. Pour le ferrocène, les deux ligands Cp sont \(\eta^5\), signifiant que les 5 carbones du cycle interagissent avec le métal.
Formule(s) utilisée(s) :
Donnée(s) :
- Métal : Fer (Fe), Groupe 8 \(\rightarrow\) 8 e⁻ de valence.
- Ligands : 2 \(\times\) Cp. Chaque Cp est un donneur de 5 e⁻.
Calcul(s) :
Points de vigilance :
Modèle ionique vs neutre : Dans le modèle ionique, on considère le ligand comme l'anion cyclopentadiényle \(\text{Cp}^-\), un donneur de 6e⁻. Pour équilibrer les charges, le fer serait Fe(II), un d⁶. Le total serait \(6 + (2 \times 6) = 18\). Le résultat est le même, mais il faut être cohérent dans le modèle choisi.
Le saviez-vous ?
Pratique Interactive : Décompte d'Électrons
Pour le complexe ci-dessous, calculez le nombre total d'électrons de valence.
Défi : \(\text{Cr(CO)}_6\) (Chrome, Groupe 6)
Pour Aller Plus Loin : Exceptions à la Règle
Quand 18 n'est pas le nombre magique : De nombreux complexes stables ne respectent pas la règle des 18 électrons. C'est notamment le cas des complexes plan-carrés des métaux d⁸ (comme le Pt(II) ou le Rh(I)), qui sont stables avec 16 électrons. L'éclatement énergétique est tel que la 9ème orbitale (une orbitale d) est de très haute énergie et reste vide. Les complexes des métaux du début de la série de transition (ex: Ti, V) ont souvent moins de 18 électrons car ils n'ont tout simplement pas assez d'électrons pour atteindre 18, même avec de nombreux ligands.
Le Saviez-Vous ?
La règle des 18 électrons est cruciale pour comprendre les mécanismes catalytiques. De nombreux cycles catalytiques (hydroformylation, hydrogénation) impliquent une série d'étapes où le complexe métallique passe alternativement d'un état stable à 18 électrons à un intermédiaire réactif à 16 électrons, puis revient à 18 électrons, facilitant ainsi la transformation des substrats.
Foire Aux Questions (FAQ)
Comment compter les électrons pour un pont ?
Un ligand pontant, qui se lie à deux métaux, est généralement considéré comme donnant la moitié de ses électrons à chaque métal. Par exemple, un ligand carbonyle pontant (μ-CO) est souvent compté comme un donneur de 1 électron pour chaque centre métallique.
Et pour la charge du complexe ?
Si l'ion complexe est chargé, il faut ajuster le compte total. Pour un cation, on soustrait la charge du total. Pour un anion, on l'ajoute. Par exemple, pour \([\text{Mn(CO)}_6]^+\), le calcul serait : 7 (pour Mn) + 6x2 (pour CO) - 1 (pour la charge +) = 18 électrons.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Combien d'électrons de valence possède le complexe \(\text{V(CO)}_6\)? (V est dans le groupe 5)
2. Un complexe stable à 16 électrons est souvent de géométrie :
Glossaire
- Règle des 18 électrons
- Principe empirique stipulant que les complexes organométalliques stables ont tendance à avoir un total de 18 électrons de valence (électrons du métal + électrons des ligands).
- Composé Organométallique
- Composé contenant au moins une liaison directe entre un atome de carbone et un atome de métal.
- Modèle du Ligand Neutre
- Méthode de comptage d'électrons où le métal et les ligands sont considérés comme des entités neutres.
- Hapticité (η)
- Nombre d'atomes d'un ligand qui sont directement liés à un centre métallique.
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