métaux - chimie. 1 PRÉSENTATION métaux, corps simples, solides cristallins, caractérisés par une importante conductivité thermique et électrique, un éclat « métallique « et une tendance très nette à former des cations. En général, ils sont ductiles aux températures ambiantes et opaques, sauf sous la forme de films extrêmement minces. Dans la classification périodique, les métaux et les non-métaux sont séparés par une diagonale, les éléments situés à gauche de cette diagonale étant les métaux. À l'exception de l'aluminium, les éléments les plus proches de la diagonale, les métalloïdes (le bore, le silicium, le germanium, l'arsenic, l'antimoine, le tellure, le polonium et l'astate) présentent des propriétés métalliques et des propriétés non métalliques. 2 CLASSIFICATION On peut classer les métaux en plusieurs catégories : les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition. Les métaux alcalins sont les éléments de la colonne Ia de la classification périodique, à l'exception de l'hydrogène (de symbole H). Ce sont les métaux les plus électropositifs -- c'est-à-dire qui ont le plus tendance à former des cations -- et les plus chimiquement réactifs. Les métaux alcalino-terreux, éléments de la colonne IIa, ont des propriétés plus atténuées que celles des précédents. Les métaux de transition, ou éléments de transition, sont situés entre les colonnes IIa et IIIa de la classification périodique. Les métaux les plus connus sont l'aluminium, l'argent, le baryum, le béryllium, le bismuth, le cadmium, le calcium, le cérium, le chrome, le cobalt, le cuivre, l'étain, le fer, le lithium, le magnésium, le manganèse, le mercure, le molybdène, le nickel, l'or, le palladium, le platine, le plomb, le potassium, le radium, le sodium, le titane, le tungstène, l'uranium, le vanadium et le zinc. Les métaux peuvent se combiner les uns avec les autres, ainsi qu'avec d'autres éléments. Ils forment alors des composés ou des solutions solides. Un alliage est un produit métallique obtenu par incorporation d'un ou de plusieurs éléments à un métal. Les alliages du mercure avec d'autres métaux sont appelés amalgames. 3 ÉLABORATION On distingue quatre grandes classes de métaux en fonction de leur mode de préparation. Les alliages ferreux, issus de la sidérurgie, constituent de loin le secteur industriel le plus important, tant historiquement qu'en volume produit. Viennent ensuite les métallurgies de l'aluminium, du zinc, du cuivre ainsi que de leurs alliages. Les autres métaux ont une utilisation plus limitée, et sont souvent obtenus comme sous-produits lors de la préparation des précédents. Voir aussi Métallurgie. Trois sources alimentent l'industrie métallurgique : les mines, la récupération et les nodules polymétalliques sous-marins déposés à plusieurs milliers de mètres de profondeur, et dont l'exploitation est donc très coûteuse. Composés de métaux à l'état natif, ils ne nécessitent pas de traitement complexe et sont de plus très riches en métaux rares, d'un grand intérêt économique. Les métaux de récupération présentent aussi l'avantage d'un traitement simplifié, une simple refonte étant parfois suffisante, mais les frais de collecte et de tri restent encore élevés. La principale source d'approvisionnement reste donc le traitement des minerais naturels. Les métaux se trouvent dans les sols, généralement sous forme de mélanges d'oxydes plus ou moins dispersés dans une gangue rocheuse principalement constituée de silicates. On trouve certains métaux en faible pourcentage sous forme native. Il faut tout d'abord extraire ces minerais et les purifier pour ne garder que la fraction la plus riche en métal à produire. Cela s'effectue en plusieurs étapes, spécifiques à chaque mode de production et souvent liées au type de minerai. Ainsi, on peut soumettre les minerais à des transformations physiques (concassage, criblage, homogénéisation) ou chimiques. Ces dernières permettent d'obtenir les différents composés sous une forme plus réactive. En général, on dissout ou on fait fondre préférentiellement l'une des fractions (fraction métallique ou impuretés) pour la séparer de l'autre. À ce stade, le métal se trouve encore sous une forme oxydée ; il faut donc le réduire pour l'obtenir sous forme métallique. Cette étape, également très complexe et dépendant du minerai considéré, peut être soit thermique -- réduction des oxydes de fer par le carbone dans les hauts-fourneaux -- soit chimique -- réduction électrolytique de l'alumine (Al2O3) pour préparer l'aluminium. Les métaux obtenus doivent être affinés, c'est-à-dire débarrassés des autres impuretés métalliques. De nombreuses techniques de purification existent : séries d'oxydoréductions (aciers), affinage électrolytique (aluminium, cuivre, zinc), distillations, liquations (mercure, plomb, zinc), etc. On prépare ensuite les alliages dont la composition extrêmement précise dépend des propriétés recherchées : tenue mécanique, résistance thermique, conduction électrique, résistance à la corrosion, densité, etc. Enfin, les dernières étapes sont en général des étapes de mise en forme : coulées, moulages, forgeage, laminage, tréfilage, emboutissages, pliages poinçonnage, etc. 4 PROPRIÉTÉS 4.1 Propriétés physiques Les propriétés des métaux sont très variables. La plupart ont une couleur proche du gris ; le bismuth est rosâtre, le cuivre est rouge et l'or est jaune. Certains métaux apparaissent sous plusieurs couleurs, propriété appelée polychromie. Les températures de fusion des métaux varient d'environ - 40 °C pour le mercure à 3 410 °C pour le tungstène. L'iridium, de densité égale à 22,4, est le plus dense des métaux ; le lithium, avec une densité de 0,53, est le moins dense. La majorité des métaux cristallisent dans les systèmes cubiques, mais certains adoptent les systèmes hexagonaux et tétragonaux (voir Cristal). Aux températures ordinaires, le bismuth a la plus faible conductivité électrique de tous les éléments métalliques et l'argent a la plus élevée. La conductivité de la plupart des métaux est abaissée par l'incorporation d'impuretés et dans les alliages. La conductivité thermique des métaux, liée au même mécanisme que la conductivité électrique, est également élevée. Tous les métaux se dilatent par chauffage et se contractent par refroidissement, mais certains alliages, comme ceux du platine et de l'iridium, ont des coefficients de dilatation extrêmement faibles. Les métaux sont en général très solides, résistent aux différentes contraintes qu'ils peuvent subir et sont caractérisés par des propriétés comme la dureté (résistance aux déformations de surface et à l'abrasion), la résistance à la traction, la résistance à la rupture, l'élasticité (aptitude à reprendre la forme initiale après une déformation), la malléabilité (aptitude à être mis en forme par martelage), la résistance à la fatigue (aptitude à résister à des contraintes répétées), la résilience (aptitude à résister à un choc) et la ductilité (aptitude à subir des déformations sans rupture). Voir Matériaux, science et technologie des. 4.2 Propriétés chimiques En général, les métaux ont de bas potentiels d'ionisation (ils réagissent facilement en perdant des électrons pour former des ions positifs, ou cations), et ont ainsi des valences positives. Agents réducteurs (donneurs d'électrons), ils forment facilement des sels (chlorures, sulfures et carbonates, par exemple), et ils ont tendance à former des oxydes basiques. 4.3 Structure électronique La structure électronique des métaux, responsable de leurs propriétés spécifiques, est très particulière. On doit faire appel à la mécanique quantique pour l'expliquer. En 1928, Arnold Sommerfeld supposa que, dans les métaux, les électrons se trouvent sous une forme quantifiée, les bas niveaux d'énergie électronique disponibles étant pratiquement tous occupés (voir Quantique, théorie). La même année, Félix Bloch et, plus tard, Louis Brillouin reprirent cette idée de quantification et établirent la « théorie des bandes «, qui s'applique non seulement aux métaux, mais aussi aux isolants et aux semi-conducteurs (voir Solides, physique des). Lorsque l'on étudie la distribution de l'énergie des électrons d'un solide, on observe qu'elle se répartit sur plusieurs bandes d'énergie permise, séparées par des bandes « interdites «. Les électrons de plus basse énergie correspondent aux orbitales de coeur des atomes individuels et ne participent pas à la liaison métallique. Seuls les électrons de valence des atomes (dernière couche électronique, de plus haute énergie) sont mis en commun et forment des liaisons délocalisées sur l'intégralité de l'échantillon métallique. Il y a autant d'orbitales « macroscopiques « que d'orbitales atomiques de départ, chacune contenant deux électrons. Selon le principe d'exclusion de Pauli, elles ne peuvent pas avoir strictement la même énergie, aussi se répartissent-elles en bandes d'énergie proche de celle des orbitales atomiques de départ. Ces orbitales se remplissent dans l'ordre du plus bas au plus haut niveau d'énergie jusqu'à épuisement du nombre d'électrons disponibles. C'est le taux de remplissage de la dernière bande, dite bande de conduction, qui détermine la nature isolante ou conductrice du solide : lorsque cette bande est totalement remplie ou totalement vide, les électrons ne peuvent pas changer d'état et le matériau est isolant. Dans le cas des métaux, la bande de conduction est partiellement remplie ; les électrons peuvent changer de niveau d'énergie -- à l'intérieur d'une même bande -- par simple agitation thermique, et aller occuper un état d'énergie très proche, mais encore inoccupé. Les électrons sont « libres « d'accroître leur énergie sous l'effet d'un champ électrique extérieur ou bien de l'agitation thermique (conduction thermique). La théorie des bandes permet d'expliquer de nombreuses autres propriétés des métaux, comme l'énergie de cohésion, le module d'élasticité, la compressibilité, les propriétés optiques et magnétiques, certaines propriétés thermodynamiques. 5 UTILISATIONS Tous les secteurs d'activités utilisent les métaux : la construction, où on les emploie comme matériaux de structure (poutres, renforts dans le béton armé), jusqu'aux conducteurs électriques en films minces dans les circuits électroniques, en passant par les transports (rails et caténaires, moteurs thermiques en fonte, bobinage des moteurs électriques, carénage des navires, fuselage des avions et des fusées, structure des véhicules terrestres), mais aussi le mobilier, les revêtements, etc. Notons également que certains oxydes métalliques trouvent une utilisation en tant que pigments, ou bien en revêtements de surface, et enfin que certains métaux, à l'état de traces (oligo-éléments) sont indispensables au métabolisme des êtres vivants. Cependant, en grande quantité, ces derniers sont toxiques pour l'organisme, dans lequel ils s'accumulent. Par exemple, le plomb ou le mercure, ainsi que tous les métaux lourds, sont responsables du saturnisme. Voir aussi Métal, art du ; Métallographie ; Solides, physique des. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.
