Sciences · Chimie
Les métaux
Les métaux sont des éléments brillants, bons conducteurs de la chaleur et de l’électricité, malléables et ductiles. Ils représentent plus des trois quarts des éléments : fer, cuivre, aluminium, or…
Mis à jour le 5 min de lecture
Du cuivre des premiers outils au lithium des batteries, en passant par le bronze, le fer et l’acier, les métaux ont rythmé l’histoire humaine au point de donner leur nom à des époques entières. Sur les 118 éléments connus, plus de 90 sont des métaux, et la plupart des objets techniques en contiennent.
Les propriétés des métaux
| Propriété | Signification | Exemple |
|---|---|---|
| Éclat métallique | surface brillante qui réfléchit la lumière | argent poli, chrome |
| Conductivité électrique | laisse passer le courant | fils de cuivre, lignes en aluminium |
| Conductivité thermique | transmet bien la chaleur | casseroles, radiateurs |
| Malléabilité | se déforme en feuilles sans se rompre | feuilles d’or épaisses d’environ un dixième de micromètre |
| Ductilité | s’étire en fils | fil de cuivre |
| Ténacité | résiste aux chocs | acier de construction |
| Réactivité | forme des cations, s’oxyde | rouille du fer, ternissement de l’argent |
Les non-métaux (oxygène, azote, soufre, carbone…) ont en général les propriétés inverses : ternes, isolants, cassants à l’état solide. Entre les deux, les métalloïdes (silicium, germanium, arsenic…) ont des propriétés intermédiaires ; le silicium est un semi-conducteur, base de l’électronique.
La liaison métallique
Dans un métal, les atomes cèdent leurs électrons externes à un « nuage » ou « gaz d’électrons » commun, qui circule librement entre des cations fixés aux nœuds d’un réseau cristallin. Ce modèle explique :
- la conductivité : les électrons libres transportent le courant et la chaleur ;
- l'éclat : ils réfléchissent la lumière ;
- la malléabilité : les plans d’atomes peuvent glisser les uns sur les autres sans que la cohésion soit rompue, car le nuage d’électrons suit.
Voir liaisons chimiques.
Les familles de métaux dans le tableau périodique
| Famille | Position | Exemples | Caractéristiques |
|---|---|---|---|
| Alcalins | colonne 1 (sauf l’hydrogène) | lithium, sodium, potassium | mous, très réactifs, réagissent violemment avec l’eau |
| Alcalino-terreux | colonne 2 | magnésium, calcium | réactifs, légers |
| Métaux de transition | colonnes 3 à 12 | fer, cuivre, zinc, nickel, or, argent, platine, titane | durs, souvent colorés en solution, nombreux usages |
| Métaux pauvres | à droite des métaux de transition | aluminium, étain, plomb | plus mous, fondent plus bas |
| Lanthanides | ligne séparée | néodyme, europium | principaux éléments des « terres rares » |
| Actinides | ligne séparée | uranium, plutonium | tous radioactifs |
Voir tableau périodique pour la lecture complète.
Autres classements courants
- Métaux ferreux (fer, fonte, acier) et non ferreux (aluminium, cuivre, zinc…).
- Métaux précieux : or, argent, platine, palladium, rares et peu oxydables.
- Métaux lourds : expression sans définition chimique stricte, désignant des métaux denses et toxiques à faible dose (plomb, mercure, cadmium, arsenic).
- Métaux critiques ou stratégiques : lithium, cobalt, terres rares, indispensables aux batteries, aux aimants d’éoliennes et à l’électronique.
Les records des métaux
| Record | Métal | Valeur |
|---|---|---|
| Seul métal liquide à température ambiante | mercure | fusion à −38,8 °C |
| Plus haute température de fusion | tungstène | 3 422 °C |
| Plus léger (moins dense) | lithium | 0,534 g/cm³, flotte sur l’eau |
| Plus dense | osmium | 22,59 g/cm³ |
| Meilleur conducteur électrique et thermique | argent | devant le cuivre et l’or |
| Plus malléable et ductile | or | 1 g d’or peut être étiré en un fil de plus de 2 km |
| Plus abondant dans la croûte terrestre | aluminium | environ 8 % de sa masse |
| Plus utilisé | fer (sous forme d’acier) | environ 1,9 milliard de tonnes d’acier par an |
Le césium et le gallium fondent eux aussi à peine au-dessus de la température ambiante (respectivement 28 °C et 30 °C) : un morceau de gallium fond dans la main.
Les alliages
Un alliage est un mélange d’un métal avec d’autres éléments, qui améliore ses propriétés (dureté, résistance à la corrosion, couleur).
| Alliage | Composition principale | Propriétés et usages |
|---|---|---|
| Acier | fer + moins de 2 % de carbone | dur, tenace : construction, outils, véhicules |
| Fonte | fer + 2 à 6,7 % de carbone | se moule bien, cassante : radiateurs, plaques d’égout |
| Acier inoxydable | fer + au moins 10,5 % de chrome (souvent du nickel) | résiste à la rouille : couverts, cuves, chirurgie |
| Bronze | cuivre + étain | dur, résistant : statues, cloches, médailles |
| Laiton | cuivre + zinc | doré, facile à usiner : robinetterie, instruments de musique |
| Duralumin | aluminium + cuivre + magnésium | léger et résistant : aéronautique |
| Or 18 carats | 75 % d’or + argent, cuivre | plus dur que l’or pur (24 carats) : bijouterie |
| Amalgame | mercure + autre métal | ancien usage dentaire |
La corrosion
La plupart des métaux réagissent avec l’oxygène et l’eau : c’est la corrosion, une oxydoréduction. La rouille du fer est poreuse et s’effrite, laissant l’attaque se poursuivre en profondeur. L’aluminium, au contraire, se couvre d’une fine couche d’alumine imperméable qui le protège : c’est la passivation. On protège le fer par la peinture, la galvanisation (dépôt de zinc) ou l’ajout de chrome.
Les métaux nobles (or, platine) ne s’oxydent pratiquement pas, c’est pourquoi on les trouve à l’état natif dans la nature. La plupart des autres sont extraits de minerais (oxydes, sulfures) par réduction : au haut-fourneau pour le fer, par électrolyse pour l’aluminium.
Les métaux dans l’histoire
| Période | Repères |
|---|---|
| Âge du cuivre (chalcolithique) | à partir du Ve millénaire av. J.-C. au Proche-Orient |
| Âge du bronze | vers 3000 av. J.-C. au Proche-Orient, plus tard en Europe |
| Âge du fer | vers 1200 av. J.-C. au Proche-Orient, généralisé en Europe au Ier millénaire av. J.-C. |
| Révolution industrielle | essor de la fonte et de l’acier (procédé Bessemer, 1856) |
| XXe siècle | aluminium, titane, métaux pour l’électronique |
Les dates varient beaucoup selon les régions. Voir aussi Paléolithique et Néolithique.
Les métaux et le corps
Plusieurs métaux sont indispensables à la vie, en petites quantités : le fer (hémoglobine), le zinc, le cuivre, le magnésium, le calcium, le sodium et le potassium. D’autres sont toxiques même à faible dose, comme le plomb (saturnisme), le mercure ou le cadmium.
Recyclage
Les métaux se recyclent indéfiniment sans perdre leurs propriétés. Recycler l’aluminium économise environ 95 % de l’énergie nécessaire à sa production à partir de la bauxite. L’acier est le matériau le plus recyclé au monde.
Questions fréquentes
Combien y a-t-il de métaux dans le tableau périodique ?
Environ 95 des 118 éléments, selon la manière dont on classe les métalloïdes et certains éléments superlourds mal connus.
Le mercure est-il un métal ?
Oui. C’est le seul métal liquide à température et pression ordinaires. Il conduit l’électricité et a l’éclat métallique.
Pourquoi les métaux conduisent-ils l’électricité ?
Parce que leurs électrons externes ne sont pas attachés à un atome précis mais circulent librement dans tout le métal : ils peuvent transporter un courant.
Quelle est la différence entre fer et acier ?
L’acier est un alliage de fer et d’un peu de carbone (moins de 2 %). Le carbone le rend beaucoup plus dur et résistant que le fer pur.