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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

PropriétéSignificationExemple
Éclat métalliquesurface brillante qui réfléchit la lumièreargent poli, chrome
Conductivité électriquelaisse passer le courantfils de cuivre, lignes en aluminium
Conductivité thermiquetransmet bien la chaleurcasseroles, radiateurs
Malléabilitése déforme en feuilles sans se romprefeuilles d’or épaisses d’environ un dixième de micromètre
Ductilités’étire en filsfil de cuivre
Ténacitérésiste aux chocsacier de construction
Réactivitéforme des cations, s’oxyderouille 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

FamillePositionExemplesCaractéristiques
Alcalinscolonne 1 (sauf l’hydrogène)lithium, sodium, potassiummous, très réactifs, réagissent violemment avec l’eau
Alcalino-terreuxcolonne 2magnésium, calciumréactifs, légers
Métaux de transitioncolonnes 3 à 12fer, cuivre, zinc, nickel, or, argent, platine, titanedurs, souvent colorés en solution, nombreux usages
Métaux pauvresà droite des métaux de transitionaluminium, étain, plombplus mous, fondent plus bas
Lanthanidesligne séparéenéodyme, europiumprincipaux éléments des « terres rares »
Actinidesligne séparéeuranium, plutoniumtous 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

RecordMétalValeur
Seul métal liquide à température ambiantemercurefusion à −38,8 °C
Plus haute température de fusiontungstène3 422 °C
Plus léger (moins dense)lithium0,534 g/cm³, flotte sur l’eau
Plus denseosmium22,59 g/cm³
Meilleur conducteur électrique et thermiqueargentdevant le cuivre et l’or
Plus malléable et ductileor1 g d’or peut être étiré en un fil de plus de 2 km
Plus abondant dans la croûte terrestrealuminiumenviron 8 % de sa masse
Plus utiliséfer (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).

AlliageComposition principalePropriétés et usages
Acierfer + moins de 2 % de carbonedur, tenace : construction, outils, véhicules
Fontefer + 2 à 6,7 % de carbonese moule bien, cassante : radiateurs, plaques d’égout
Acier inoxydablefer + au moins 10,5 % de chrome (souvent du nickel)résiste à la rouille : couverts, cuves, chirurgie
Bronzecuivre + étaindur, résistant : statues, cloches, médailles
Laitoncuivre + zincdoré, facile à usiner : robinetterie, instruments de musique
Duraluminaluminium + cuivre + magnésiumléger et résistant : aéronautique
Or 18 carats75 % d’or + argent, cuivreplus dur que l’or pur (24 carats) : bijouterie
Amalgamemercure + autre métalancien 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

PériodeRepères
Âge du cuivre (chalcolithique)à partir du Ve millénaire av. J.-C. au Proche-Orient
Âge du bronzevers 3000 av. J.-C. au Proche-Orient, plus tard en Europe
Âge du fervers 1200 av. J.-C. au Proche-Orient, généralisé en Europe au Ier millénaire av. J.-C.
Révolution industrielleessor de la fonte et de l’acier (procédé Bessemer, 1856)
XXe sièclealuminium, 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.

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