Composant la majeure partie des éléments chimiques du tableau périodique, les métaux font partie des substances connues les plus polyvalentes et les plus utiles. Le développement des technologies de travail des métaux pour créer des matériaux a probablement été l’une des avancées les plus importantes de l’histoire humaine. Les métaux sont omniprésents dans le monde moderne. Ponts, gratte-ciel, barrages et voitures – la plupart des constructions industrielles et à grande échelle sont composées entièrement ou au moins partiellement de métaux et les métaux sont un composant essentiel de la plupart des appareils électroniques modernes.
Cela étant dit, le terme « métal » est très large et englobe un certain nombre de substances aux propriétés différentes, comme le plomb (un métal lourd et dense), le mercure (un métal qui est un liquide) et le sodium (un métal mou que vous pouvez couper avec un couteau). Alors, qu’est-ce qui fait qu’un métal est un métal, et quelles sont certaines propriétés des métaux qui les rendent si utiles ?
Que sont les métaux ?
En chimie, le terme » métal » est normalement utilisé pour désigner les éléments occupant les groupes 3 à 12 du bloc d du tableau périodique. Ces éléments sont parfois appelés « métaux de transition ». Les métaux se distinguent des non-métaux en raison de leurs propriétés. Parmi les propriétés courantes des métaux, citons :
- Dureté – les métaux ont tendance à être durs et résistants à la déformation
- Malléabilité & Ductilité – les métaux peuvent se plier et changer de forme sans se casser
- Conductivité – les métaux ont tendance à être de bons conducteurs de chaleur et d’électricité
- Éclat – les métaux ont un aspect visuel unique, brillant
- Magnétisme – De nombreux métaux sont ferromagnétiques ou paramagnétiques
En plus de ces propriétés physiques, les métaux ont également des propriétés chimiques spécifiques. Les métaux ont tendance à avoir de faibles énergies d’ionisation et forment facilement des ions positifs. La plupart des métaux ont un caractère basique et réagiront avec les acides pour former des sels et de l’eau.
Les métaux constituent la grande majorité des éléments du tableau périodique. Environ 91 des 118 éléments connus sont classés comme des métaux. 6 éléments (le bore, le silicium, le germanium, l’arsenic, l’antimoine et le tellure) sont communément classés comme métalloïdes et ont un mélange de propriétés métalliques et non métalliques.
Qu’est-ce qui fait qu’un métal est un métal ?
Jusqu’à présent, nous avons juste énuméré quelques propriétés communes partagées par les métaux. Une autre question se pose : pourquoi les métaux ont-ils les propriétés qu’ils ont ? Autrement dit, qu’est-ce qui, dans la structure des éléments métalliques, explique leurs propriétés communément observées ?
Les propriétés uniques des métaux peuvent être expliquées par leurs structures atomique et électronique. Les éléments du bloc d du tableau périodique ont tendance à avoir plusieurs orbitales vides dans la coquille électronique. Lorsque les atomes métalliques s’agglomèrent, leurs électrons se délocalisent et sont partagés équitablement entre les atomes. On peut imaginer un métal comme un réseau de cations chargés positivement entouré d’une « mer » d’électrons. Le grand nombre d’orbitales électroniques vides signifie que les électrons peuvent se déplacer facilement d’un atome à l’autre. La nature délocalisée des liaisons métalliques est ce qui explique les propriétés uniques des métaux.
Dans la section suivante, nous allons examiner en profondeur certaines propriétés clés des métaux et expliquer comment elles émergent de leurs structures atomiques et électroniques
5 Propriétés étonnantes des métaux
Dureté
Strictement parlant, tous les métaux ne sont pas durs aux températures et pressions standard. Le mercure est un liquide à température ambiante et le gallium fondra dans la paume de votre main par une journée chaude. Certains métaux, comme le sodium et le potassium, sont très mous et peuvent être coupés avec un couteau, comme un gâteau.
Par contre, de nombreux métaux sont connus pour être durs et résistants à la déformation mécanique. Cette ténacité est l’une des raisons pour lesquelles les métaux sont si utiles pour les applications industrielles et à grande échelle. La dureté des métaux s’explique par la façon dont leurs atomes sont disposés les uns par rapport aux autres. La plupart des métaux ont de très fortes attractions intermoléculaires, qui font que leurs atomes se regroupent très étroitement. Comme les atomes sont très proches les uns des autres, il y a très peu d’espace entre eux et ils ne peuvent pas bouger beaucoup lorsqu’une force extérieure est appliquée. Le même principe explique la résistance à la traction généralement élevée des métaux.
L’arrangement physique très serré des atomes explique également pourquoi les métaux ont tendance à être denses et lourds. La densité est une mesure de la quantité de masse par unité de volume. Lorsque les atomes sont très proches les uns des autres, il y a une grande quantité de masse par unité de volume, donc les métaux sont denses
Malléabilité & Ductilité
Une propriété clé des métaux qui les rend si utiles est qu’ils peuvent être façonnés et moulés sans se briser ou perdre de leur ténacité. Les métaux sont très malléables, ce qui signifie qu’ils peuvent être comprimés ou aplatis sans se fissurer ou se briser. Par exemple, l’or est un métal très malléable. Un seul morceau d’or de la taille d’une boîte d’allumettes peut être aplati en une feuille de la taille d’un court de tennis. La ductilité désigne la capacité d’une substance à être moulée sans perdre sa ténacité. Les métaux sont ductiles parce qu’ils peuvent être façonnés en de nouvelles structures sans perdre leur résistance.
La malléabilité et la ductilité des métaux s’expliquent par la nature délocalisée des liaisons métalliques. Comme les électrons sont délocalisés, des feuilles d’atomes métalliques peuvent glisser les unes contre les autres sans rompre aucune liaison chimique. C’est exactement le contraire de ce qui pourrait se produire dans un composé ionique fragile, par exemple. Dans un composé ionique, les atomes sont enfermés dans une structure rigide où les ions positifs et négatifs sont alignés les uns avec les autres. Lorsqu’une couche est déplacée par une force, les ions positifs et négatifs ne sont plus alignés et se repoussent mutuellement. Cette répulsion provoque la fracture de la substance.
Thermique &Conductivité électrique
Les métaux sont également connus pour être conducteurs, ce qui signifie qu’ils peuvent bien stocker et transférer la chaleur et l’électricité. Les capacités des métaux à stocker et à transmettre la chaleur et l’électricité sont appelées respectivement conductivité thermique et électrique.
Conductivité thermique
Les métaux sont connus pour être de bons conducteurs thermiques. La conductivité thermique explique pourquoi vous pouvez chauffer une casserole métallique sur la cuisinière et l’utiliser pour cuisiner. La chaleur de la cuisinière est transférée à la casserole en métal. Cette chaleur est ensuite transférée aux aliments lors de la cuisson. Les métaux sont de bons conducteurs thermiques car leur structure atomique très compacte absorbe très efficacement l’énergie cinétique. Fondamentalement, la chaleur n’est que le mouvement des molécules. Chauffer quelque chose revient à faire bouger plus rapidement les molécules qui le composent. Comme les atomes métalliques sont très serrés les uns contre les autres, le mouvement (la chaleur) de tout atome est facilement transféré à ses voisins.
Conductivité électrique
Les métaux sont de bons conducteurs d’électricité en raison de leurs électrons délocalisés en mouvement libre. Lorsqu’une tension électrique est appliquée à un métal, un champ électrique déclenche le mouvement des charges électroniques. Comme les électrons sont délocalisés, ils se déplacent très facilement sous l’influence d’un champ électronique. Dans les métaux conducteurs, les électrons circulent toujours de la borne négative vers la borne positive.
L’éclat
Les métaux sont également connus pour leur aspect visuel unique. Sous la lumière, les métaux ont un aspect brillant caractéristique. Ce lustre esthétique des métaux comme l’or, l’argent et le platine explique leur valeur et leur utilisation en bijouterie et en ornementation.
Le lustre des métaux s’explique par l’interaction de la lumière et des électrons. Dans les métaux, les électrons sont délocalisés et libres de se déplacer. Lorsque la lumière (tout rayonnement EM) frappe la surface, les électrons absorbent les photons et entrent dans un état d’énergie excité. Lorsque l’électron retombe dans son état fondamental, il libère de l’énergie sous la forme d’un photon. Comme la quantité d’énergie dans le système doit rester constante, le photon émis par l’électron a la même fréquence que le photon initialement absorbé par l’électron. L’œil humain perçoit ce processus comme la lueur réfléchissante associée aux métaux.
Magnétisme
Une autre propriété caractéristique des métaux est leur capacité à produire et à être affectés par des champs magnétiques. Un aspect fondamental des électrons est qu’ils produisent un dipôle magnétique, c’est-à-dire une région d’influence magnétique avec un pôle positif et un pôle négatif. Dans des conditions normales, les électrons dans les métaux sont pêle-mêle de sorte que leurs dipôles ne s’alignent pas les uns avec les autres.
Cependant, sous l’influence d’un champ magnétique externe, les électrons vont s’orienter de sorte que tous leurs dipôles pointent dans la même direction. L’action cumulée des dipôles donne lieu à un champ magnétique macroscopique qui peut pousser et tirer des objets. Les métaux sont susceptibles d’être magnétisés car ils possèdent de nombreuses orbitales électroniques ouvertes. Comme il y a beaucoup d’orbitales ouvertes dans les métaux, les électrons peuvent se déplacer et changer beaucoup d’orientation, il est donc plus facile d’aligner leurs champs magnétiques.
Les matériaux qui deviennent magnétiques sous l’influence d’un champ magnétique externe sont appelés paramagnétiques. Essayez cette expérience à la maison : Prenez un tournevis, des aiguilles et un aimant de cuisine. Le fait de toucher les aiguilles à la pointe du tournevis n’a aucun effet puisqu’il n’y a pas d’attraction. Ensuite, maintenez les aiguilles contre l’aimant de cuisine pendant une minute ou deux. Lorsque vous retirez les aiguilles, vous devez constater qu’elles sont maintenant attirées par la pointe du tournevis. C’est parce que le champ magnétique de l’aimant de cuisine réaligne les électrons de l’aiguille de sorte que leurs pôles magnétiques sont tous alignés.
La plupart des matériaux paramagnétiques ne resteront pas magnétisés indéfiniment. Des fluctuations thermiques aléatoires dans le matériau finiront par désaligner à nouveau les dipôles. Certains matériaux sont capables de conserver leurs propriétés magnétiques après la suppression du champ magnétique. Ces types de matériaux sont appelés ferromagnétiques. Le nickel et le fer sont deux types de métaux ferromagnétiques.