Introduction

Le mot métal désigne a la fois un élément chimique et un matériaux.

Un matériaux est un matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne en vue d'un usage spécifique.

L'élément chimique est caractérisé par une forte conductivité thermique et électrique, un éclat particulier dit éclat métallique ainsi qu'une aptitude a la déformation

Le matériaux métallique est composé d'un métal (élément chimique) ou de plusieurs métaux s'il s'agit d'un alliage( mélange).

En physique chimie cours, on distingue généralement 3 grandes classes de matériaux en fonction de leurs origines :

  • Les matériaux métalliques (alliages) ;
  • Les matériaux organiques (chimie du carbone) ;
  • Les matériaux inorganiques (roches- minéraux).
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C'est parti

Un peu d'histoire : La découverte des métaux

Les 7 premiers métaux, connus sous le nom de métaux anciens sont des métaux sur lesquels les civilisations se sont construites.

Métaux anciens : Or: -6000 ans avant J.-C.

Cuivre : - 4200 ans avant J.-C.

Argent : - 4000 ans avant J.-C.

Plomb : - 3500 ans avant J.-C.

Etain : - 1750 ans avant J.-C.

Fer : - 1500 ans avant J.-C.

Mercure : - 750 ans avant J.-C.

Quels ont été les premiers outils utilisés ?
A l'époque de la Préhistoire, les Hommes ont commencé à utiliser des outils. Parfois uniquement taillés dans la pierre, on a pu également voir des outils à base de métaux comme cette hache primitive.

Origine des métaux

On peut trouver les métaux soit a l'état natif soit sous forme de minerais.

Etat natif : état de corps simples non combinés a d'autres éléments

Minerais : Roches a partir desquels les métaux doivent être extraits

L'or ne se trouve qu'a l'état natif. Le fer a l'état natif est du fer météoritique.

La teneur en minerais mesurée en pourcentage massique représente ce que le minerais contient du métal en question.

MétalEtat natifMinerais
OrOuiNon
ArgentOuiOui
CuivreOuiOui
FerOuiOui

MetalMineraisTeneur
MercureSinabre96 %
FerMagnetite74 %
CuivreCuprite1,5 %

Les alliages

Un alliage est le résultat de l'incorporation à un métal d'un ou plusieurs éléments métalliques ou non. On effectue un alliage dans le but d'optimiser certaines des propriétés des métaux ou des autres éléments dont il est constitué ou bien dans l'idée de lui conférer des propriétés nouvelles.

Exemple : la résistance mécanique

On appelle un alliage binaire un alliage composé de deux métaux. Le métal principal est appelé métal de base. Les éléments ajoutés sont appelés les éléments d'alliage ou d'addition.

AlliageMétal de baseÉlément d'addition
BronzeCuivreEtain (3 à 20%)
LaitonCuivreZinc (5 à 50%)
AcierFerCarbone (Moins de 2%)
FonteFerCarbone (2 à 6%)
Inox (acier inoxydable)FerCarbone et chrome
(12%)

Propriétés générales des métaux

Masse volumique

densité = masse (kg) / volume (m3)

L'unité est le kg / m3

La densité est un rapport entre 2 masses volumiques

La densité

Pour l'eau :

densité = masse / volume

densité = 1 kg / L

1L = 1 dm x 1dm x 1dm

1 m3 = 1000 L

La densité n'a pas d'unité

Ce tableau reprend la densité de certains métaux :

MétalEtainZincAluminiumArgentCuivreOrFer
Densité7,367,142,7010,498,9419,307,87

Température de fusion

Ce tableau récapitule les températures de fusion de différents métaux :

MétalEtainZincAluminiumArgentCuivreOrFer
T (°C)232420660961108410641539

On utilise le tungstène pour fabriquer le filament des lampes à incandescence car sa température de fusion est la plus élevée. Il résiste a des grandes chaleurs.

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Conductivité électrique

La caractéristique principale des métaux est d'être bons conducteurs électriques.

Conductivité thermique

Les métaux sont en général de très bons conducteurs thermiques. La sensation de froid au contact d'une pièce métallique résulte de cette facilité a propager la chaleur de notre corps vers une partie plus froide du métal.

Propriété Magnétique

Les 3 principaux métaux fortement attirés par un aimant sont le fer, le nickel et le cobalt.

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La corrosion

Définitions

Corrosion : Désigne l'altération d'un objet sous l'effet d'une oxydation c'est a dire la réaction avec un oxydant (le dioxygène de l'air O2).

Altération : La modification chimique superficielle entrainant des changements de l'aspect ainsi que des propriétés physiques et chimiques d'un matériaux.

Corroder : Ronger quelque chose, l'entamer progressivement par une réaction chimique.

Comment éviter la rouille ?
Une oxydation que nous connaissons bien tous est la rouille. Il s'agit de l'oxydation du fer.

La corrosion de quelque métaux

Fer

fer+O2+eau : Oxyde de fer (rouille)

Aluminium

Aluminium+O2 : Oxyde d'aluminium (terne, sans éclat)

Cuivre

Cuivre + O2 + H2O : Oxyde de cuivre (noir)

Zinc

Zinc + O : Oxyde de Zinc ( blanchâtre)

L'aluminium, le zinc et le cuivre sont uniquement attaqués en surface. Leurs oxydes sont passivant. Ils forment une couche mince en surface qui protège très bien le matériaux sous-jacent. A l'inverse, la rouille est poreuse. Elle va laisser passer l'eau et l'air qui vont attaquer le fer en profondeur jusqu'à sa complète disparition.

Limiter ou éviter la corrosion

Les films protecteurs

On peut protéger les métaux de la corrosion en les recouvrant d'une pellicule de vernis, de peinture, ou d'un film plastique. Pour les pièces soumises a des mouvements ou des pressions mécaniques on utilise plutôt des huiles ou des graisses minérales

Utilisation de métaux inoxydables

Certains métaux sont peu sensibles a la corrosion voir pas du tout. C'est le cas de l'or qui est inaltérable, il ne s'oxyde jamais. Le platine est très peu sensible a la corrosion.

L'utilisation d'oxydes

Certains métaux ont des oxydes protecteurs tel le cuivre, l'aluminium et le zinc. Ces oxydes leur donne un aspect terne. D'autres restent brillants, c'est parce que leur oxyde est plus transparent. C'est le cas du nickel et du chrome.

L'utilisation d'alliage

Pour protéger certains métaux sensibles a la corrosion on les mélangent a d'autres qui ont un oxyde protecteur. Par exemple l'acier inox pour les couverts. Ils gardent toujours un aspect brillant et le fer est protégé par les oxydes transparent du chrome et du nickel.

La corrosion des métaux

De façon générale, la corrosion correspond à l'altération d'un matériau par le biais d'une réaction chimique mettant en jeu un oxydant tels que le dioxygène et le proton.

L'oxydation que l'on rencontre le plus souvent est la rouille. En effet, en présence d'eau, le fer s'oxyde et une couche de rouille se développe sur ce dernier.

Quand on parle de corrosion, on exclu les altérations ayant un origine purement mécanique telle que la rupture du matériau suite à un effet de choc. Cependant, la notion de corrosion peut englober une combinaison d'effets mécaniques qui va provoquer une corrosion sous contrainte ainsi que de la fatigue-corrosion. On peut également parler de corrosion lorsque l'on évoque l'usure de surface ayant pour origine une cause physicochimique et mécanique à la fois.

Les exemple de corrosion les plus connus sont la rouille du fer et de l'acier ainsi que la formation d'une patine de vert-de-gris sur le cuivre et ses différents alliages comme le bronze et le laiton. Mais, de façon plus générale, la corrosion peut toucher toute sorte de matériaux que ce soient des métaux, de la céramique ou encore des polymère et cette corrosion peut avoir lieu dans des milieux très différents comme un milieu aqueux ou encore à milieu présentant une température élevée.

Dans l'industrie, la corrosion constitue un problème majeur. En effet, la corrosion peut coûter cher à une entreprise, que ce soit pour protéger les matériaux de la corrosion ou encore pour remplacer les différentes pièces ou ouvrages ayant souffert de cette corrosion. Sans parler des conséquences, qu'elles soient directes ou non, de la corrosion. Ce coût est alors estimé à 2% du produit brut mondial. En effet, toutes les secondes, il y a environ cinq tonnes d'acier qui se retrouvent, par le biais de la corrosion, transformées en oxydes de fer.

Protéger les métaux de la corrosion

Afin de protéger le métal, une solution est de le couvrir de peinture. En effet, cette dernière va former comme une couche de protection en empêchant le métal en question de s'oxyder.

Pour obtenir une électrolyse, il faut imposer une tension électrique entre deux électrodes plongées dans une solution dite électrolytique. Ainsi, on peut forcer un transfert d'électron d'un oxydant vers un réducteur. L'électrolyse permet alors de provoquer des transformations dites forcées.

Un oxydant, également appelé agent d'oxydation, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique.

Un réducteur, également appelé agent de réduction, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, cède un ou plusieurs électrons à une autre espèce chimique.

Une réaction d'oxydoréduction, également appelée réaction redox, correspond à une réaction chimique au cours de laquelle à lieu un transfert d'électron. C'est-à-dire une réaction durant laquelle une espèce chimique dite oxydant reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique dite réducteur.

Ce procédé est régulièrement utilisé afin de purifier les métaux tels que le cuivre ou encore pour protéger le fer de la corrosion par électro zingage. Vous pouvez également utiliser cette technique pour embellir votre service de couvert en les argentant ou pour récupérer différentes substances telles que de l'aluminium ou du dichlore.

L'électro zingage repose sur le dépôt d'électrolyte de zinc sur le fer afin de le protéger grâce à l'obtention d'un revêtement protecteur. On dit alors du fer qu'il est électrozingué.

Dans l'industrie, afin d'affiner du cuivre brut, on utilise le cuivre en tant qu'anode dans un bain de sulfate de cuivre afin de procéder à une électrolyse. Ainsi, du cuivre pur jusqu'à un pourcentage de 99,95% se fixera sur la cathode alors que les impuretés resteront dans le bain de sulfate de cuivre.

Ce qu'il faut savoir sur les métaux

L'or est malléable (déformable). Il est inaltérable (ne peut pas s'oxyder), de couleur jaune. Cela rend ce métal très utile, mais sa rareté le rend économiquement hors de prix pour une utilisation fréquente.

L'argent est le meilleur conducteur électrique, mais sa rareté le rend économiquement hors de prix pour une utilisation fréquente (couleur blanche)

Le cuivre est de couleur rouge, bon conducteur électrique et malléable. Cela fait un métal super pour une utilisation. Il est très utilisé pour un alliage.

Le cuivre est un métal très utilisé comme conducteur. On le retrouve dans les câbles électriques et les platines électroniques.

Le fer est de couleur blanche, il est très courant et bon marché. Il est utilisé pour une résistance mécanique (outil, voiture...). Mais il rouille et il est lourd. Il est pratiquement le seul à être aimantable.

Le zinc est peu sensible à l'oxydation. Il sert à galvaniser les métaux ferreux.

L'aluminium est peu dense, à une bonne résistance mécanique, et se recouvre d'une couche d'oxyde qui le rend quasiment inaltérable.

Le cuivre

Le cuivre est un métal assez abondant en certains points de la Terre. Son clarke s'élève à 60 g par tonne.

Le clarke d’un élément chimique définit sa présence moyenne dans la croûte terrestre . Il s’exprime sous la forme d’une fraction massique en pourcentage, ppm (partie par million), ou ppb (partie par milliard)

Il peut se trouver à l'état natif sous forme parfois de cristaux et plus régulièrement de fils, de feuilles et encore en recouvrement sur des minéraux.

Il apparaît dans des espèces minérales telles que les basaltes, les grès et les schistes.

On retrouve ces gisements naturels en plusieurs points de la Terre à savoir :

  • En France (dans les Alpes notamment),
  • Aux Etats-Unis,
  • Au Canada,
  • En Pologne,
  • En Bolivie.
A quoi sert le cuivre ?
Le cuivre est utilisé pour de nombreuses application. Notamment en électricité car le cuivre est très conducteur.
Cependant, il s'agit d'un métal assez mou et fragile.

Cuivres gris

On trouve aussi du cuivre associé à de l'antimoine et de l'arsenic, c'est ce que l'on appelle des cuivres gris.
Ils sont sont présents dans la freibergite, la tennantite ou encore la tétraédrite

Sulfures de cuivre

On peut aussi trouver le cuivre à l'état naturel sous forme de sulfures, dans les minéraux suivants :

  • La chalcopyrite,
  • La bornite,
  • La covelline,
  • La chalcocite,
  • La carrollite,
  • La germanite,
  • La stannite,
  • La kësterite.

En chimie, un sulfure est un composé chimique où le soufre, sous sa forme S-2, donc en état d'oxydation -2, est associé à un autre élément chimique ou un de ses radicaux

Forme d'oxydes

Le cuivre s'oxyde sous la forme d'ions cuivriques de formule Cu2+ ou d'ions cuivreux de formule Cu+.

On les retrouve dans les minéraux suivants : la cuprite et la ténorite.

Gisements

Il existe des mines de cuivre à ciel ouvert, où il se trouve sous la forme de sulfures en grande partie. Ses mines se trouvent en divers points du globe comme au Mexique, aux Etats-Unis, au Chili et au Pérou par exemple.

Propriétés physiques et chimiques des différentes formes du cuivre

Certaines pièces de monnaies voient apparaître du cuivre dans leur composition. On les reconnait à leur couleur rougeâtre, caractéristique du cuivre.

Le cuivre est un métal rouge orangé. Il est très malléable et ductile, presque mou. Ses capacités en conductivité thermique et électriques sont très élevées.

Un corps est dit ductile quand il peut être étiré sans pour autant se rompre

A l'air libre, il s'altère et on voit une couche de couleur vert-grise, appelée patine ou vert-de-gris et qui recouvre le cuivre. C'est le dioxyde de carbone et non l'air qui oxyde le cuivre.

La plupart des acides attaquent le cuivre. Il se dissout parfaitement dans l'acide nitrique.

Le fer

Le fer est le sixième élément le plus présent de l'Univers. Il s'y trouve comme élément final de fissions nucléaires.

A l'échelle terrestre, il représente 5 % de la croûte terrestre et le noyau de la Terre est composé d'un alliage de fer et de nickel, ce qui porte à 35 % la masse de fer dans la totalité de la masse de notre planète.

C'est le quatrième élément le plus abondant à la surface de la Terre.

Contenu dans la croûte terrestre, le fer est sous forme d'oxydes de fer dans des minerais. On le retrouve notamment dans ces espèces minérales :

  • La magnétite de formule Fe2O4,
  • La limonite de formule Fe2O3nH2O,
  • L'hématite Fe2O3.

On peut aussi le retrouver à la surface de la Terre là où se sont écrasé jadis des météorites. En effet, des alliages avec du fer sont souvent contenus dans ces dernières.

Propriétés physiques et chimiques du fer simple et composés

Le fer présente différents états en fonction des conditions dans lesquelles il se trouve. Le fer dispose donc d'une allotropie.

L'allotropie est la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes.
Une forme allotropique peuvent avoir des propriétés physique, comme la couleur et la dureté, et une réactivité chimique différentes même si elles sont composées d'atomes identique
Les transformations d'une forme allotropique à l'autre peuvent être induites par des changements de pression et de température ou même par une réaction chimique. Certaines formes ne sont stables que sous certaines conditions définies de température et de pression

Dans les conditions normales de température, le fer est un solide cristallin très ferromagnétique.

Un élément est dit ferromagnétique quand il possède des propriétés de ferromagnétisme.
Le ferromagnétisme est le mécanisme par lequel des matériaux forment des aimants permanents ou sont attirés par d’autres aimants. Le cobalt, le nickel ou encore le fer sont des éléments ferromagnétiques

Il a une capacité calorifique de 0,5 kJ.kg-1 et sa température de Curie se situe autour de 770 °C.

Il existe, dans un matériau dit ferromagnétique, une température de Curie (encore appelée point de Curie) notée TC qui est la température à partir de laquelle le matériau perd son aimantation permanente

Quand la température devient élevée, à partir de 912 °C, le fer devient cubique, ce qui a un impact sur son énergie interne. Le fer devient aussi paramagnétique.

On définit le paramagnétisme par un élément qui ne possède pas d’aimantation spontanée dans un milieu mais qui obtient une aimantation lorsqu’il est traversé par un champ magnétique. Son aimantation sera par ailleurs dirigée dans le même sens que le champ magnétique qui lui donne ces caractéristiques

Le fer a un fort pouvoir d'aimantation. Selon les conditions de son environnement, il peut être ferromagnétique ou paramagnétique.

Le fer peut redevenir un minéral possédant une maille cubique centré une fois les 1 394°C dépassé tandis qu'il possède une structure hexagonale compacte lorsqu'il est, à température ambiante, soumis à une pression de 130 kilobars.

Au-delà de ses différentes structures, le fer possède des propriétés telles qu'il est insoluble dans l'eau et dans les bases mais pourtant soluble dans les acides.

De plus, lorsqu'il est exposé à l'air libre et en présence d'humidité, le fer est soumis à la corrosion. De la rouille, constituée d'oxydes et d'oxyhydroxydes ferriques hydratés, se forme. Cette rouille présente une porosité suite à une réaction d'oxydation qui peut se propager, et ce jusqu'au cœur du métal ce qui différencie grandement le fer d'autres métaux, comme l'aluminium, qui forment une couche fine d'oxyde imperméable.

Comment éviter l'oxydation du chrome ?
Le fer est un métal très robuste. Cependant, il est en proie à l'oxydation, ce qui le rend vulnérable. C'est pourquoi on l'utilise souvent en alliage, notamment l'inox : un alliage de fer, de carbone et de chrome.

Le zinc

Le zinc est un élément chimique qui possède un clarke compris entre 70 et 132 g/t. Il est donc un élément qui est moyennement présent dans l'écorce terrestre.

Cependant, le zinc dit natif est un métal très rare recensé dès le XIXe siècle en Australie.

De plus, la blende est le principal minerai de zinc, un minerai à base de sphalérite et de sulfure de zinc.

Les utilités des métaux dépendent beaucoup de leurs caractéristiques. Quand le cuivre sert dans les câbles électriques grâce à sa grande conductivité. Le zinc sera plutôt réservé aux gouttières par exemple. Après, il arrive aussi qu'on fasse des alliages afin de combiner les caractéristiques des deux métaux.

Propriétés physiques et chimiques

Le zinc sous forme de corps simple

C'est un métal gris qui s'oxyde en surface en présence de dioxygène et se recouvre d'un couche d'oxyde de zinc.

Il réagit avec la plupart des bases et des acide en produisant du dihydrogène.

Les ions du zinc en solution aqueuse

L'ion zinc II, de formule Zn2+, est un action présentant deux charge excédentaires positive.

Il est incolore en solution aqueuse et en présence de soude il forme un précipité blanc d'hydroxyde de zinc qui se redissout si la soude est fort excès.

Composés à base de zinc

L'oxyde de zinc, de formule ZnO, se présente sous forme d'une poudre blanche qui peut se dissoudre dans les acides en formant des ions zinc.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.