Métal

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Les métaux sont une classe de matériaux très utilisés dans de nombreux domaines : construction (charpentes métalliques, menuiserie en aluminium), plomberie (tuyaux, robinets), véhicules (du vélo à l'avion), machines industrielles, armement, etc.

Les métaux sont également de plus en plus employés dans la plupart des techniques de pointe : accumulateurs électriques, cartes électroniques, écrans plats LCD, capteurs solaires photovoltaïques, lampes fluo-compactes, diodes électroluminescentes, etc. La consommation des métaux s'est ainsi très fortement accrue depuis les années 1980, au point que certains métaux rares sont devenus des matières premières minérales critiques.

Métal chauffé par un forgeron.

Généralités

Les métaux ont en commun certaines propriétés comme notamment

  • la conduction électrique ;
  • la conduction thermique ;
  • la ductilité, ou malléabilité : on peut souvent les déformer par martelage ;
  • la réflexion de la lumière, l'éclat métallique ;
  • ils sont « lourds » : leur densité par rapport à l'eau [1] est en général supérieure à 2 pour les métaux les plus utilisés, et est fréquemment supérieure à 7, avec quelques exceptions ( sodium, potassium, lithium) ;
  • ils sont en général présent dans la nature sous forme de minerai, qu'il faut transformer en métal ( métallurgie primaire), à quelques exceptions près ( or, fer météorique, cuivre natif et autres éléments natifs) ; ils ont tendance à retourner à cet état naturel, ce qui forme un des processus de dégradation ( corrosion), la rouille du fer pouvant être vue comme un « retour du fer à l'état minéral » ;
  • ils sont en général faciles à réparer : les métaux peuvent parfois être remis en forme (par exemple redressage de tôles) ou soudés ;
  • ils sont en général faciles à recycler :
    • souvent faciles à trier, du fait de leurs propriétés magnétiques (cas en particulier du fer), électriques (permettant de créer un champ magnétique induit et donc de les attirer ou repousser par un aimant) ou de résistance mécanique (par exemple élimination de la gaine autour d'un câble électrique),
    • ils peuvent en général être refondus.

Ils sont souvent utilisés sous forme d' alliages (« mélanges » de métaux) : d'une part, historiquement, il était très difficile d'obtenir des métaux purs, les minerais contenant plusieurs métaux ; d'autre part, le fait d'allier les métaux leur confère des propriétés particulières, qui sont souvent plus intéressantes que celles des métaux purs. On peut retenir de manière générale que :

  • un métal pur a une meilleure conductivité thermique et électrique ; on utilise par exemple du cuivre ou de l'aluminium pur pour réaliser des câbles électriques (parfois de l'or et de l'argent) ;
  • un métal pur est plus « mou », il se déforme plus facilement, ce qui permet de l'étirer et de lui donner des formes complexes ; par exemple, le cuivre pur peut être étiré pour former des fils électriques, des tuyaux (plomberie), être mis en plaque et martelé pour faire des casseroles, on peut former des feuilles très fines avec de l'or pur ;
  • à l'inverse, certains éléments d'alliage permettent de durcir le métal, de le rendre plus résistant ; c'est par exemple le cas du carbone qui durcit le fer pour donner de l' acier, de l' étain qui durcit le cuivre pour donner le bronze, de l'argent et du cuivre qui durcissent l'or ;
  • certains éléments d'alliage facilitent la fusion et donc la fabrication de pièces moulées ( fonderie), par effet d' eutexie : l'alliage plomb- étain fond facilement et est utilisé pour la brasure, le bronze et le laiton sont des alliages de cuivre souvent utilisés en fonderie, certains éléments d'alliage permettent de réaliser de la fonderie d'aluminium, le carbone en quantité suffisante dans le fer permet d'obtenir de la fonte ;
  • certains éléments d'alliage améliorent la résistance à la corrosion, comme dans le cas des aciers inoxydables.

Dans la classification périodique, les métaux sont au centre et à gauche. Ils constituent 91 des 118 éléments chimiques connus.

Le fer est le plus utilisé des métaux, il est à la base de toutes les grandes constructions métalliques (poutre, rail, coque de navire), suivi de loin par l' aluminium qui est plus abondant dans la croûte terrestre, mais plus difficile à élaborer. D'autres métaux, moins abondants, comme le cuivre sont utilisés pour des applications spécifiques (fil électrique, ustensiles de cuisine). Les métaux encore moins abondants sont utilisés dans des alliages ( chrome, manganèse, titane), et les plus rares sont utilisés pour la monnaie et les bijoux ( argent, or) ou pour faire des catalyseurs ( platine, rhodium). L' uranium est un métal qui, après séparation isotopique, permet d'obtenir de l' énergie nucléaire. D'autres métaux, trop réactifs à l'air et/ou à l'eau sont rarement utilisés à l'état métallique ( sodium, potassium, calcium).

Dans un certain nombre de cas, les métaux tendent à être remplacés par d'autres matériaux, en général pour des raisons de légèreté ( polymères, matériaux composites, céramiques), de résistance à la corrosion (idem) ou à l'usure (céramiques). Ces matériaux ont toutefois eux aussi leurs limites par rapport aux métaux, en particulier : les polymères et composites à matrice polymère ne sont pas utilisables à hautes températures et sont souvent plus souples, les céramiques résistent mal aux chocs.

Les métaux peuvent perdre un ou plusieurs électrons pour former des cations correspondant, par exemple le sodium Na → Na+ + e-, le calcium Ca → Ca2+ + 2e-, le fer Fe → Fe3+ + 3e-. Les ions métalliques formés se retrouvent dans des sels, par exemple chlorure de lithium LiCl ou sulfure d'argent Ag2S, ou en solution.

Les métaux sont pour la plupart solides à température ambiante, le plus souvent jusqu'à des températures assez élevées : jusqu'à plus de 3 000 °C pour certains. Quelques métaux sont liquides aux températures courantes, c'est le cas du mercure, de moins en moins utilisé à cause de sa toxicité, qui est liquide dès -39 °C, ou du gallium liquide dès 30 °C. Les métaux peuvent être décrits à l'état solide comme des cations métalliques ayant mis en commun des électrons délocalisés dans tout le solide. À l'état de sels, les solides sont décrits par des interactions électrostatiques avec les autres ions du cristal.

Certains métaux existant à l'état natif sont connus depuis des millénaires : l'or, l'argent, le cuivre. L'homme sait élaborer certains métaux depuis longtemps, comme le fer ( âge du fer), à partir de minerais de fer et de charbon de bois, ou le mercure, en chauffant une roche appelée cinabre. Des métaux d'usage courant comme l'aluminium n'ont été obtenus qu'au XIXe siècle. Certains autres sont artificiels et sont préparés, atome après atome, dans les accélérateurs de particules : c'est le cas du technétium et des éléments transuraniens (c'est-à-dire de numéro atomique (Z) supérieur à celui de l'uranium pour lequel Z =92). D'autres, extraits de minerais, sont plus récents [Lesquels ?].

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