Métal

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  Li   Métaux
  B   Métalloïdes
  H   Non-métaux
  Mt   Propriétés chimiques inconnues

En chimie, les métaux sont des matériaux dont les atomes sont unis par des liaisons métalliques. Il s'agit de corps simples ou d' alliages le plus souvent durs, opaques, brillants, bons conducteurs de la chaleur et de l'électricité. Ils sont généralement malléables, c'est-à-dire qu'ils peuvent être martelés ou pressés pour leur faire changer de forme sans les fissurer ni les briser. Ils sont également fusibles et ductiles. De nombreuses substances qui ne sont pas classées comme métalliques à pression atmosphérique peuvent acquérir des propriétés métalliques lorsqu'elles sont soumises à des pressions élevées. Les métaux possèdent de nombreuses applications courantes, et leur consommation s'est très fortement accrue depuis les années 1980, au point que certains d'entre eux sont devenus des matières premières minérales critiques.

En astrophysique, et notamment en physique stellaire, on appelle métal tout élément chimique autre que l' hydrogène et l' hélium. Ces éléments sont produits par nucléosynthèse stellaire à partir d'hydrogène et d'hélium par fusion nucléaire, processus à l'origine de l'énergie libérée par les étoiles. De ce point de vue, la métallicité d'une étoile est la proportion d'éléments autres que l'hydrogène et l'hélium qui la constituent.

Martelage du métal à incandescence.
Animation illustrant la théorie des bandes d'énergie appliquée aux métaux et isolants.

Liaison métallique et structures cristallines des métaux

(en) Diagramme représentant la distribution des électrons dans les bandes de différents types de matériaux à l' équilibre. De gauche à droite : métal ; semimétal  (en) ; semiconducteur ( dopé p, intrinsèque, dopé n) ; isolant. L'énergie est représentée par l'axe vertical, tandis que l'épaisseur horizontale des bandes représente la densité d'états.
La densité électronique par niveau d'énergie suit la statistique de Fermi-Dirac et est représentée par un dégradé de noir. Le niveau de Fermi EF des métaux et des semimétaux se trouve dans au moins l'une des bandes, tandis qu'il se trouve loin de toute bande dans les isolants, et suffisamment proche d'une bande dans les semiconducteurs pour peupler la bande de conduction ou la bande de valence d'électrons ou de trous.

Les électrons des matériaux métalliques purs ou alliés se distribuent dans des niveaux d'énergie formant un continuum entre la bande de valence, occupée par les électrons de valence, et la bande de conduction, occupée par les électrons libres injectés thermiquement depuis la bande de valence par-delà le niveau de Fermi. Ces électrons libres forment une liaison métallique délocalisée dans tout le volume du matériau. On peut se représenter un métal comme un réseau tridimensionnel de cations métalliques baignant dans un fluide d'électrons très mobiles. Le modèle de l'électron libre permet de calculer la conductivité électrique ainsi que la contribution des électrons à la capacité calorifique et à la conductivité thermique des métaux, bien que ce modèle ne tienne pas compte de la structure du réseau cristallin du métal. Certains matériaux, comme les intermétalliques, présentent des liaisons partiellement métalliques et sont donc à la limite des céramiques.

La nature électronique particulière d'une liaison métallique est responsable de plusieurs propriétés macroscopiques des métaux : le fluide d'électrons libres assure à la fois une conductivité électrique et une conductivité thermique élevées en permettant la circulation d'un courant électrique et en favorisant la propagation des phonons dans le matériau ; elle rend compte de la ductilité, de la malléabilité et de la plasticité des métaux en maintenant leur cohésion en cas de déformation brisant les autres liaisons interatomiques ; elle confère aux métaux leur absorbance et leur éclat particulier par son interaction avec les ondes électromagnétiques, ainsi que leur point de fusion et leur point d'ébullition plus élevés que les non-métaux en renforçant les autres types de liaisons interatomiques. Ces dernières, notamment les liaisons covalentes de coordination, sont responsables des différentes structures cristallines formées par les métaux solides : la plus fréquente est la structure cubique centrée, suivie de la structure hexagonale compacte et de la structure cubique à faces centrées.

Dans une structure cubique centrée, chaque atome est situé au centre d'un cube formé par ses huit atomes voisins. Dans les structures cubique à faces centrées et hexagonale compacte, chaque atome est entouré par douze autres atomes, mais l'empilement de ces atomes diffère entre ces deux structures. Certains métaux peuvent adopter des structures cristallines différentes selon la température et la pression auxquels ils sont soumis.

Tous les métaux — notamment les alliages — ne sont cependant pas cristallins, et il peut se former des alliages métalliques amorphes par trempe rapide d'alliages métalliques fondus. On utilise pour ce faire des métaux fondus dont les atomes ont des tailles sensiblement différentes, ce qui limite la cristallisation lors d'un refroidissement rapide. Également appelés verres métalliques, les alliages métalliques amorphes présentent, par rapport aux métaux usuels, une meilleure ténacité, une moindre fragilité, ainsi qu'une plus grande résistance à la déformation et à la corrosion.

La force d'une liaison métallique dépend notamment du nombre d'électrons libres par atome métallique, et atteint un maximum au sein des métaux de transition vers le milieu du bloc d au niveau de la 5e période et au-delà, parmi les métaux réfractaires. Les liaisons métalliques subsistant à l'état liquide, contrairement aux autres liaisons interatomiques, le meilleur indicateur de la force de la liaison métallique d'un métal donné est sa température d'ébullition plutôt que sa température de fusion.

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