Métaux

Que sont les métaux ?

En chimie, les métaux sont définis par des propriétés telles que l'éclat, la ductilité, la malléabilité et la conductivité. Les métaux sont des matériaux solides et durs qui présentent un éclat et d'autres propriétés telles que la ductilité, la malléabilité et la conductivité.

Types de métaux

Les métaux sont classés en deux catégories principales :

• Les métaux ferreux, dont le fer est le principal constituant ;
• Les métaux non ferreux, dont le fer n'est pas le principal constituant.

Bien qu'il existe de nombreux types de métaux actuellement extraits dans différentes parties du monde, ceux qui sont utilisés dans l'industrie de la construction sont très peu nombreux et ont comme métaux de base :

• Aluminium ;
• Cuivre ;
• Plomb ;
• Fer ;
• Zinc.

Que sont les Métalloïdes ?

Les sept métalloïdes les plus connus sont :

• Bore ;
• Germanium ;
• Silicium ;
• Antimoine ;
• Arsenic ;
• Tellure ;
• Polonium.

On peut noter que ces sept éléments se retrouvent dans le tableau périodique régulier dans une région diagonale du bloc \( p \) qui s'étend du bore (placé en haut à gauche) à l'astate (placé en bas à droite). Certains tableaux périodiques comportent une ligne de démarcation entre les métaux et les non-métaux, sous laquelle se trouvent les métalloïdes.

Caractéristiques des métalloïdes

Les métalloïdes ont un aspect métallique, mais ils sont généralement fragiles et ne sont que de mauvais conducteurs d'électricité.

Chimiquement, ces éléments se comportent généralement comme des non-métaux. Les métalloïdes ont la capacité de former des alliages métalliques. Les autres propriétés physiques et chimiques des éléments métalloïdes sont généralement de nature intermédiaire. En général, ces éléments sont extrêmement fragiles et n'ont donc pas beaucoup d'applications structurelles.

Configuration électronique : Atome

Lors de l'écriture des configurations électroniques, une notation standardisée est suivie, dans laquelle le niveau d'énergie et le type d'orbitale sont écrits en premier, suivis du nombre d'électrons présents dans l'orbitale en exposant.

Configuration électronique des métaux

Les métaux sont des éléments qui cèdent des électrons "libres". Les métaux ont généralement entre \( 1 \) et \( 3 \) électrons en trop par rapport à la couche complète.

Le tableau ci-dessous présente la configuration électronique de certains métaux.

Tableau représente la configuration électronique des trois métaux Na, Al et Ca.

Ce tableau montre clairement que pour compléter une orbite donnée, les métaux cèdent des électrons et deviennent des ions positifs. Les métaux sont placés à gauche et au centre du tableau périodique.

Tableau périodique : Métaux et métalloïdes

Pour indiquer la position des métaux, le tableau périodique est divisé par une ligne en zigzag. Il commence à gauche du bore et serpente vers le bas et la droite, se faufilant entre le silicium et le germanium, puis entre l'arsenic et l'antimoine et entre le tellure et le polonium. Enfin, il sépare l'astate du tennesse, avant de terminer à gauche de l'oganesson.

Cette ligne porte différents noms : ligne métal-non-métal, ligne amphotère, ligne métalloïde et escalier. Elle divise le tableau en métaux, non-métaux et métalloïdes.

• Les éléments situés à gauche de la ligne sont classés comme métaux ;
• Les éléments situés à droite de la ligne (ainsi que l'hydrogène) sont classés comme non-métaux ;
• Certains des éléments qui touchent la ligne sont classés comme métalloïdes.

Métaux

Les métaux figurent dans la partie gauche du tableau périodique. Ils possèdent certaines propriétés caractéristiques.

• Les métaux perdent généralement des électrons pour former des cations positifs ;
• Ils ont des points de fusion et d'ébullition élevés ;
• Leur électronégativité est faible ;
• Ils ont un aspect brillant et lustré lorsqu'ils sont fraîchement coupés ;
• Ils sont malléables et ductiles ;
• Ils sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité.

Métalloïdes

Les métalloïdes se trouvent au milieu du tableau périodique. Ils chevauchent la ligne de démarcation qui sépare les métaux des non-métaux, et leurs propriétés sont à mi-chemin entre les deux.

• En règle générale, les métalloïdes sont brillants et lustrés lorsqu'ils sont coupés, mais ils sont fragiles par nature ;
• Ils ont une électronégativité moyenne ;
• Ils sont des conducteurs d'électricité moyens.

Fig. 1- Métaux, non-métaux et métalloïdes dans le tableau périodique.

Liaisons métalliques

Lorsque des atomes de métal se lient les uns aux autres, les orbitales électroniques de leur couche externe fusionnent. Les électrons ne sont plus confinés à un atome particulier et sont libres de se déplacer dans les orbitales fusionnées, qui forment une région qui s'étend sur l'ensemble du métal. On dit que ces électrons sont délocalisés et qu'ils forment une mer de délocalisation.

Fig. 1- Un diagramme montrant la liaison dans un métal.

Propriétés des métaux

En raison de leur disposition unique d'ions positifs dans une mer d'électrons délocalisés, les métaux ont certaines propriétés qui les différencient des composés ioniques et covalents. Nous utilisons le cuivre, par exemple, pour fabriquer des fils et des tuyaux. Nous n'utiliserions pas de composés ioniques comme le chlorure de sodium à cette fin. Ils se dissoudraient s'ils étaient humidifiés et ne conduiraient pas l'électricité lorsqu'ils sont solides. En outre, les composés ioniques sont fragiles et se cassent facilement s'ils sont sollicités.

Cependant, les métaux sont très différents.

• Ils ont des points de fusion et d'ébullition élevés. Cela s'explique par la force de l'attraction électrostatique qui s'étend à l'ensemble du métal. Tous les facteurs étudiés ci-dessus qui augmentent la force de la liaison métallique augmentent les points de fusion et d'ébullition d'un métal ;

• Ils sont ductiles, c'est-à-dire qu'ils peuvent être étirés en fils, et malléables, c'est-à-dire qu'ils peuvent être martelés pour leur donner une forme. En effet, les ions positifs forment des rangées régulières dans la mer d'électrons qui peuvent rouler les uns sur les autres en douceur ;

• Ils ne sont pas cassants et sont généralement solides. Là encore, cela s'explique par le fait que les rangées d'ions métalliques conservent leurs liens avec les électrons délocalisés lorsqu'ils glissent les uns sur les autres ;

• Ils sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité, car les électrons délocalisés sont libres de se déplacer dans le métal et de porter une charge. Les métaux qui forment des ions plus chargés ont plus d'électrons délocalisés et sont donc de meilleurs conducteurs que les métaux dont les ions sont moins chargés ;

• Ils sont insolubles.

Que sont les alliages ?

Nous savons que le sodium est relativement mou. Le fer pur l'est également. Cela pose des problèmes lorsqu'il s'agit de fabriquer des produits utiles à partir de métaux. Les clous en fer ne seraient pas d'une grande utilité si on pouvait facilement les plier et les déformer. Pour rendre les métaux purs plus résistants, nous les transformons en alliages.

Les atomes de taille différente du deuxième élément d'un alliage perturbent les rangées régulières d'ions métalliques, les empêchant de glisser les uns sur les autres, ce qui les rend beaucoup plus durs. Le fer contient souvent des quantités soigneusement contrôlées de carbone, et l'acier est également un alliage courant à base de fer.

Fig. 3- Les atomes d'un alliage. Ici, les plus petits atomes perturbent la structure régulière du réseau des plus gros atomes de métal et les empêchent de glisser les uns sur les autres. Cela renforce le composé.

Minerais

Les minerais ont une composition chimique définie. Par exemple, le gypse est également connu sous le nom de sulfate de calcium dihydraté, ou \( CaSO_4-2H_2O \) . Les minerais sont également classés en fonction de leurs propriétés physiques uniques :

• La couleur ;
• La densité ;
• Lustre ;
• Trait ;
• Clivage ;
• Dureté.