Articles

Apprenez tout sur les propriétés des métaux

  • Partagez
  • Partagez sur Facebook
  • Partagez sur Twitter
  • Partagez sur Pinterest
  • Partagez par courriel
  • Partagez sur Google Classroom

Pour la plupart des gens, le métal est un autre mot pour désigner le fer, l’acier, ou une substance similaire dure et brillante.

Mais cette définition correspond-elle aux véritables propriétés des métaux ?

Oui… et non.

Avant toute explication, vous devez savoir que la plupart des éléments du tableau périodique sont des métaux.

Les métaux se trouvent au centre et à gauche du tableau périodique. Ils peuvent être encore classés en tant que métaux alcalins, métaux alcalino-terreux, métaux de transition et métaux de base.

Leçon de science sur les métaux

Propriétés des métaux

Un élément est une substance composée d’un seul type d’atome ; il ne peut pas être séparé en parties plus simples. Par exemple, l’élément hélium (pensez aux montgolfières) est composé exclusivement d’atomes d’hélium.

Les éléments sont généralement classés comme métaux ou non-métaux (bien que certains éléments aient des caractéristiques des deux ; on les appelle des métalloïdes).

Trois propriétés des métaux sont :

  • L’éclat : Les métaux sont brillants lorsqu’ils sont coupés, rayés ou polis.
  • Malléabilité : Les métaux sont solides mais malléables, ce qui signifie qu’ils peuvent être facilement pliés ou façonnés. Pendant des siècles, les forgerons ont pu façonner des objets métalliques en chauffant le métal et en le martelant. S’ils essayaient de le faire avec des non-métaux, le matériau se briserait ! La plupart des métaux sont également ductiles, ce qui signifie qu’ils peuvent être étirés pour fabriquer des fils.
  • Conductivité : Les métaux sont d’excellents conducteurs d’électricité et de chaleur. Comme ils sont également ductiles, ils sont idéaux pour le câblage électrique. (Vous pouvez tester cela en utilisant certains articles ménagers. Continuez à lire pour savoir comment !)

Propriétés supplémentaires des métaux

Point de fusion élevé : La plupart des métaux ont un point de fusion élevé et tous, à l’exception du mercure, sont solides à température ambiante.

Sonore : Les métaux émettent souvent un son lorsqu’on les frappe.

Réactivité : Certains métaux vont subir un changement chimique (réaction), par eux-mêmes ou avec d’autres éléments, et libérer de l’énergie. Ces métaux ne se trouvent jamais sous une forme pure, et sont difficiles à séparer des minéraux dans lesquels ils se trouvent. Le potassium et le sodium sont les métaux les plus réactifs. Ils réagissent violemment avec l’air et l’eau ; le potassium s’enflamme au contact de l’eau !

Les autres métaux ne réagissent pas du tout avec les autres métaux. Cela signifie qu’on peut les trouver sous une forme pure (les exemples sont l’or et le platine). Comme le cuivre est relativement peu coûteux et peu réactif, il est utile pour fabriquer des tuyaux et des câblages.

Cinq groupes de métaux :

Les métaux nobles se trouvent sous forme de métaux purs car ils sont non réactifs et ne se combinent pas avec d’autres éléments pour former des composés. Comme ils sont si peu réactifs, ils ne se corrodent pas facilement. Ils sont donc idéaux pour les bijoux et les pièces de monnaie. Les métaux nobles comprennent le cuivre, le palladium, l’argent, le platine et l’or.

Les métaux alcalins sont très réactifs. Ils ont des points de fusion bas et sont assez mous pour être coupés avec un couteau. Le potassium et le sodium sont deux métaux alcalins.

Les métaux alcalino-terreux se trouvent dans des composés avec de nombreux minéraux différents. Ils sont moins réactifs que les métaux alcalins, ainsi que plus durs, et ont des points de fusion plus élevés. Ce groupe comprend le calcium, le magnésium et le baryum.

Les métaux de transition sont ce à quoi on pense habituellement quand on pense aux métaux. Ils sont durs et brillants, solides et faciles à façonner. Ils sont utilisés à de nombreuses fins industrielles. Ce groupe comprend le fer, l’or, l’argent, le chrome, le nickel et le cuivre, dont certains sont également des métaux nobles.

Les métaux pauvres sont assez mous, et la plupart ne sont pas très utilisés par eux-mêmes. Ils deviennent très utiles lorsqu’ils sont ajoutés à d’autres substances, cependant. Les métaux pauvres comprennent l’aluminium, le gallium, l’étain, le thallium, l’antimoine et le bismuth.

Alliages : Combinaisons fortes

Les propriétés de ces différents métaux peuvent être combinées en mélangeant deux ou plusieurs d’entre eux. La substance qui en résulte est appelée un alliage. Certains de nos matériaux de construction les plus utiles sont en fait des alliages. L’acier, par exemple, est un mélange de fer et de petites quantités de carbone et d’autres éléments, une combinaison qui est à la fois solide et facile à utiliser. (Ajoutez du chrome et vous obtenez l’acier inoxydable. Vérifiez vos casseroles de cuisine pour voir combien sont fabriquées en acier inoxydable !)

D’autres alliages comme le laiton (cuivre et zinc) et le bronze (cuivre et étain) sont faciles à façonner et beaux à regarder. Le bronze est aussi fréquemment utilisé dans la construction navale car il résiste à la corrosion de l’eau de mer.

Le titane est beaucoup plus léger et moins dense que l’acier, mais aussi solide ; et bien que plus lourd que l’aluminium, il est aussi deux fois plus solide. Il est également très résistant à la corrosion. Tous ces facteurs en font un excellent matériau d’alliage. Les alliages de titane sont utilisés dans les avions, les navires et les vaisseaux spatiaux, ainsi que dans les peintures, les bicyclettes et même les ordinateurs portables!

L’or, en tant que métal pur, est si mou qu’il est toujours mélangé à un autre métal (généralement l’argent, le cuivre ou le zinc) lorsqu’il est transformé en bijoux. La pureté de l’or est mesurée en karats. L’or le plus pur que l’on puisse trouver en bijouterie est le 24 karats, qui correspond à environ 99,7 % d’or pur. L’or peut également être mélangé avec d’autres métaux pour changer sa couleur ; l’or blanc, qui est populaire pour les bijoux, est un alliage d’or et de platine ou de palladium.

Métal à partir de minerais

Les minerais sont des roches ou des minéraux à partir desquels une substance précieuse – généralement un métal – peut être extraite. Parmi les minerais courants, on trouve la galène (minerai de plomb), la bornite et la malachite (cuivre), le cinabre (mercure) et la bauxite (aluminium). Les minerais de fer les plus courants sont la magnétite et l’hématite (un minéral de couleur rouille formé par le fer et l’oxygène), qui contiennent tous deux environ 70 % de fer.

Il existe plusieurs procédés pour affiner le fer à partir du minerai. Le procédé le plus ancien consiste à brûler le minerai de fer avec du charbon de bois (carbone) et de l’oxygène fourni par un soufflet. Le carbone et l’oxygène, y compris l’oxygène du minerai, se combinent et laissent le fer. Cependant, le fer n’est pas assez chaud pour fondre complètement et il contient des silicates provenant du minerai. Il peut être chauffé et martelé pour former du fer forgé.

Le procédé plus moderne utilise un haut fourneau pour chauffer le minerai de fer, le calcaire et le coke (un produit du charbon, pas la boisson gazeuse). Les réactions qui en résultent séparent le fer de l’oxygène contenu dans le minerai. Cette « fonte brute » doit être mélangée à nouveau pour créer du fer forgé. Il peut également être utilisé à une autre fin importante : lorsqu’il est chauffé avec du carbone et d’autres éléments, il devient un métal plus résistant appelé acier.

Compte tenu du processus impliqué, il n’est pas surprenant que le fer n’ait pas été utilisé avant environ 1500 avant JC. Mais certains métaux purs – l’or, l’argent et le cuivre – ont été utilisés avant cette date, et l’alliage de bronze aurait été découvert par les Sumériens vers 3500 av. J.-C.. Mais l’aluminium, l’un des métaux les plus essentiels à l’usage moderne, n’a été découvert qu’en 1825 après J.-C., et n’a pas été couramment utilisé avant le XXe siècle !

Corrosion : Processus & Prévention

Avez-vous déjà vu un morceau d’argent qui a perdu son éclat, ou du fer avec de la rouille de couleur rougeâtre dessus ou même des trous causés par la corrosion ? Cela se produit lorsque l’oxygène (généralement de l’air) réagit avec un métal. Les métaux ayant une réactivité plus élevée (comme le magnésium, l’aluminium, le fer, le zinc et l’étain) sont beaucoup plus enclins à ce type de destruction chimique, ou corrosion.

Lorsque l’oxygène réagit avec un métal, il forme un oxyde à la surface du métal. Dans certains métaux, comme l’aluminium, c’est une bonne chose. L’oxyde constitue une couche protectrice qui empêche le métal de se corroder davantage.

Le fer et l’acier, en revanche, présentent de sérieux problèmes s’ils ne sont pas traités pour éviter la corrosion. La couche d’oxyde rougeâtre qui se forme sur le fer ou l’acier lorsqu’il réagit avec l’oxygène s’appelle la rouille. La couche de rouille s’écaille continuellement, exposant davantage le métal à la corrosion jusqu’à ce qu’il finisse par être rongé.

Une façon courante de protéger le fer est de le recouvrir d’une peinture spéciale qui empêche l’oxygène de réagir avec le métal sous la peinture. Une autre méthode est la galvanisation : dans ce procédé, l’acier est recouvert de zinc. L’oxygène, les molécules d’eau et le dioxyde de carbone présents dans l’air réagissent avec le zinc, formant une couche de carbonate de zinc qui protège de la corrosion. Regardez autour de votre maison, de votre cour et de votre garage pour trouver des exemples de corrosion ainsi que de galvanisation et d’autres moyens de protéger le métal de la rouille.

Technologie : Feux d’artifice &La chimie

Si vous regardez les feux d’artifice le 4 juillet, vous verrez de magnifiques combinaisons de couleurs et d’étincelles.

Comment fonctionne cet étonnant spectacle pyrotechnique ? La réponse courte est la chimie. La plus longue implique un rappel des propriétés des métaux.

L’un des ingrédients clés des pétards, des feux d’artifice au sol et des feux d’artifice aériens (ceux qui explosent dans le ciel) est la poudre noire, inventée par les Chinois il y a environ 1000 ans. Il s’agit d’un mélange de nitrate de potassium (salpêtre), de charbon de bois et de soufre dans un rapport de 75:15:10. La poudre noire est utilisée pour lancer des aériens et provoque également les explosions nécessaires aux effets spéciaux comme le bruit ou la lumière colorée.

Dans les sparklers, la poudre noire est mélangée à des poudres métalliques et à d’autres composés chimiques sous une forme qui brûlera lentement, de haut en bas. Dans les fusées de feux d’artifice simples, la poudre noire est confinée dans un tube autour d’une fusée. Lorsqu’elle est allumée, la poudre crée une force qui entraîne une réaction égale et opposée, poussant le feu d’artifice du sol, puis faisant exploser les composés qu’il contient dans l’air.

Les obus de feux d’artifice plus complexes sont lancés à partir d’un mortier, un tube contenant de la poudre noire qui provoque une réaction de soulèvement lorsqu’il est allumé. La mèche de l’obus est alors allumée lorsqu’il s’élève dans les airs, et au bon moment, une explosion à l’intérieur de l’obus fait éclater ses charges à effets spéciaux.

La partie brillante et colorée du feu d’artifice est causée par des électrons « excités » dans les atomes de différents composés de métaux et de sels. Ces composés se trouvent dans de petites boules appelées étoiles, faites d’un composé similaire à celui qui fait fonctionner un cierge magique.

Les métaux comme agents colorants

Les différents métaux brûlent de différentes couleurs ; par exemple, si un composé de cuivre est allumé, sa flamme sera de couleur bleu-vert. Le calcium brûle en couleur rouge et le potassium en couleur violette. Dans les feux d’artifice, les métaux sont combinés pour créer différentes couleurs.

Lorsque les composés étoilés à l’intérieur d’un feu d’artifice sont chauffés, les atomes excités dégagent de l’énergie lumineuse. Cette lumière se divise en deux catégories : l’incandescence et la luminescence. L’incandescence est la lumière produite par la chaleur : dans les feux d’artifice, les métaux réactifs comme l’aluminium et le magnésium provoquent une explosion de lumière très vive lorsqu’ils deviennent chauds – parfois à des températures supérieures à 5000 ° F !

Les composés moins réactifs ne deviennent pas aussi chauds, ce qui donne des étincelles plus faibles. La luminescence, en revanche, est produite à partir d’autres sources et peut se produire même à des températures froides. Les électrons du composé absorbent de l’énergie, ce qui les rend « excités ». Mais les électrons ne peuvent pas maintenir ce niveau élevé, alors ils sautent à nouveau à un niveau inférieur, libérant l’énergie lumineuse (photons) dans le processus.

Le chlorure de baryum est un composé chimique qui donne aux feux d’artifice une couleur verte luminescente, et le chlorure de cuivre fait une couleur bleue. Pour l’un ou l’autre type de lumière, il est important d’utiliser des ingrédients purs car des traces d’autres composés obscurciront la couleur.

Lectures complémentaires sur les métaux :

  • Sculpture en fil de fer tournant
  • Projets de foire scientifique de chimie
  • Projets de foire scientifique de physique
  • Projets de science du circuit

.

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.