Metal

Ils sont d'excellents conducteurs électriques (ils conduisent l'électricité).

On reconnaît facilement les métaux grâce à leurs propriétés remarquables:

1.

Par leurs propriétés, les métaux ont été utilisés de multiples façons différentes:

4.

5.

La découverte et l'utilisation des métaux correspondent à de grandes époques de l'histoire de l'Humanité. On leur a donné les noms d'Ages du cuivre, du bronze, du fer.

Certains métaux ne sont faits que d'une seule sorte d'atomes: on dit que ce sont des corps purs. On les représente au moyen d’un symbole qu'on retrouve dans le tableau périodique des éléments (voir cours de chimie).

Exemples:

Le fer ( symbole: Fe ) n'est composé que d'atomes de fer.

L'aluminium ( Al ) n'est constitué que d'atomes d'aluminium.

Le cuivre ( Cu ) n'est composé que d'atomes de cuivre.

Propriétés des métaux

Les corps solides se dilatent lorsqu'ils reçoivent de la chaleur. Les métaux par exemples, très bons conducteurs électriques et thermiques, se dilatent fortement lorsqu'ils emmagasinent de la chaleur.

Un rail en acier mesure 15 m de longueur à 0°C. Quelle est sa longueur à 40°C?

Un pont métallique (acier) mesure 60 m de longueur à 0°C. En hiver, la température descend jusqu'à -20°C; en été elle peut atteindre +40°C. Entre quelles valeurs la longueur du pont peut-elle varier au cours de l'année?

Un fil de fer a une longueur de 3 km à la température de 40°C. Quelle est sa longueur à -30°C?

Un fil de cuivre a une longueur de 1 km à la température de 20°C. Quelle doit être sa température pour qu'il s'allonge de 10 cm?

Une tige de cuivre a une longueur de 1 m à la température de 20°C. On veut fixer bout à bout deux tiges, l'une de fer, l'autre de plomb, de manière que la tige composée ait à toute température la même longueur que la tige de cuivre. Quelles doivent être les longueurs des tiges de fer et de plomb?

Deux tiges métalliques, l'une de cuivre, l'autre de fer sont soudées à une extrémité et placées l'une à côté de l'autre. Quelles doivent être les longueurs de ces tiges à 0°C si l'on veut que la distance entre les extrémités libres soit indépendante de la température et vaille 20 cm?

Ils sont, mis à part les métaux nobles comme l'or, oxydables (facilement attaqués par l'oxygène et d'autres substances). Il se forme alors en surface une couche d'oxyde ("rouille"): les métaux perdent leur éclat et finissent par se faire ronger. On peut les protéger par une couche de peinture, d'huile ou de graisse.

On peut mélanger différents métaux pour faire des alliages qui ont des propriétés nouvelles: ils peuvent être plus résistants, moins malléables, moins lourds, inox (inoxydables), supraconducteurs (laissent passer le courant électrique sans résistance), etc...

Métaux alcalins

Métaux alcalino-terreux

Métaux de transition

Lanthanides

Actinides

Métaux pauvres

Métalloïdes

Non-métaux

Halogènes

Gaz rares

Les métaux sont caractérisés par leur tendance à donner des électrons. Ce qui explique leur sensibilité à l’oxydation, à la corrosion. Dans le tableau périodique des éléments, on range les métaux à gauche et les non-métaux à droite. Les éléments “métalloïdes” ont des propriétés intermédiaires.

Joint de dilatation sur l’autoroute A9, viaduc de Chillon

Bronze, pointe de lance

5e siècle avant JC , Olympie

Utilisation des métaux

Histoire des métaux

Métaux et non-métaux

Dilatation et contraction

7.

8.

Fer, heaume

1400 , Milan

Les métaux purs

Acier: alliage fer (Fe) + carbone (C). La masse de carbone représente moins de 2 %.

Acier inoxydable : alliage fer + carbone + chrome + nickel, ...

Fonte: alliage fer + carbone. La masse de carbone est comprise entre 2 et 6 %.

Bronze (ou 'airain') : alliage + cuivre (Cu) + étain (Sn).

Laiton : alliage cuivre (Cu) + zinc (Zn)

Lorsqu'on mélange divers métaux à l'état liquide et qu'on les refroidit: on obtient de nouveaux métaux qu'on appelle alliages. Ils sont faits de plusieurs sortes d'atomes mélangés en différentes proportions.

Exemples:

Les alliages

français

Acier

Aluminium

Argent

Bronze (airain)

Chrome

Cobalt

Cuivre

Etain

Fer

Fonte

Laiton

Nickel

Or

Plomb

Potassium

Sodium

Zinc

Le fer blanc ou fer étamé est recouvert d’une couche d’étain pour le protéger de l’oxydation

symbole

chimique

-

Al

Ag

-

Cr

Co

Cu

Sn

Fe

-

Ni

Au

Pb

K

Na

Zn

anglais

steel

aluminium

silver

bronze

chromum

cobalt

copper

tin

iron

cast iron

brass

nickel

gold

lead

potassium

sodium

zinc

allemand

stahl

aluminium

silber

bronze

chrom

kobalt

kupfer

zinn

eisen

gusseisen

messing

nickel

gold

blei

kalium

natrium

zinc

latin

-

argentum

-

cuprum (de Chypre)

stannum

ferrum

-

aurum

plumbum

-

L’acier n’a pas de symbole chimique. Pourquoi?

Il n’était pas encore connu lors de la découverte du tableau périodique

Ce n’est pas un corps pur mais un alliage.

C’est une substance qui n’existe pas dans la nature.

•

On peut trouver dans la nature des métaux purs: les métaux natifs. Ce sont les métaux nobles: l'or, l'argent et le cuivre qui ont pu résister à l'attaque des éléments oxydants tels que l'oxygène, le fluor, le chlore et le soufre.

cuivre natif

les parties vertes correspondent à du cuivre oxydé

Minerai de cuivre (Congo) formé de carbonate et d’hydroxyde de cuivre CuCO3 . Cu(OH)2

Ce minéral de couleur verte s’appelle malachite.

La métallurgie consiste à séparer les constituants des minerais afin d'extraire les différents métaux utiles à l'industrie humaine.

Sur Terre on trouve généralement les métaux sous forme de minerais: les métaux sont alors combinés avec des éléments oxydants et forment des oxydes, des hydroxydes, des chlorures, des sulfures,...

Minerai de fer (Itabira, Brésil).

Minerai d’aluminium ou bauxite

(lac de Carcès, France).

Métaux et minerais

On trouve du fer natif dans les météorites ferreuses car elles ont été formées à l'abri de l'oxygène. Mais une fois tombées sur Terre, elles rouillent rapidement.

tranche de météorite ferreuse (Namibie)

Aluminium, cafetière

1933 , Italie

Cuivre natif,

Michigan, USA

cuivre

zinc

laiton

+

=

hélice et saxophone en laiton

•

Maillechort (couronne de la pièce)

cuivre + zinc + nickel (75 % Cu _ 20 % Zn_5 % Ni)

Cupronickel (coeur de la pièce)

alliage cuivre + nickel (75 % Cu _ 25 % Ni)

Or, pièce de Constantin,

350 ap. J-C.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Métal et monnaie

or

Suisse 20 CHF

Vreneli 1997

Au90%Cu10%

argent

Suisse 1 CHF

1943

Ag835Ag83,5%_Cu16,5%

aluminium

France5 FF

1945

Al

bronze

France10 centimes

1854

Napoléon III second Empire

On appelle coefficient de dilatation linéaire d'un corps solide, l'allongement que subit l'unité de longueur (1m) de ce corps lorsque sa température s'élève de 1°C.

Le coefficient linéaire de l'acier est de 0,00001, ce qui signifie qu'une tige d'acier d'un mètre s'allonge de 0,00001m (ou 0,01 mm) pour une élévation de température de 1°C.

Définition:

Exemple:

Certains métaux se dilatent plus que d'autres. L'aluminium s'allonge deux fois plus sous l'effet de la chaleur que l'acier par exemple.

L'allongement d'une tige dépend de l'élévation de température et de la nature du corps.