Métal
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2008-07-15T13:06:21Z
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{{Voir homonymes}}
Un '''métal''' est un élément qui peut former des [[liaison métallique|liaisons métalliques]] et perdre des électrons pour former des cations ([[ion]]s positifs) (et des [[liaison ionique|liaisons ioniques]] dans le cas des [[métal alcalin|alcalins]]). Les métaux sont un des trois groupes d'éléments distingués par leurs propriétés d'[[ion]]isation et de [[liaison chimique]] ; les deux autres sont les [[métalloïde]]s et les [[non-métaux]].
Bien que les métaux puissent être définis par leurs propriétés physico-chimiques (voir plus loin), il est également possible de les catégoriser en employant une caractérisation de leur [[structure électronique atomique|structure de bande]] : les métaux possédent des [[bande de valence|bandes de valence]] et de [[bande de conduction|conduction]] qui se recouvrent. Cette définition permet d'intégrer à la catégorie des métaux les [[polymère métallique|polymères métalliques]] et autres composés [[organométallique]]s. Ce n'est cependant pas un critère toujours suffisant. Par exemple, le carbone n'est pas un métal mais il possède une phase nommée graphite (c'est d'ailleurs sa phase alpha) qui correspond à cette définition.
[[Image:Hot metalwork.jpg|thumb|right|300px|Métal chauffé par un forgeron]]
== Les métaux dans le tableau périodique ==
Dans le [[tableau périodique des éléments]] la diagonale partant du [[bore]] (B) et allant jusqu'au [[polonium]] (Po) sépare les éléments métalliques (en bas à gauche) des éléments non métalliques (en haut à droite). Les éléments placés sur cette ligne sont des [[métalloïdes]].
De plus, le caractère métallique des éléments d'une même colonne augmente avec le nombre d'électrons (c'est-à-dire lorsque l'on descend dans le tableau). Par exemple, le [[diamant|carbone-diamant]] (Z=6) est un [[isolant]], le [[silicium]] (Z=14) est un [[semi-conducteur]] et l'[[étain]] (Z=50) est un métal .
== Propriétés des métaux ==
=== Propriétés physico-chimiques ===
Les métaux sont en général des solides [[cristal]]lins dans les conditions normales de température et de pression ([[CNTP|CNTP]]) ; le [[mercure (chimie)|mercure]] est toutefois une exception notable puisqu'il est le seul métal à l'état liquide dans les [[CNTP|conditions normales]] (25 °C sous [[pression atmosphérique]]). Trois autres métaux sont liquides aux environs de la température ambiante : le [[césium]], le [[gallium]] et le [[rubidium]]. Ils sont en général malléables et [[ductilité|ductiles]] (on peut les déformer par exemple en les étirant ou en les martelant), ils conduisent bien la chaleur et l'électricité (mais pas tous), et ils reflètent la lumière (éclat métallique) sauf lorsqu'ils sont recouverts d'[[oxyde métallique|oxyde]] ([[corrosion]]). La plupart du temps, les métaux sont extraits sous forme minérale plus ou moins cristallisée ([[cristal]]) dans leurs minerais et presque toujours combinés à un ou plusieurs autres atomes. Ils sont souvent présents à l'état naturel sous forme d'[[oxyde]], dans des [[minerai]]s : [[bauxite]] pour l'aluminium, [[hématite]] pour le fer, ilménite ou [[rutile]] pour le titane... L'ilménite, par exemple, principal minerai du titane est un oxyde mixte de titane et de fer (pourcentage des deux métaux entre 30 et 70 %). D'autres peuvent se présenter sous forme de sulfures [[pyrite]] pour le fer ou de sulfates, voire sous forme plus compliquée et même sous plusieurs formes différentes comme on l'a vu pour le [[fer]]. Certains métaux sont présents à l'état non-oxydé, comme les métaux précieux (or, platine) ou bien dans des roches d'origine [[météorite|météoritique]] ([[nickel]]-[[fer]]). On les appelle alors natifs. Ils ont toujours une [[nombre d'oxydation]] positif: ils ne forment donc que des [[cations]].
=== Propriétés électriques ===
Les métaux conduisent généralement bien l'électricité et la chaleur. En tête l'argent, le cuivre et l'or.
La conduction électrique dans les métaux peut être analysée de manière microscopique ou macroscopique.
D'un point de vue microscopique, la principale raison vient de la liaison métallique. Les [[atome]]s métalliques forment des structures 2D ou 3D qui se répètent, appelées mailles. À l'intérieur, des électrons à peu près libres circulent entourés des atomes dont ils sont issus. C'est ce mouvement électronique qui est responsable de la bonne conduction, et plus ces électrons sont libres, plus le métal est bon conducteur. Ces électrons plus ou moins libres sont appelés « électrons de conduction ».
D'un point de vue macroscopique, c'est la théorie des bandes d'énergie qui fournit la réponse. En effet, dans les métaux la bande d'énergie la plus haute occupée et la plus basse vacante se chevauchent, ou au moins se touchent. Il faut ainsi peu d'énergie pour exciter un métal et plus il est facile de l'exciter, plus un métal pourra céder un électron et meilleur conducteur il sera.
=== Propriétés magnétiques ===
Quelques métaux présentent des propriétés magnétiques remarquables comme le [[ferromagnétisme]], essentiellement le [[fer]], le [[cobalt]] et le [[nickel]] à température ambiante. Les propriétés de magnétisme varient lorsqu'on fait des [[alliage]]s ce qui peut être mis à profit pour créer des [[aimant]]s puissants où annuler le [[magnétisme]] d'un métal (le fer typiquement).
== Spéciation chimique ==
Les différents états d'oxydation, conformations, complexes ou formes transitoires représentent des espèces chimiques distinctes d'un élément et jouent un rôle majeur sur leur biodisponibilité et leur toxicité ou écotoxicité. Certaines espèces d'éléments traces métalliques (ÉTM) sont plus facilement assimilables par les organismes que d'autres, ce qui engendre des effets bénéfiques ou néfastes selon la nature et la concentration du métal (élément essentiel ou non).
Il ne faut pas confondre la spéciation chimique d'un élément avec son fractionnement ou sa partition. La littérature scientifique confond quelquefois ces concepts ce qui complexifie les recherches dans ces domaines.
* Spéciation chimique : C'est la distribution d'un élément selon différentes catégories d'espèces chimiques dans un système
* Fractionnement : C'est la classification d'un élément ou d'un groupe analysé par rapport à ses propriétés physiques et/ou chimiques (grosseur de particules, solubilité, force de liaison, etc.)
* Partition : Répartition d'un composé dans les différentes phases d'un système (solide, liquide, atmosphère, matière organique, etc.) selon des coefficients de partition spécifiques<ref>Walker C.H., Hopkin S.P. et al. 2006. '''Principles of Ecotoxicology'''. Boca Raton: CRC PRESS, Taylor and Francis Group. 315 p. </ref>
Cette section décrit donc les principales catégories d'espèces chimiques relatives aux ÉTM et présente des exemples d'espèces chimiques de niveau toxique varié<ref>Templeton D.M., Ariese F. et al. 2000. '''Guidelines for Terms related to Chemical Speciation and Fractionation of Elements. Definitions, Structural Aspects, and Methodological Approaches'''. Pure Applied Chemistry, Vol.72, No.8, p. 1453-1470</ref>.
=== Oxydation et réduction ===
L'[[état d'oxydation]] ou de réduction des métaux dans un système influence leurs effets sur les organismes. Par exemple, le chrome oxydé Cr(III) est un élément essentiel (c'est-à-dire nécessaire pour le bon fonctionnement de l'organisme) et pénètre difficilement les membranes lipidiques des cellules. En revanche, le Cr(VI) s'avère toxique pour certains gènes, est cancérigène et pénètre facilement dans les cellules grâce à des transporteurs spécifiques. De plus, les formes les plus réduites de l'arsenic sont généralement les plus toxiques : toxicité de AsH<sub>3</sub> > As(III) > As(V).
=== Composition isotopique ===
La composition isotopique de quelques éléments influence leur abondance ou leur toxicité dans l'environnement. Par exemple, le plomb comporte une vingtaine d'[[isotope]]s au total et quatre d'entre eux sont sous une forme stable : <sup>204</sup>Pb, <sup>206</sup>Pb, <sup>207</sup>Pb et <sup>208</sup>Pb. Les <sup>206</sup>Pb et <sup>207</sup>Pb proviennent de la dégradation de l'uranium et le <sup>208</sup>Pb résulte de la dégradation du thorium, deux éléments radioactifs ; ainsi, l'abondance de ces isotopes s'accroît dans le temps, et la composition isotopique du plomb évolue donc selon les sources d'émission stimulées. Un autre exemple intéressant de variation de la toxicité est lié à la composition isotopique de l'eau (H<sub>2</sub>O) : remplacer 60 % de l'eau du corps de rongeurs par de l'H<sub>2</sub><sup>18</sup>O est sans effet alors qu'une substitution de 30-40 % de cette eau par du D<sub>2</sub>O<ref>Le [[deutérium]] est un isotope de l'hydrogène </ref> engendre la mort de ces animaux.
=== Composé et complexe inorganique ===
Les métaux s'allient souvent à des ligands inorganiques<ref>Sans atome de carbone</ref> pour former des composés ou complexes inorganiques possédant des propriétés physico-chimiques différentes. Par exemple, la charge, la solubilité, le coefficient de diffusion ou la force de liaison de ces composés influencent le transport et par conséquent la biodisponibilité et la toxicité des métaux dans les organismes. Par exemple, certains sels de nickel comme les chlorures (NiCl<sub>2</sub>) et les sulfates (NiSO<sub>4</sub>) sont solubles dans l'eau et de faible toxicité orale, alors que les sulfures de nickel (Ni<sub>3</sub>S<sub>2</sub>) sont pratiquement insolubles dans l'eau mais sont cancérigènes.
=== Composé organique ===
Les composés organiques tel les sucres, acides organiques, lipides ou autres composés organiques de faible poids moléculaire ont des affinités plus ou moins importantes avec les métaux. Certains d'entre eux, des acides organiques comme l'[[acide citrique]] et l'[[acide malique]], contiennent un groupement fonctionnel (l'hydroxylcarboxyle) qui se lie facilement aux métaux et qui diminuent leur biodisponibilité; ces composés sont très étudiés en écotoxicologie terrestre car ils sont excrétés par les racines des plantes et les micro-organismes du sol, créant une synergie qui diminue la toxicité des métaux dans le sol<ref>Sauvé S. & Parker D.R. 2005. '''Chapter 14: Chemical Speciation of Trace Elements in Soil Solution.''' Dans ''Chemical Process in Soils, vol.8''. Madison, Soil Science Society of America, p. 655-688 </ref>.
Certains composés organiques particuliers comme l'[[EDTA]] forment des complexes très stables avec les métaux que l'on nomme chélateurs. Les chélateurs sont des ligands solubles polydentés faiblement acides qui forment des complexes chélateur-métal thermodynamiquement forts ; ils sont quelquefois utilisés pour la restauration des eaux et des sols contaminés aux métaux ou dans les méthodes analytiques chimiques pour extraire les métaux d'une matrice.
=== Composé organométallique ===
Les composés [[organométallique]]s contiennent une liaison entre le carbone et le métal. Cette liaison peut être de nature covalente ou ionique; par exemple, les liaisons carbone-sodium et carbone-potassium sont fortement ioniques, les liaisons carbone-étain, carbone-plomb et carbone-mercure sont fortement covalentes et les liens carbone-lithium et carbone magnésium se situent entre la liaison ionique et la liaison covalente<ref>Solomons G. & Fryhle C. 2000. '''Chimie organique'''. Mont-Royal, Modulo Éditeur, Traduction de ''Organic Chemistry'', John Wiley & Sons, Inc.p. 483-484 </ref>.
Par exemple, la bioalkylation, c'est-à-dire la formation d'un alkyle (CH<sub>x</sub>) avec un métal par des micro-organismes spécifiques, est un processus fréquent dans les sols et les sédiments. Or, bien que la méthylation des métaux (lien CH<sub>3</sub>-métal) forme des composés plutôt toxiques, certains alkyles métalliques d'arsenic et de sélénium détoxifient le métabolisme de l'humain et d'autres organismes vivants. Néanmoins, la plupart des produits organométalliques résultant d'une bioalkylation sont d'origine anthropogénique, comme certains fongicides ou produits de combustion d'essence, et sont très toxiques pour le système nerveux central de certains organismes (comme les dérivés d'alkyles d'étain, de plomb ou de mercure).
=== Composé ou complexe macromoléculaire ===
Les composés ou complexes macromoléculaires sont à la limite de représentation des espèces chimiques. Ils forment malgré tout une catégorie distincte car ils jouent un rôle particulièrement important dans la biodisponibilité des métaux pour les organismes vivants. En effet, les acides humiques et fulviques résultant de la biodégradation de la matière organique sont des anions mobilisant les ÉTM contenus dans les sols et dans les eaux. Les acides humiques et fulviques ont des structures et une composition très variables et complexes mais joueraient un rôle significatif sur la spéciation des métaux.
D'autres particules organiques et inorganiques tels la biomasse et les colloïdes adsorbent les métaux et diminuent ainsi leur toxicité en réduisant leur biodisponibilité. Par contre, d'autres macromolécules anioniques des organismes vivants, comme certains acides nucléïques ou les glycosaminoglycanes, se lient involontairement aux ÉTM et provoquent des mutagenèses dommageables pour l'organisme.
=== Paramètres influençant la spéciation des métaux ===
La spéciation des métaux dans les phases aqueuses et solides est influencée par plusieurs paramètres (Voir aussi section Environnement de cette page) :
* Le pH : en général, un pH acide tend à solubiliser les métaux alors qu'un pH alcalin favorise leur adsorption;
* La matière organique : la matière organique adsorbe les métaux et est synonyme de stabilité (non biodisponibilité)
* La concentration des ligands : plus la concentrations des ligants inorganiques et organiques est élevée, plus le métal se lie à ce ligant et forme une espèce chimique populeuse
* La force du lien ionique ou covalent : plus le lien métal-composé est fort, plus l'espèce chimique associée à ce composé sera stable;
* La [[stoechiométrie]] : les principes stoechiométriques doivent évidemment être respectés pour engendrer la formation des composés.
Cette spéciation implique que l'équilibre chimique est atteint. Or, la complexation des métaux avec les ligands inorganiques est très rapide car ils sont nombreux dans la phase aqueuse, mais la complexation des métaux avec les ligands organiques nécessite plus de temps car les sites d'adsorption ou d'attachement sont moins accessibles. Par conséquent, il est préférable d'analyser la spéciation d'une contamination métallique sur une matrice contaminée stable depuis plusieurs années qu'une matrice fraîchement contaminée avec une dynamique chimique évolutive, sans quoi les analyses risquent d'être biaisées.
De plus, la constante d'équilibre relative à la notion d'équilibre chimique peut être illustrée par la réaction :
'''Métal<sup>n+</sup> + Ligand<sup>n-</sup> -> Métal-Ligand'''
La [[constante d'équilibre]] K<sub>éq</sub> associée à cette équation varie selon le type de lien :
* Lien ionique: ~ 10<sup>0</sup> < K<sub>éq</sub> < 10<sup>4</sup>
* Complexe: ~ 10<sup>4</sup> < K<sub>éq</sub> < 10<sup>8</sup>
* Chélateur: ~ 10<sup>8</sup> < K<sub>éq</sub> < 10<sup>20</sup>
Ainsi, puisque K<sub>éq</sub> est relativement faible pour les paires ioniques et plus élevée pour les complexes, les métaux préfèrent s'associer à long terme aux complexes stables qu'aux paires ioniques de plus faible énergie de liaison.
== Environnement ==
Contrairement aux composés organiques, les métaux ne sont pas biodégradables par les micro-organismes. Cette caractéristique engendre certains problèmes de gestion de la contamination métallique. En effet, le sort des métaux dans l’environnement pose de grands défis analytiques; les métaux se retrouvent sous plusieurs formes dans le sol et dans l'eau (complexe avec la matière organique du sol, avec les minéraux, précipitation, ions libres, etc.) complexifiant les prédictions de toxicité et d'écotoxicité <ref>Ge Y., Murray P. et Hendershot W.H. 2000. '''Trace Metal Speciation and Bioavailability in Urban Soils'''. ''Environmental Pollution''. Vol 107, no 1. p. 137-144.</ref>{{,}}<ref>Cances B., Ponthieu M. et al. 2003. Metal Ions Speciation in a Soil and its Solution: Experimental Data and Model Results. Geoderma. Vol 113, no 3-4. p 341-355. </ref>.
=== Toxicité et écotoxicité terrestre ===
La toxicité et l'écotoxicité des métaux dans les sols sont étroitement liées à leur spéciation chimique et à la notion de biodisponibilité; plus l'espèce métallique est mobile, plus elle est biodisponible et plus il y a un risque de toxicité sur les organismes vivants. En général, les ions métalliques libres (en solution) constituent la forme chimique la plus disponible pour les organismes et donc la plus susceptible d'être toxique. Cependant, d'autres espèces ou fractions de métaux peuvent être instables et mobiles (fraction labile ou liée aux oxydes libres par exemple) et engendrer un risque pour les organismes.
En plus, certains métaux comme le fer, le cuivre et le zinc constituent des éléments essentiels auxquels de trop faibles expositions entraîneront des carences métaboliques; or, ces métaux peuvent aussi être toxiques si l'exposition des organismes excède la dose recommandée.
Ainsi, plusieurs paramètres peuveut influencer la toxicité des métaux dans les sols<ref>Naidu R., Gupta V.V.S.R. et al. 2003. '''Bioavailability, Toxicity and Risk Relationships in Ecosystems'''. Endfield: Science Publishers, Inc. p. 58-82.</ref>{{,}}<ref>L'Herroux L., Le Roux S. et al. 1997. '''Behavior of Metals following Intensive Pig Slurry Applications to a Natural Field Treatment Process in Brittany'''. ''Environmental Pollution''. Vol 97, no 1-2. p. 119-130.</ref>:
* le pH : généralement, un pH acide solubilise les métaux normalement immobiles et augmente donc le risque de toxicité
* la composition du sol : les argiles et la matière organique du sol adsorbent les contaminants et les séquestrent sous forme de complexes stables faiblement mobiles, alors que les particules plus grosses comme le sable ou le gravier retiennent moins les métaux du sol
* le vieillissement de la contamination : un site fraîchement contaminé est normalement plus toxique qu'un site qui subit une contamination diffuse (lente) depuis un certain temps
* le niveau de saturation des sites d'adsorption : plus les sites capables de fixer les métaux approchent leur niveau de saturation, plus le métal aura tendance à se solubiliser
== Astronomie ==
On appelle métaux les produits des réactions qui ont lieu au cœur des [[étoile]]s, ce qui signifie que, ''astronomiquement parlant'', tous les éléments sauf l'[[hydrogène]] sont des métaux.
(bien que sous certaines conditions de température et de pression, l'hydrogène peut avoir un comportement métallique : voir [[hydrogène métallique]])
== Liste des métaux ==
=== Métaux alcalins ===
* [[Lithium]] (Li)
* [[Sodium]] (Na, du latin natrium)
* [[Potassium]] (K, du latin kalium)
* [[Rubidium]] (Rb)
* [[Césium]] (Cs)
* [[Francium]] (Fr)
=== Métaux alcalino-terreux ===
* [[Béryllium]] (Be)
* [[Magnésium]] (Mg)
* [[Calcium]] (Ca)
* [[Strontium]] (Sr)
* [[Baryum]] (Ba)
* [[Radium]] (Ra)
=== Métaux de transition ===
* [[Scandium]] (Sc)
* [[Titane]] (Ti)
* [[Vanadium]] (V)
* [[Chrome]] (Cr)
* [[Manganèse]] (Mn)
* [[Fer]] (Fe)
* [[Cobalt]] (Co)
* [[Nickel]] (Ni)
* [[Cuivre]] (Cu)
* [[Zinc]] (Zn)
* [[Yttrium]] (Y)
* [[Zirconium]] (Zr)
* [[Niobium]] (Nb)
* [[Molybdène]] (Mo)
* [[Technétium]] (Tc)
* [[Ruthénium]] (Rh)
* [[Palladium (chimie)|Palladium]] (Pd, métal précieux)
* [[Argent]] (Ag, métal précieux)
* [[Cadmium]] (Cd)
* [[Hafnium]] (Hf)
* [[Tantale (chimie)|Tantale]] (Ta)
* [[Tungstène]] (W)
* [[Rhénium]] (Re)
* [[Osmium]] (Os)
* [[Iridium]] (Ir)
* [[Platine]] (Pt, métal précieux)
* [[Or]] (Au, métal précieux, du latin aurum)
* [[Mercure (chimie)|Mercure]] (Hg, du latin hydragyrium, « argent liquide »))
* [[Rutherfordium]] (Rf)
* [[Dubnium]] (Db)
* [[Seaborgium]] (Sg)
* [[Bohrium]] (Bh)
* [[Hassium]] (Hs)
* [[Meitnérium]] (Mt)
* [[Darmstadtium]] (Ds)
* [[Roentgenium]] (Rg)
* [[Ununbium]] (Uub)
=== Métaux pauvres ===
* [[Aluminium]] (Al)
* [[Gallium]] (Ga)
* [[Indium]] (In)
* [[Etain]] (Sn, du latin stanium)
* [[Thallium]] (Tl)
* [[Plomb]] (Pb)
* [[Bismuth]] (Bi)
* [[Ununtrium]] (Uut)
* [[Ununquadium]] (Uuq)
* [[Ununpentium]] (Uup)
* [[Ununhexium]] (Uuh)
== Alliages ==
Les mélanges de métaux forment des [[alliage]]s, comme l'[[acier]] (alliage fer-carbone), les alliages de cuivre ([[bronze]], [[laiton]]), les amalgames (alliages de mercure)...
Beaucoup de métaux sont toxiques directement ou par l'intermédiaire de leurs composés, en particulier les [[métal lourd|métaux lourds]] ([[plomb]], [[mercure (chimie)|mercure]], ...).
== Notes et références ==
{{reflist}}
== Voir aussi ==
===Liens internes===
{{Wiktionnaire}}
* [[Métallurgie]]
* [[Alliage]]
* [[Alliage métallique amorphe]]
===Liens externes===
* [http://www.sfc.fr/Donnees/metaux/ssmetaux.htm Base de donnée] de la Société Française de Chimie (SFC)
{{ElementsChimiques}}
{{Portail|Physique|Chimie}}
[[Catégorie:Métal|*]]
[[Catégorie:Composé minéral]]
[[af:Metaal]]
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