Métal

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Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont un des trois groupes d'éléments distingués par leurs propriétés d'ionisation et de liaison chimique ; les deux autres sont les métalloïdes et les non-métaux.

Bien que les métaux puissent être définis par leurs propriétés physico-chimiques, il est également possible de les catégoriser en employant une caractérisation de leur structure de bande : les métaux possèdent des bandes de valence et de conduction qui se recouvrent. Cette définition permet d'intégrer à la catégorie des métaux les polymères métalliques et autres composés organométalliques. Ce n'est cependant pas un critère toujours suffisant. Par exemple, le carbone n'est pas un métal mais il possède une phase alpha nommée graphite qui correspond à cette définition.

Métal chauffé par un forgeron

Tous les métaux n'ont pas été découverts à la même époque. Ceux qui existent à l'état natif sont connus depuis des millénaires. D'autres, extraits de minerais, sont plus récents.

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 carbone-diamant (Z=6) est un isolant, le silicium (Z=14) est un semi-conducteur et l'étain (Z=50) est un métal .

Propriétés

Propriétés physico-chimiques

Les métaux sont en général des solides propres et cristallins dans les conditions normales de température et de pression (CNTP) ; le mercure est toutefois une exception notable puisqu'il est le seul métal à l'état liquide dans les conditions normales (25 °C sous pression atmosphérique) ;

L'hydrogène n'est pas cité habituellement comme un métal, bien que sa position sur le tableau périodique des éléments, son aptitude à donner facilement des ions positifs et les découvertes récentes sur l'hydrogène métallique le permettraient.

Les métaux ont toujours un nombre d'oxydation positif : ils ne forment donc que des cations.

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. Les métaux sont présents à l'état naturel sous forme :

• associée à des éléments non-métalliques, sous forme :
  • d'oxyde (cas le plus fréquent), dans des minerais : 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 %) ;
  • de sulfures pyrite pour le fer ou de sulfates ;
  • plus compliquée et même sous plusieurs formes différentes comme on l'a vu pour le fer.
• pure ou associée à des éléments métalliques (alliages) : On parle alors de métaux natifs. Ils incluent : bismuth, cadmium, chrome, indium, fer, nickel (dans des roches d'origine météoritique (nickel-fer)), tellure, antimoine, titane, zinc, cuivre, plomb et mercure ainsi que les métaux nobles (métaux qui résistent à la corrosion et à l'oxydation...) englobant les métaux précieux. Les métaux nobles peuvent être présents dans la nature sous forme :
  • pure : or, argent et platine ;
  • associée au platine dans un minerai et appelé platinoïde (ruthénium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platine).

Seul l'or, l'argent, le cuivre et le platine sont présents dans la nature en grande quantité à l'état natif.

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 atomes 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; 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. Certaines terres rares (Lanthanides dans la classification périodique) sont également ferromagnétiques à basse température. Les propriétés de magnétisme varient lorsqu'on fait des alliages ce qui peut être mis à profit pour créer des aimants 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^[1].

Cette section décrit donc les principales catégories d'espèces chimiques relatives aux ÉTM et présente des exemples d'espèces chimiques de niveau toxique varié^[2].

Oxydation & 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), qui 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 AsH₃ > 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'isotopes au total et quatre d'entre eux sont sous une forme stable : ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb et ²⁰⁸Pb. Les ²⁰⁶Pb et ²⁰⁷Pb proviennent de la dégradation de l'uranium et le ²⁰⁸Pb 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 (H₂O) : remplacer 60 % de l'eau du corps de rongeurs par de l'H₂¹⁸O est sans effet alors qu'une substitution de 30-40 % de cette eau par du D₂O^[3] engendre la mort de ces animaux.

Composé et complexe inorganique

Les métaux s'allient souvent à des ligands inorganiques^[4] 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 (NiCl₂) et les sulfates (NiSO₄) sont solubles dans l'eau et de faible toxicité orale, alors que les sulfures de nickel (Ni₃S₂) 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^[5].

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 organométalliques 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^[6].

Par exemple, la bioalkylation, c'est-à-dire la formation d'un alkyle (CH_x) 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 CH₃-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 et d'or.

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 stœchiométrie : 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 :

Métalⁿ⁺ + Ligand^n- → Métal-Ligand

La constante d'équilibre K_éq associée à cette équation varie selon le type de lien :

• Lien ionique: ~ 10⁰ < K_éq < 10⁴
• Complexe: ~ 10⁴ < K_éq < 10⁸
• Chélateur: ~ 10⁸ < K_éq < 10²⁰

Ainsi, puisque K_éq 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 ^[7],[8].

Toxicité et écotoxicité terrestre

La toxicité et l'écotoxicité des métaux dans les sols sont étroitement liées à leur caractéristiques propres (radioactivité éventuelle et type de radioactivité, métal lourd, toxicité chimique, micro ou nanoparticules, etc.), spéciation chimique et biodisponibilité ; plus l'espèce métallique est libre et 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.

Certains métaux (fer, cuivre et zinc notamment) sont des éléments essentiels. Ils sont toxiques au-delà d'une certaines dose, mais une carence entraine des troubles métaboliques graves.

Ainsi, plusieurs paramètres influencent la toxicité des métaux dans les sols^[9],[10]:

• 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 temps passé après une contamination aiguë, ou le temps durant lequel une contamination chronique a eu lieu : un site fraîchement contaminé ne présente pas nécessairement plus de toxicité qu'un site ayant subi une contamination diffuse mais étalée sur plusieurs années ou décennies ;
• le niveau de saturation des sites d'adsorption : plus les sites sont capables de fixer, les métaux approchent leur niveau de saturation, plus le métal aura tendance à se solubiliser ou se rendre biodisponible.

Économie et géopolitique

Depuis très longtemps les mines de certains métaux (précieux ou communs mais indispensable à l'industrie), les installations de raffinages, voir certains secrets de fabrication étaient considérés comme d'intérêt stratégique par les États. Les raisons militaires et l'avènement des armes et munitions métalliques puis de l'énergie et de l'arme nucléaire ont accru l'importance de certains métaux. Même pour des métaux géologiquement non rares comme le cuivre, mais faisant l'objet d'un marché fluctuant, de fortes hausses de cuivre se traduisent aussi par l'accroissement de vols de métaux (A titre d'exemple, en France, en 2010, RFF et la SNCF ont subi 2 100 vols de cuivre (4 fois plus qu'en 2009) qui ont causé des dysfonctionnement et plusieurs dizaines de millions d'euros de préjudice par an pour la SNCF ^[11].

La consommation de certains métaux autrefois sans valeur s'est fortement accrue au XX^e siècle, avec par exemple l'uranium fortement demandé pour des usages militaires et civils) métaux du groupe du platine utilisés pour les pots d'échappements catalytiques, comme catalyseur industriel ou pour les chimiothérapies anticancéreuses) la surexploitation des ressources minières les plus accessibles ou les plus "pures" et malgré les économies permises par un recyclage d'une partie des métaux constituant les produits en fin de vie ou les chutes de production, la notion de métaux stratégiques est encore prégnante. Ainsi, la France a créé ^[12] en 2011 un « Comité pour les métaux stratégiques », chargé d'aider le ministère à élaborer et mettre en œuvre une politique rénovée de gestion de ces métaux, via notamment des approvisionnements mieux sécurisés. Le ministre chargé des matières premières en préside les 3 collèges (administrations, organismes techniques et fédérations professionnelles et industriels). La FEDEREC (fédération des entreprises du recyclage) et la FEDEM (fédération des minerais, minéraux industriels et métaux non ferreux) y participent.

Astronomie

On appelle métaux les produits des réactions qui ont lieu au cœur des étoiles, 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

Métaux alcalins

• Césium (Cs)
• Francium (Fr)
• Lithium (Li)
• Potassium (K, du latin kalium)
• Rubidium (Rb)
• Sodium (Na, du latin natrium)

Métaux alcalino-terreux

• Baryum (Ba)
• Béryllium (Be)
• Calcium (Ca)
• Magnésium (Mg)
• Radium (Ra)
• Strontium (Sr)

Métaux de transition

• Argent (Ag, métal précieux)
• Bohrium (Bh)
• Cadmium (Cd)
• Chrome (Cr)
• Cobalt (Co)
• Copernicium (Cn)
• Cuivre (Cu)
• Darmstadtium (Ds)
• Dubnium (Db)
• Fer (Fe)
• Hafnium (Hf)
• Hassium (Hs)
• Iridium (Ir)
• Manganèse (Mn)
• Meitnerium (Mt)
• Mercure (Hg)
• Molybdène (Mo)
• Nickel (Ni)
• Niobium (Nb)
• Or (Au, métal précieux)
• Osmium (Os)
• Palladium (Pd, métal précieux)
• Platine (Pt, métal précieux)
• Rhénium (Re)
• Rhodium (Rh)
• Roentgenium (Rg)
• Ruthénium (Ru)
• Rutherfordium (Rf)
• Scandium (Sc)
• Seaborgium (Sg)
• Tantale (Ta)
• Technétium (Tc)
• Titane (Ti)
• Tungstène (W)
• Vanadium (V)
• Yttrium (Y)
• Zinc (Zn)
• Zirconium (Zr)

Métaux pauvres

• Aluminium (Al)
• Bismuth (Bi)
• Étain (Sn)
• Gallium (Ga)
• Indium (In)
• Plomb (Pb)
• Thallium (Tl)

Alliages

Les mélanges de métaux forment des alliages.

Notes et références

1. ↑ Walker C.H., Hopkin S.P. et al. 2006. Principles of Ecotoxicology. Boca Raton: CRC PRESS, Taylor and Francis Group. 315 p.
2. ↑ 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
3. ↑ Le deutérium est un isotope de l'hydrogène
4. ↑ Sans atome de carbone
5. ↑ 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
6. ↑ Solomons G. & Fryhle C. 2000. Chimie organique. Mont-Royal, Modulo Éditeur, Traduction de Organic Chemistry, John Wiley & Sons, Inc.p. 483-484
7. ↑ 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.
8. ↑ 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.
9. ↑ Naidu R., Gupta V.V.S.R. et al. 2003. Bioavailability, Toxicity and Risk Relationships in Ecosystems. Endfield: Science Publishers, Inc. p. 58-82.
10. ↑ 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.
11. ↑ Brève d'Environnement on line, sur les vols de cuivre, 25 janvier 2011
12. ↑ décret annoncé par le ministre chargé de l'énergie le 26 janvier 2011

Voir aussi

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• « métal », sur le Wiktionnaire (dictionnaire universel)

Articles connexes

• Métallurgie
• Alliage
• Alliage métallique amorphe

Liens externes

• Base de données de la Société française de chimie (SFC)