Métaux

Les métaux (du grec ancien μέταλλον metallon "mine, minerai, metal") forment les éléments chimiques qui sont situés à gauche et en dessous d'une ligne de division du bore à l' astate dans le tableau périodique des éléments . Cela représente environ 80% des éléments chimiques, de sorte que la transition vers les non-métaux via les semi -métaux est fluide et beaucoup d'entre eux peuvent former des modifications avec des liaisons métalliques et atomiques.

Le terme est également utilisé pour les alliages et certaines phases intermétalliques ; Elle s'applique à tous les matériaux qui, sous forme solide ou liquide, présentent les quatre propriétés caractéristiques des matériaux métalliques suivantes:

  1. haute conductivité électrique , ce qui diminue avec l' augmentation de la température,
  2. haute conductivité thermique ,
  3. Ductilité (déformabilité)
  4. éclat métallique (finition miroir).

Toutes ces propriétés sont basées sur le fait que les atomes en question sont maintenus ensemble par la liaison métallique , dont la caractéristique la plus importante est les électrons en mouvement libre dans le réseau.

Un seul atome de ces éléments n'a pas de propriétés métalliques; ce n'est pas du métal. Ce n'est que lorsque plusieurs de ces atomes interagissent les uns avec les autres et qu'il existe une liaison métallique entre eux que ces groupes d'atomes ( amas ) présentent des propriétés métalliques.

Lors d'un refroidissement extrêmement rapide, les atomes de ces éléments peuvent également s'assembler de manière amorphe sans former un réseau cristallin - voir verre métallique .

D'autre part, les atomes d'autres éléments peuvent également former des liaisons métalliques dans des conditions extrêmes (pression) et adopter ainsi les propriétés métalliques mentionnées - voir hydrogène métallique .

Les métaux ont trouvé des utilisations diverses comme matériaux depuis le début de la civilisation . Sous le terme de physique des métaux ou de science des métaux , les physiciens et les scientifiques des matériaux traitent de toutes les bases, voir sous Physique du solide , et avec des applications, voir sous science des matériaux .

Classification

Les éléments, divisés en non-métaux, semi-métaux et métaux. Ce dernier différencié selon la densité (calculée pour Fm à Og)
non métallique: jusqu'à 5 g / cm³
(semi) métal: jusqu'à 5 g / cm³ de 5 g / cm³   de 10 g / cm³ à   partir de 20 g / cm³
H Hey
Li Être B. C. N O F. Non
N / A Mg Al Si P. S. Cl Ar
K Environ Sc Ti V. Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Géorgie Ge Comme Se Br Kr
Rb Sr Oui Zr Nb lun Tc Ru Rh Pd Ag CD Dans Sn Sb Te JE. Xe
Cs Ba La * Hf Ta W. ré Os Ir Pt Au Ed Tl Pb Bi Po À Marg
Fr. Ra Ac ** Rf Db Sg Soutien-gorge Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Dessus
 
  * Ce Pr Nd PM Sm UE Gd Tb Dy Ho Il Tm Yb Lu
  ** E Pennsylvanie U Np Caca Au Cm Bk Cf Il Fm Maryland Non G / D

Traditionnellement, les métaux sont divisés en métaux lourds et métaux légers selon leur densité et en métaux nobles et métaux de base selon leur réactivité , ces derniers étant de bons agents réducteurs . Voir également l'article principal matériau métallique (ainsi que la réactivité sous réaction redox ).

Les métaux sont formés à partir des éléments qui se trouvent à gauche et en dessous d'une ligne allant du bore à l' astate dans le tableau périodique des éléments , le caractère métallique augmentant de haut en bas ou de droite à gauche. Tout en haut à droite se trouvent les non-métaux , avec les semi- métaux entre les deux . Les éléments du sous-groupe sont tous des métaux. La frontière avec les non-métaux est fluide. Par exemple, l' antimoine , l' arsenic , le cérium et l' étain ont des modifications à la fois métalliques et non métalliques .

L'appartenance au groupe principal ou aux sous-groupes du tableau périodique est également déterminante pour le comportement chimique.

Propriétés physiques

Général

Un morceau de fer de haute pureté avec une pureté de 99,97%
Cellule unitaire cubique centrée sur le corps d'un cristal de fer

Les propriétés suivantes des atomes sont requises pour la formation de l'état métallique:

Le résultat est que ces atomes ne peuvent pas se connecter les uns aux autres via des liaisons atomiques pour former des molécules ou des réseaux. Au plus, des liaisons atomiques se produisent dans les vapeurs métalliques, par ex. B. la vapeur de sodium est constituée d'environ 1% de molécules de Na 2 .

Au contraire, les atomes métalliques s'organisent en un réseau métallique , qui consiste en des noyaux atomiques chargés positivement , tandis que les électrons de valence sont répartis sur tout le réseau; aucun de ces électrons n'appartient plus à un noyau particulier. Ces électrons en mouvement libre peuvent être imaginés comme des particules d'un gaz qui remplit l'espace entre les noyaux atomiques. Puisque ce gaz d'électrons est responsable de la bonne conductivité électrique des métaux, le niveau d'énergie auquel se trouvent les électrons libres est appelé « bande de conduction ». Les conditions énergétiques précises sont décrites par le modèle de bande basé sur le modèle orbital .

Les propriétés typiques suivantes des métaux résultent de ce type de liaison et de cette structure en treillis :

  • Shine ( brillance du miroir): Les électrons en mouvement libre peuvent réémettre presque tout le rayonnement électromagnétique incident jusqu'aux longueurs d'onde du rayonnement X; c'est ainsi que naissent l'éclat et le reflet ; C'est pourquoi les miroirs sont fabriqués à partir de surfaces métalliques lisses .
  • Opacité: La réflexion décrite ci-dessus se produisant sur la surface métallique et l'absorption de la partie non réfléchie signifient que, par exemple, la lumière peut difficilement pénétrer dans le métal. Les métaux ne sont donc que légèrement translucides dans les couches les plus minces et apparaissent gris ou bleu lorsqu'ils sont vus à travers.
  • Bonne conductivité électrique : La migration des électrons se déplaçant librement dans une direction est le courant électrique .
  • Bonne conductivité thermique : les électrons facilement déplaçables participent au mouvement de la chaleur. Ils transfèrent également le mouvement thermique propre des noyaux atomiques (vibrations) et contribuent ainsi au transport de la chaleur, voir conduction thermique .
  • Bonne déformabilité ( ductilité ): il y a des joints de grains et des dislocations dans le métal , qui peuvent se déplacer même lorsqu'ils sont étirés en dessous de l' allongement à la rupture , c'est-à-dire sans perdre de cohésion; Selon le type de grille, un métal se déforme avant de se casser.
  • Point de fusion relativement élevé : il résulte des forces de liaison globales entre les cations et les électrons en mouvement libre, mais un effet qui est moins fort que les forces électrostatiques d'attraction entre les ions dans les cristaux de sel.

Températures de fusion et d'ébullition

Les métaux ayant un point de fusion T E au-dessus de 2000 K ou au- dessus du point de fusion du platine (T E -Platinum = 2045 K = 1772 ° C) sont appelés en tant que haut point de fusion des métaux . Il s'agit notamment des métaux précieux ruthénium , rhodium , osmium et iridium et des métaux des groupes IVB ( zirconium , hafnium ), VB ( vanadium , niobium , tantale ), VIB ( chrome , molybdène , tungstène ) et VIIB ( technétium , rhénium ).

Propriétés de conductivité thermique

Les propriétés pertinentes pour la conduction thermique, telles que la densité , la capacité thermique , la conductivité thermique et la diffusivité thermique , varient considérablement. Par exemple, l'argent, à 427 W / (m · K), a une conductivité thermique environ 50 fois supérieure à celle du manganèse, voir liste de valeurs .

Propriétés physiques de certains métaux. Les valeurs les plus élevées et les plus basses sont indiquées en couleur.
élément lithium aluminium chrome le fer cuivre zinc argent étain Césium tungstène osmium or Mercure conduire
Point de fusion en ° C (1013 hPa) 180,54 660,2 1907 1538 1084,62 419,53 961,78 231,93 28,44 3422 3130 1064,18 −38,83 327,43
Point d'ébullition en ° C (1013 hPa) 1330 2470 2482 3000 2595 907 2210 2602 690 5930 5000 2970 357 1744
Densité en g / cm 3 (20 ° C, 1013 hPa) 0,534 2,6989 7,14 7 874 8,92 7,14 10,49 α-étain: 5,769

β-étain: 7,265

1,90 19,25 22,59 19,32 13,5459 11 342
Dureté Mohs 0,6 2,75 8,5 4,0 3.0 2,5 2,5 1,5 0,2 7,5 7,0 2,5 1,5
Conductivité électrique en 10 6 S / m 10,6 37,7 7,87 10,0 58,1 16,7 61,35 8,69 4,76 18,52 10,9 45,5 1,04 4,76
Conductivité thermique en W / ( m · K ) 85 235 94 80 400 120 430 67 36 170 88 320 8.3 35
Numéro atomique 3 13e 24 26 29 30ème 47 50 55 74 76 79 80 82
Masse atomique en u 6,94 26 982 51 996 55.845 63 546 65,38 107.868 118,710 132,905 183,84 190,23 196,967 200,592 207,2
Electronégativité 0,98 1,61 1,66 1,83 1,9 1,65 1,93 1,96 0,79 2,36 2.2 2,54 2,0 2,33
Système cristallin (1) cl cl cl cl cF hcp cF α-étain: A4

β-étain: tl

cl cl hcp cF P 3 cF

Propriétés chimiques

En conjonction avec les non-métaux, les métaux apparaissent généralement sous forme de cations ; Autrement dit, les électrons externes sont complètement cédés aux atomes non métalliques et un composé ionique ( sel ) est formé. Dans un réseau ionique , les ions ne sont maintenus ensemble que par des forces électrostatiques .

Dans les composés avec des métaux de transition et dans le cas d' anions plus gros (tels que l' ion sulfure ), toutes les étapes de transition vers la liaison atomique peuvent se produire.

Avec des non-métaux tels que l' hydrogène , le carbone et l' azote, il se forme également des composés d'intercalation , dans lesquels les atomes non métalliques sont situés dans des espaces de la grille métallique, sans l'altérer substantiellement. Ces composés d'intercalation conservent les propriétés métalliques typiques telles que la conductivité électrique .

Cations métalliques, v. une. ceux du sous-groupe des métaux forment des composés complexes avec des bases ( eau , ammoniac , halogénures , cyanures, etc.) dont la stabilité ne peut être expliquée par l'attraction électrostatique seule.

Les métaux dans des états d'oxydation plus élevés forment également des anions complexes, par ex. B.:

Le trioxyde de chrome se dissout dans une solution d'hydroxyde de potassium avec formation de chromate de potassium et d'eau.

Alliages

Les mélanges d'un métal et d'un ou plusieurs autres éléments, qui peuvent être métalliques ou non métalliques, sont appelés alliages si ce mélange présente les propriétés métalliques typiques (ductilité, conductivité électrique, ...), c'est-à-dire si une liaison métallique est toujours présente .

Les alliages ont souvent des propriétés physiques et chimiques complètement différentes de celles des métaux purs. En particulier, la dureté et la résistance sont parfois des ordres de grandeur plus élevés. La résistance à la corrosion peut également augmenter considérablement. Le point de fusion des alliages, par contre, est souvent inférieur à celui des métaux purs; avec une certaine composition, le point de fusion le plus bas est atteint, l' eutectique .

Le bronze , un alliage de 80 à 95% de cuivre et de 5 à 20% d'étain, a été utilisé comme premier alliage spécifiquement fabriqué dans l'histoire de l'humanité . L'acier est depuis longtemps l'alliage le plus utilisé; c'est un mélange de fer avec des parts de carbone et quelques autres éléments (→ alliage d'acier ).

Occurrence

Le noyau terrestre est majoritairement constitué de fer , car il se produit d'une part en très grande quantité car c'est l' élément le plus stable en termes de physique nucléaire , et d'autre part en raison de sa haute densité.

Dans la croûte terrestre, en revanche, les non-métaux prédominent; les métaux relativement courants sont l' aluminium , le fer , le manganèse , le titane , le calcium , le magnésium , le sodium et le potassium . Cependant, de nombreux métaux rares se trouvent dans leurs sites miniers de manière très enrichie. Les roches qui contiennent des métaux utilisables à des concentrations exploitables sont appelées minerais . Les minerais les plus importants comprennent:

Les métaux sont extraits métallurgiquement des minerais respectifs .

Certains métaux précieux, v. une. L'or est également digne , c'est-à-dire H. sous forme pure et non sous forme de composé (minerai ou minéral ).

utiliser

Pièce d'argent "Eichbaum",
cinq Reichsmarks (1927–1933)
Toit en cuivre à Dresde
Prix ​​des métaux

De nombreux métaux sont des matériaux importants. Le monde moderne serait impossible sans les métaux. Ce n'est pas sans raison que les phases du développement humain sont appelées l' âge de pierre , l' âge du bronze et l' âge du fer selon les matériaux utilisés .

Les métaux purs sont utilisés pour fabriquer des câbles électriques car ils ont la plus grande conductivité. Pour cela, on utilise principalement du cuivre et de l' aluminium non alliés et rarement de l' or . Sinon, les métaux purs ne sont pratiquement jamais utilisés.

La liste suivante contient les métaux et les composants d' alliage les plus importants, et non les composés:

Le métal en astrophysique

En astrophysique , le métal est défini différemment, voir métallicité ; ici, il décrit chaque élément chimique au-dessus d'un certain nombre atomique (généralement supérieur à l' hélium ). Ce sont tous des éléments créés par la fusion nucléaire dans les étoiles ou par les supernovae , alors que l' hydrogène et l'hélium (ainsi que quelques traces de lithium ) auraient été créés par le big bang . La métallicité d'une étoile est liée au moment où elle s'est formée (voir population ).

On suppose que l'hydrogène à l'intérieur de planètes gazeuses suffisamment lourdes peut passer à l'état métallique (au sens de la définition chimique du métal); cet hydrogène métallique est probablement également responsable du champ magnétique extrêmement puissant de Jupiter . Cependant, l'hydrogène métallique ne contribue pas à la métallicité astrophysique de l'objet dans lequel il se produit.

Le métal dans la philosophie chinoise

Le métal désigne ici un élément de la théorie traditionnelle des cinq éléments .

héraldique

En tant que métaux dans l' héraldique, les teintures (couleurs des armoiries) Or et argent respectivement. Dans le cas des peintures héraldiques, la couleur jaune est utilisée comme substitut à l'or et la couleur blanche est utilisée comme substitut à l'argent .

Voir également

Littérature

Sur l'histoire des métaux
  • Karl Otto Henseling : bronze, fer, acier. Importance des métaux dans l'histoire (= Rororo. Rororo-Sachbuch 7706 = histoire culturelle des sciences naturelles et de la technologie. Vol. 6). Rowohlt, Reinbek près de Hambourg 1981, ISBN 3-499-17706-4 .
  • Franz Zippe : Histoire des métaux. Vienne 1857; Réimpression Wiesbaden 1967.
  • Adelbert Rössing: Histoire des métaux. Berlin 1901.
Aux métaux
  • Erhard Hornbogen, Hans Warlimont: Métaux - Structure et propriétés des métaux et alliages , Springer, 6e édition, 2016, ISBN 978-3-662-47952-0 .
  • Wolfgang Glöckner, Walter Jansen, Rudolf Georg Weissenhorn (éd.): Manuel de chimie expérimentale. Deuxième cycle du secondaire II Volume 5: Chimie des métaux utilitaires. Aulis-Verlag Deubner, Cologne 2003, ISBN 3-7614-2384-5 .

liens web

Wiktionnaire: Métal  - explications des significations, origines des mots, synonymes, traductions
Commons : Metals  - collection d'images, de vidéos et de fichiers audio

Preuve individuelle

  1. ↑ Uwe Kreibig: Quand l'or est-il un métal? Dans: Physik-Journal . Vol.1, n ° 1, 2002, ISSN  1617-9439 , p. 20-21, en ligne (PDF; 461 ko) .
  2. ↑ Burkhard Fricke (1975), Éléments super-lourds: une prédiction de leurs propriétés chimiques et physiques
  3. ^ Römpp Lexikon Chemie , 9e édition, Volume 4, page 2709
  4. ↑ a b c P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Noble Gases. Dans: Encyclopédie d'Ullmann de chimie industrielle . Wiley-VCH, Weinheim 2006 ( doi : 10.1002 / 14356007.a17_485 ).