Métaux

Les métaux doivent leurs nombreuses propriétés macroscopiques à la nature électronique particulière de leur liaison métallique. En effet, le liquide d’électrons libres leur confère la caractéristique de bons conducteurs de chaleur et d’électricité. Pour ce faire, il favorise la propagation des phonons et la circulation d’un courant électrique dans le matériau. Cette nature électronique particulière rend compte de la plasticité, de la malléabilité et de la ductilité des métaux en s’assurant de leur cohésion lors d’une déformation rompant les autres liaisons interatomiques. Elle est aussi à l’origine de l’éclat particulier et de l’absorbance des métaux grâce à son interaction avec les ondes électromagnétiques. Comme elle renforce les autres types de liaisons interatomiques, elle leur confère également un point d’ébullition et un point de fusion plus élevés par rapport aux non-métaux. Les structures cristallines formées par les métaux solides proviennent de ces liaisons, surtout des liaisons covalentes de coordination. Les structures les plus fréquentes sont la cubique centrée, celle cubique à faces centrées et celle qui est hexagonale compacte. Également appelée cubique à corps centré, la structure cubique centrée est formée à partir d’atomes situés aux huit sommets et au centre d’un cube. Les deux autres structures se ressemblent dans le sens où chacun de leur atome est entouré par douze autres atomes. Toutefois, elles se diffèrent au niveau de l’empilement de leurs atomes. Quoi qu’il en soit, certains métaux peuvent changer de structure cristalline selon la pression et la température exercées sur eux.

Cependant, tous les métaux, notamment les alliages, ne sont pas cristallins. Il est possible de créer des alliages métalliques amorphes grâce à la trempe. Cette opération métallurgique consiste à chauffer les métaux, puis à les refroidir rapidement. Pour ce traitement, on utilise des métaux aux atomes de tailles sensiblement différentes afin de limiter la cristallisation lors du refroidissement. Ces alliages métalliques amorphes, également appelés verres métalliques, sont moins fragiles et plus tenaces que les métaux usuels. Ils sont également plus résistants face à la corrosion et à la déformation.

On entend par liaison métallique l’attraction électrostatique forte existant entre les électrons délocalisés et les cations métalliques immobiles de charge positive. Sa force dépend du nombre d’électrons libres par atome métallique. Les métaux de transition, situés au milieu du bloc d, au niveau de la 5^e période et au-delà, ont la force de liaison métallique la plus élevée. Pour un métal, le meilleur indicateur de cette force est sa température d’ébullition puisque les liaisons métalliques subsistent à l’état liquide.

Éléments chimiques métalliques

Dans le tableau périodique des éléments, on relève environ sept métalloïdes et 86 métaux. Ces derniers se trouvent sur la partie gauche, au centre et sur une partie de la droite de la table. Il arrive qu’une ligne de démarcation entre non-métaux et métaux s’affiche sur certaines représentations. Certes, elle est conventionnelle, mais elle est arbitraire puisqu’elle ne symbolise pas une rupture nette des propriétés macroscopiques entre éléments. De ce fait, les propriétés métalliques et non métalliques de certains métalloïdes se superposent. Il ne faut pas oublier que la transition entre non-métaux et métaux est relativement connue. De plus, il est possible qu’un même élément présente plusieurs formes allotropiques aux propriétés non métalliques pour les unes et plus métalliques pour les autres. Tel est le cas de l’étain. Cet élément chimique a des propriétés métalloïdes proches d’un non-métal lorsqu’il existe sous une phase α grise de structure cubique, d’une part. D’autre part, il peut avoir les propriétés d’un métal pauvre lorsqu’il existe sous une phase β blanche de structure tétragonale.

Les métaux sont généralement classés en familles plus ou moins informelles au vu de leurs différentes propriétés. Tenant compte des propriétés chimiques, plus on se déplace vers la gauche et plus on descend dans le tableau, plus le caractère métallique des éléments est marqué. Ainsi, les métaux alcalins sont les éléments chimiques les plus métalliques. Au contraire, ceux qui sont les moins métalliques sont les halogènes (les non-métaux diatomiques). D’autres familles se situent entre ces deux premières catégories. Par ordre décroissant de l’affirmation de leur caractère métallique, on cite les métaux alcalino-terreux, les lanthanides, les actinides, les métaux de transition et les métaux pauvres.

D’un point de vue pratique, plusieurs termes sont utilisés pour désigner les familles d’alliages et d’éléments métalliques. Les alliages dépourvus ou contenant de la ferrite sont respectivement appelés « métaux non ferreux » et « métaux ferreux ». Les « métaux nobles » regroupent les éléments métalliques résistants à l’oxydation dans l’air et à la corrosion. On cite le rhodium, l’osmium, le ruthénium, l’argent, le platine, l’iridium et l’or. Le mercure est souvent considéré comme un « métal noble », contrairement au tantale, au niobium et au titane, bien que ces trois éléments soient aussi résistants à la corrosion. Les « métaux précieux » sont les éléments les plus rares, d’où une valeur marchande plus élevée que les autres. Ils rassemblent l’or, le palladium, le platine et l’argent. Selon la norme internationale ISO 4217, leurs codes monétaires respectifs sont XAU, XPD, XPT et XAG. Les platinoïdes, c’est-à-dire les métaux de transition appartenant au groupe du platine, sont aussi des métaux précieux. Les « métaux réfractaires » regroupent le tantale, le niobium, le tungstène, le molybdène et le rhénium. Ces métaux sont particulièrement résistants à l’usure et aux températures élevées. Le technétium appartient aussi à cette famille, mais il n’est pas souvent mentionné comme tel à cause de sa radioactivité et de sa caractéristique synthétique.

D’ailleurs, l’élément ayant la plus faible masse volumique appartient à cette dernière famille : le lithium (0,534 g/cm⁻³ à 25 °C). Le point de fusion des alcalins est particulièrement bas. À part le lithium, tous ces métaux se liquéfient à 100 °C. Par ailleurs, la plupart des métaux sont dotés d’une ductilité accrue et d’une bonne malléabilité, ce qui leur permet de se déformer, sans se briser. Ainsi, l’or pur peut se présenter sous forme de feuilles ultrafines. Le cuivre pur peut être mis en plaque et martelé pour créer des casseroles, ou encore étiré afin de former des tuyaux et des fils électriques. En revanche, il est possible de durcir le métal avec certains éléments d’alliage. Tel est le cas de l’étain qui durcit le cuivre afin d’obtenir du bronze et du carbone durcissant le fer pour donner de l’acier. On peut aussi citer le cuivre et l’argent qui durcissent l’or.

Les éléments se trouvant au centre de la famille des métaux de transition ont la force de liaison métallique la plus élevée. La raison en est simple : ils possèdent de nombreux électrons délocalisés dans leur structure. D’autres facteurs sont également importants, pour ne citer que le type de structure cristalline et la superposition des énergies des orbitales. On retrouve aussi le rayon atomique, le nombre d’orbitales liantes et le numéro atomique. Les liaisons métalliques données par les structures cubiques centrées sont moins fortes que celles des structures hexagonales compactes et celles des structures cubiques à faces centrées. La cause de cela est la coordinence plus élevée des deux dernières structures, ce qui leur permet de lier davantage d’atomes voisins que la première.

Les métaux sont opaques dès que leur épaisseur dépasse quelques micromètres, quoique les feuilles d’or puissent transmettre une lumière verte. Leur surface est généralement brillante.

Propriétés mécaniques

La loi de Hooke modélise la déformation élastique des métaux quand cette déformation est une fonction linéaire de la contrainte. Une déformation plastique est la modification irréversible d’un objet à la suite de son chauffage. En d’autres termes, la disposition des atomes du matériau a été modifiée de façon permanente. Cela affecte la mobilité des défauts structurels de celui-ci tels que les dislocations, les lacunes et les joints de grains. Les défauts d’empilement des solides non cristallins et cristallins en font aussi partie. Une énergie d’activation doit être apportée pour que de tels défauts bougent. Ce mouvement est ainsi limité par la vitesse de diffusion atomique. La déformation plastique peut également résulter de l’application d’un travail ou d’une force. Ces contraintes mécaniques peuvent être la tension, la compression, la flexion, le cisaillement ou encore la torsion.

En ce qui concerne les joints de grains, l’écoulement visqueux autour d’eux peut causer d’importants changements dans la microstructure du métal. Cela peut être l’accroissement localisé de la densité du matériau ou bien la croissance des grains. Il est également possible que cet écoulement cause la fatigue ou le fluage du matériau. D’ailleurs, la non-directivité des liaisons métalliques peut contribuer significativement à la ductilité des métaux solides.

Propriétés magnétiques

Certains métaux sont magnétiques, avec des types de magnétismes différents. À température ambiante, le cobalt, le nickel et surtout le fer sont ferromagnétiques, par exemple. Concrètement, ces matériaux peuvent être fortement aimantés lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique. Lorsque ce dernier est supprimé, ils peuvent le rester grâce au phénomène d’hystérésis magnétique. Les lanthanides (éléments appartenant aux terres rares) présentent également cette propriété ferromagnétique lorsqu’ils sont à basse température.

Les propriétés magnétiques changent d’un alliage à un autre. D’un côté, elles peuvent être exploitées de manière à obtenir des aimants puissants. D’un autre côté, elles peuvent annuler le magnétisme du métal tel que le fer.

Propriétés des oxydes

Des cations se forment lorsque les métaux perdent des électrons. À titre d’exemple, on peut citer le cation Na⁺ qui se crée après la perte d’un électron subi par le sodium. On retrouve aussi le cation Ca²⁺ formé après que le calcium ait perdu deux électrons. Quant au fer, il peut donner le cation ferreux Fe²⁺ s’il perd deux électrons et le cation ferrique Fe³⁺ s’il en perd trois. Ces ions métalliques se retrouvent dans des sels ou en solution, dans du sulfure d’argent ou du chlorure de lithium.

En contact avec l’oxygène contenu dans l’air, les métaux forment des oxydes. Leur temps de réaction diffère d’un métal à un autre. Le potassium brûle par exemple en quelques secondes, alors que le fer forme de la rouille en plusieurs mois ou années. Ci-dessous trois exemples d’oxydation de métaux :

• 2 Ca + O₂ → 2 CaO (oxyde de calcium ou chaux vive) ;
• 4 Na + O₂ → 2 Na₂O (oxyde de sodium) ;
• 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃ (oxyde d’aluminium ou alumine).

Les éléments de transition tels que le nickel, le cobalt et le fer s’oxydent plus lentement à cause de la couche de passivation formée par leur oxydation. Celle-ci protège l’intérieur du métal. Il arrive que, pendant des décennies, certains métaux gardent leur bonne conductivité électrique et leur éclat. Cela est possible lorsqu’ils forment une couche imperméable bloquant complètement la progression de l’oxydation. Tel est le cas du titane, du magnésium, de l’aluminium et de l’acier inoxydable. En général, les oxydes métalliques sont basiques. Toutefois, des oxydes métalliques acides peuvent se former si les métaux sont exposés à des états d’oxydation ultra élevés. Les réactions du tétroxyde d’osmium, de l’heptoxyde de dimanganèse et du trioxyde de chrome sont, par exemple, strictement acides. Par ailleurs, d’autres métaux tels que l’or, le platine et le palladium ne réagissent en aucun cas à l’air libre. Cette caractéristique leur vaut l’appellation de « métaux nobles ».

L’apposition d’un revêtement, la peinture ou encore leur anodisation peut empêcher la corrosion des métaux. Cela fait référence à leur altération par réaction chimique avec un oxydant. Comme cette réaction est électrochimique, l’utilisation d’un métal plus réducteur s’impose afin que la protection soit efficace. Dans le cas contraire, le revêtement risque de favoriser la corrosion, surtout en cas de rayure.

Les alliages, surtout les eutectiques, facilitent la fusion des métaux. L’eutectique est un mélange de deux ou de plusieurs corps purs qui fond et qui se solidifie à température constante de manière uniforme. Comme hypereutectique, on peut citer le système aluminium-silicium composé d’environ 1% de magnésium, 4% de cuivre, 17 % de silicium et 78 % d’aluminium. Prenons également l’exemple de l’alliage étain-plomb Sn₆₃Pb₃₇ qui fond à 183 °C, alors que les points de fusion respectifs de ces deux composants sont de 232 °C et de 327 °C. Certains alliages métalliques au point de fusion bas se liquéfient à température ambiante. Tel est le cas du galinstan et de l’eutectique NaK. Le premier est composé de 68 % de gallium, de 22 % d’indium et de 10 % d’étain. Avec 77 % de potassium et 23 % de sodium, le second alliage est corrosif et inflammable à l’air libre, surtout en présence d’humidité. Son usage se limite ainsi à des applications très particulières.

Appelés superalliages, les alliages spéciaux contiennent plus d’une dizaine d’éléments différents. Ils sont réservés à des applications de pointe, en l’occurrence dans la conception des moteurs à réaction. Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont également d’autres types d’alliages reconnus pour leurs propriétés inédites parmi les matériaux métalliques. Comme leur nom l’indique, ils ont la capacité de garder en mémoire une forme initiale et d’y retourner, même après déformation. Quand leur température tourne autour d’une valeur critique, ils peuvent basculer entre deux formes préalablement mémorisées. Enfin, ils adoptent un comportement superélastique, c’est-à-dire qu’ils peuvent s’allonger davantage par rapport aux autres métaux, et ce, sans déformation permanente. Parmi les AMF les plus abordables, on retrouve les alliages Fe-Mn-Si (fer-manganèse-silicium), Cu-Zn-Al (cuivre-zinc-aluminium) et Cu-Al-Ni (cuivre-aluminium-nickel).

Minerais

Étymologiquement, le métal vient du grec ancien μέταλλον qui signifie métallon ou mine, par l’intermédiaire du latin metallu. Les métaux sont des substances extraites d’une carrière sous forme de minerais. Les éléments chimiques composant ces derniers peuvent être de nature diverse. On rencontre souvent les oxydes tels que la pechblende (minerai d’uranium), l’ilménite (minerai de titane), la bauxite (minerai d’aluminium) ainsi que la magnétite et l’hématite (minerai de fer). On cite aussi les sulfates comme la molybdénite (minerai de molybdène), la sphalérite (minerai de zinc), le cinabre (minerai de mercure) et la chalcopyrite (minerai de cuivre). Ces minerais peuvent également être des carbonates tels que la dolomite (minerai de magnésium), des silicates comme le béryl (minerai de béryllium), etc.

L’état d’oxydation des métaux est souvent positif. En d’autres termes, les métaux tendent naturellement à former des cations. Toutefois, des anions métalliques avec un état d’oxydation négatif existent également. Tel est le cas de certains complexes carbonyles comme l’anion de sodium Na^– et le Fe(CO)₅^–.

Après extraction depuis les mines souterraines ou à ciel ouvert, les minerais subissent un traitement afin d’isoler le métal recherché. Les méthodes les plus utilisées sont l’électrolyse et la réduction chimique. La première consiste à réaliser des réactions chimiques grâce à une activation électrique. L’électrolyse de l’alumine extraite de la bauxite permet, par exemple, de produire de l’aluminium. L’électrolyse chlore-soude vise aussi à produire de la soude, du dichlore et du dihydrogène à partir d’une saumure. La deuxième technique est aussi appelée réaction redox ou réaction d’oxydoréduction. Elle consiste en une réaction oxydante combinée à une réaction réductrice. On cite aussi une troisième méthode : la pyrométallurgie. Ce procédé métallurgique thermique utilise des températures élevées afin de convertir des minerais en métaux bruts. À l’inverse, l’hydrométallurgie est une technique d’extraction de métaux comportant une étape où ceux-ci sont solvatés dans l’eau afin de les purifier.

Les méthodes employées d’isolation dépendent des métaux et de leurs impuretés. Si le minerai comporte un composé ionique du métal et un élément non-métal, il doit généralement être fondu. Autrement dit, il est chauffé à l’aide d’un réducteur afin d’en extraire le métal pur. Tel est le cas du fer qui est fondu en présence de carbone comme réducteur. En revanche, d’autres métaux comme le sodium et l’aluminium doivent être purifiés par électrolyse. Concernant les sulfures, ils ne sont pas réduits directement. Ils doivent d’abord être grillés à l’air libre avant conversion préalable en oxydes, puis traités de manière classique.

Certains minerais existent sous forme minérale et sont donc des éléments natifs. Les plus connus sont l’or natif, le fer météorique, le cuivre natif et l’argent natif. Les plus rares sont le mercure natif, le plomb natif, le fer natif, le bismuth, l’indium natif, le nickel natif, etc. Ces minerais sont solides, sauf le mercure qui est liquide au-dessus de -39 °C. Il se présente dans des poches souvent de petites tailles qui ne dépassent pas quelques kilogrammes de métal et qui sont généralement associées à des métaux nobles. Cet élément chimique forme des amalgames avec ces derniers (or, argent…). Les métaux du groupe du platine (MGP ou platinoïdes) existent aussi sous forme minérale plus ou moins pure. On peut citer le platine natif, le ruthénium natif, le palladium natif, l’osmium natif, le rhodium natif et l’iridium natif.

Applications

Certains métaux et alliages métalliques sont dotés d’une résistance structurelle élevée. Ainsi, ils sont surtout utilisés pour résister à des chocs violents et transporter des charges lourdes. En ce qui concerne les alliages, ils sont conçus pour résister particulièrement aux contraintes de déformation, de flexion et de cisaillement. Outre cette résistance, leur résilience a aussi permis aux métaux d’être fortement appréciés en tuyauterie, en outillage et en construction automobile. La création d’ouvrages d’art, de divers appareils et dispositifs, de voies ferrées et de gratte-ciel fait aussi partie de leur utilisation courante. Cependant, un métal peut subir le phénomène de fatigue. Cela fait référence à la succession de mécanismes modifiant les propriétés du matériau sous l’action répétée de contraintes et de déformations variables dans le temps.

Le fer et l’aluminium sont les métaux les plus abondants dans l’écorce terrestre, mais le plus utilisé est le premier élément. Il joue un rôle important dans toutes les grandes constructions, allant des coques de navire aux rails. L’aluminium est le deuxième métal le plus employé, car il est moins dense (2,70 g cm⁻³ contre 7,87 g cm⁻³). Afin d’en optimiser les propriétés mécaniques, cet élément chimique est généralement allié à d’autres métaux. Toutefois, il est le meilleur conducteur électrique des deux (3,50 × 10⁷ S/m contre 10⁷ S/m). C’est aussi la raison pour laquelle les professionnels préfèrent l’aluminium au cuivre dans les câbles électriques à haute tension aériens. Le cuivre reste, toutefois, utilisé dans les câbles électriques pour sa bonne conductivité électrique et dans les ustensiles de cuisine pour sa bonne conductivité thermique.

Certains métaux se trouvent à la base de la fabrication de dissipateurs thermiques destinés à éviter les surchauffes grâce à leurs propriétés de conducteur de chaleur. Les métaux les plus rares comme les platinoïdes sont souvent utilisés comme catalyseurs et placements financiers en joaillerie. Les métaux les moins abondants comme le titane, le chrome et le manganèse trouvent leur place dans les alliages. Les métaux réfléchissants tels que l’argent sont des matériaux de premier choix en construction de miroir, de télescope… Leur réflectivité est aussi fortement appréciée en joaillerie, car elle donne l’attrait esthétique des pièces. Concernant l’uranium, ce métal permet d’alimenter des réacteurs nucléaires. Pour ce faire, il convient de procéder à une séparation isotopique, c’est-à-dire à augmenter la concentration de ses isotopes, pour libérer leur énergie par fission. Enfin, certains métaux sont rarement employés à l’état métallique, car ils sont trop réactifs à l’eau et/ou à l’air. Il s’agit notamment du calcium, du sodium et du potassium.

En raison de leur légèreté, d’autres matériaux comme les polymères, les céramiques et les composites peuvent remplacer les métaux dans certains cas. Les céramiques sont également plus appréciées pour leur résistance accrue à l’usure et à la corrosion. Cependant, ces matériaux ont des limites. Contrairement aux métaux, les composites et les polymères ne sont pas utilisables à haute température et sont souvent plus souples. Les céramiques, quant à elles, n’ont pas une bonne résistance aux chocs.

Le dopage est une action fréquente dans le domaine des semi-conducteurs. Le cas échéant, cette opération consiste à ajouter des impuretés en petites quantités au métal pur pour en modifier ses propriétés conductrices. Celles-ci peuvent être des molécules étrangères minérales, polymères, biologiques ou organiques. De cette manière, le métal sera plus résistant à la corrosion et pourra être utilisé en médecine, en électrochimie et en catalyse.

Les métaux ont différents effets sur l’organisme selon leur état d’oxydation dans un système. Par exemple, le chrome hexavalent, chrome 6 ou Cr(VI) est toxique pour certains gènes. Il est cancérigène et pénètre facilement les membranes des cellules grâce à des transporteurs spécifiques. En revanche, le chrome(III) assure le bon fonctionnement de l’organisme. Il pénètre difficilement dans les cellules. Dans d’autres cas, les formes moins oxydées des métaux sont les plus toxiques. Tel est le cas de l’arsenic : l’As(III) a une plus forte toxicité par rapport à l’As(V).

Composition isotopique

La toxicité et l’abondance de certains éléments chimiques dans l’environnement sont influencées par leur composition isotopique. Par exemple, parmi la vingtaine d’isotopes du plomb, quatre sont stables (le ²⁰⁴Pb, le ²⁰⁶Pb, le ²⁰⁷Pb et le ²⁰⁸Pb). Le ²⁰⁸Pb provient de la dégradation du thorium tandis que les ²⁰⁶Pb et ²⁰⁷Pb sont issus de la dégradation de l’uranium, deux éléments radioactifs. Ainsi, l’abondance de ces trois isotopes augmente dans le temps et la composition isotopique du plomb évolue selon les sources d’émission stimulées. Il est aussi intéressant de soulever le cas de l’eau, dont la toxicité varie aussi selon sa composition isotope. La substitution de 60 % de l’eau du corps d’un rongeur par de l’H₂¹⁸O n’a aucun effet. Par contre, le remplacement de 30 à 40 % de cette eau par du D₂O cause la mort de l’animal.

Le tri des isotopes est parfois utile pour enrichir la matière et donner des isotopes radioactifs. L’enrichissement de l’uranium permet, par exemple, de produire du combustible nucléaire. Inversement, il arrive d’appauvrir le métal. Le cas échéant, cela permet de fabriquer des munitions à uranium appauvri.

Les isotopes métalliques servent aussi de traceurs dans les phénomènes de diffusion. En effet, il convient d’élaborer un métal comportant une importante quantité d’isotopes radioactifs et le profil de radioactivité permet le suivi de la progression de ces atomes.

Composés et complexes inorganiques

Fréquemment, la combinaison de métaux et de ligands inorganiques donne des complexes ou des composés inorganiques aux diverses propriétés physico-chimiques. La solubilité, la force de liaison, la charge et le coefficient de diffusion de ces composés influencent le transport des métaux dans l’organisme. Par conséquent, leur biodisponibilité et leur toxicité en dépendent également. Par exemple, d’un côté, certains sels de nickel comme les sulfates (NiSO₄) et les chlorures (NiCl₂) sont solubles dans l’eau et peu toxiques à l’oral. D’un autre côté, les sulfures de nickel (Ni3S2) sont pratiquement insolubles dans l’eau, mais sont cancérigènes.

Composés organiques

Les composés organiques tels que les lipides, les acides organiques et les sucres ont des affinités plus ou moins importantes avec les métaux. Certains d’entre eux, notamment les acides organiques comme l’acide malique et l’acide citrique, comportent de l’hydroxylcarboxyle. Ce dernier est un groupement fonctionnel qui se lie facilement aux métaux et diminue leur biodisponibilité. Ce type de composé est fortement étudié en écotoxicologie terrestre puisqu’il est évacué par les racines des plantes et les micro-organismes du sol. Cela crée une synergie permettant de diminuer la toxicité des métaux dans ce système.

Des composés organiques particuliers appelés chélateurs forment des complexes très stables avec les métaux. Tel est le cas de l’acide diaminotétracarboxylique ou EDTA (Éthylènediaminetétraacétique). Ces composés sont des ligands solubles polydentés légèrement acides formant des complexes chélateur-métal thermodynamiquement forts. Ils sont parfois utilisés pour extraire les métaux d’une matrice ou restaurer des sols et des eaux contaminés aux métaux.

Composés organométalliques

Les composés organométalliques possèdent une liaison covalente ou ionique entre le métal et le carbone. Comme liaisons fortement covalentes, on cite le carbone-étain, le carbone-plomb et le carbone-mercure. Comme liens fortement ioniques, on retrouve le carbone-sodium et le carbone-potassium. Les liaisons carbone-magnésium et carbone-lithium se trouvent entre les deux types de liaisons.

La bioalkylation est un processus fréquent dans les sédiments et les sols. Elle est la formation d’un métal avec un alkyle (CH_x) par des micro-organismes spécifiques. La liaison CH₃-métal (méthylation des métaux) forme des composés plutôt toxiques. Par contre, certains alkyles métalliques de sélénium et d’arsenic détoxifient le métabolisme humain et d’autres organismes vivants. Toutefois, la plupart des produits organométalliques provenant d’une bioalkylation sont anthropogéniques, c’est-à-dire causés ou générés par l’Homme. Ils sont aussi hyper toxiques pour le système nerveux central de certains organismes. Tel est le cas des dérivés d’alkyles de plomb, de mercure, d’étain et d’or.  

Composés ou complexes macromoléculaires

Certes, les complexes ou les composés macromoléculaires sont similaires à des espèces chimiques, mais ils forment quand même une catégorie distincte. En effet, ils sont déterminants en termes de biodisponibilité des métaux pour les organismes vivants. Bien que les acides fulviques et humiques aient une composition et des structures variables et complexes, il joue un rôle important dans la spéciation des métaux. Ces acides sont des anions résultant de la biodégradation de la matière organique et mobilisant les ÉTM présents dans les eaux et les sols.

Des particules inorganiques et organiques comme les colloïdes et la biomasse absorbent les métaux. Ils diminuent ainsi leur toxicité et leur biodisponibilité. En revanche, certains acides nucléiques et des macromolécules anioniques des organismes vivants comme les glycosaminoglycanes se lient involontairement aux ÉTM. Ils créent des mutagenèses néfastes pour l’organisme.

Paramètres influençant la spéciation des métaux

Plusieurs paramètres influencent la spéciation des métaux dans les phases solides et aqueuses, notamment :

• la concentration des ligands : lorsque la concentration du ligand organique ou inorganique est élevée, le métal se lie à ce ligand et donne une espèce chimique populeuse ;
• le pH : un pH alcalin favorise l’absorption des métaux alors qu’un pH acide les solubilise ;
• la force du lien covalent ou ionique : l’espèce chimique associée est stable lorsque la liaison métal-composé est forte ;
• la matière organique : elle adsorbe les métaux et favorise leur stabilité ;
• la stœchiométrie (loi exigeant que, dans un système fermé, la masse des produits soit identique à celle des réactifs) : ce principe doit être respecté afin de former des composés comme il se doit.

La spéciation des métaux exige un véritable équilibre chimique. Pourtant, la complexation de ces matériaux avec les ligands inorganiques est ultrarapide du fait de leur nombre important dans la phase aqueuse. Celle avec les ligands organiques requiert plus de temps, car les sites d’attachement ou d’absorption sont moins accessibles. De cette manière, l’analyse de la spéciation d’une contamination métallique sur une matrice contaminée stable depuis plusieurs années s’impose. Les analyses risquent d’être faussées en cas d’utilisation d’une matrice fraîchement contaminée avec une dynamique chimique évolutive. L’équation suivante illustre la constante d’équilibre (état d’équilibre d’un système) relative à la notion d’équilibre chimique :

 Métalⁿ+ + Ligandⁿ− → Métal-Ligand

La constante d’équilibre K_éq correspondant à cette réaction change selon le type de liaison. Elle est comprise entre 10⁰ et 10⁴ environ si le lien est ionique. Elle est d’environ 10⁴ < K_éq < 10⁸ si le lien est complexe et entre environ 10⁸ et 10²⁰ en cas de chélateur. Force est de constater que les métaux préfèrent s’associer aux complexes stables sur le long terme qu’aux paires ioniques de plus faibles énergies de liaison. Cela se traduit par la faible intensité de K_éq pour les paires ioniques et sa valeur plus élevée pour les complexes.

Économie et géopolitique

Raréfaction des ressources

La production et la consommation des métaux ont fortement augmenté à la suite du développement de diverses industries. On parle notamment de l’aéronautique, de l’électronique et des TIC (technologies de l’information et de la communication). La production des principaux métaux a doublé entre 1990 et 2010. Pourtant, moins de 20 métaux reconnus dans le tableau de Mendeleïev ont été utilisés dans les années soixante-dix et environ 60 ont été consommés dans les années 2000.

La concentration moyenne des minerais est dans une tendance baissière. Tel est le cas de celle des minerais de cuivre exploités qui est passée de 1,8 % dans les années trente à 0,8 en 2010. Simultanément, les stocks de la plupart des métaux se trouvent entre 20 et 100 ans de production annuelle, selon le niveau de production 2008.

Géopolitique

Depuis des siècles, les mines de certains métaux (qu’ils soient précieux ou communs, mais fortement utilisés dans l’industrie) ainsi que les installations de raffinage relevaient de l’intérêt stratégique des États. Certains métaux devenaient plus importants que d’autres pour des raisons militaires. L’avènement des munitions métalliques, des armes, de l’énergie et de l’arme nucléaire y a aussi contribué. Les métaux géologiquement non rares, mais influençant le marché, comme le cuivre étaient également touchés. L’accroissement des vols de métaux a également engendré une forte hausse du cuivre. En France, le RFF et la SNCF ont subi 2 100 vols de cuivre en 2010 (chiffres quatre fois plus que l’année précédente). Cette année-là, la SNCF a subi des dysfonctionnements et des dizaines de millions d’euros de dommages.

Des métaux auparavant sans valeur ont connu une forte hausse de leur consommation au XXe siècle. Tel est le cas de l’uranium qui est fortement recherché pour des usages civils et militaires. Les métaux du groupe du platine ont essentiellement été employés comme catalyseurs industriels, en chimiothérapie anticancéreuse et pour les pots d’échappement catalytiques. Bien que le recyclage d’une partie des métaux arrivés en fin de vie ou en chute de production permette de réaliser des économies, la notion de métaux stratégiques règne encore. Ainsi, le Comité pour les métaux stratégiques a été créé en 2011, en France. Il aide le ministère à créer et à mettre en œuvre une nouvelle politique de gestion de ces matériaux via des approvisionnements plus sécurisés. Ce comité comprend trois collèges présidés par le ministre chargé des Matières premières. On cite le collège des administrations, celui des organismes techniques et celui des fédérations professionnelles et industrielles. La FEDEM (fédération des minerais, minéraux industriels et métaux non ferreux) et la FEDEREC (fédération des entreprises du recyclage) y participent.

Environnement

Les métaux sont des matériaux non biodégradables par les micro-organismes, contrairement aux composés organiques. Cette caractéristique rend plus difficile la gestion de la contamination métallique, car la présence des métaux dans l’environnement crée des défis analytiques importants. Comme les métaux se présentent sous plusieurs formes dans l’eau et dans le sol, cela complexifie les prédictions d’écotoxicité et de toxicité. Ces matériaux peuvent effectivement être des ions libres, des complexes, des précipitations…

Toxicité et écotoxicité terrestre

Ces deux indicateurs sont étroitement liés à la spéciation chimique, à la biodisponibilité et aux caractéristiques propres des métaux. Concernant ce dernier point, on parle de leur radioactivité éventuelle, du type de la radioactivité, de leur toxicité chimique, etc. Plus une espèce métallique est mobile et libre, plus elle est biodisponible. De ce fait, le risque de toxicité sur les organismes vivants est plus élevé. D’une manière générale, les métaux sous forme d’ions métalliques libres sont les plus disponibles pour l’organisme et donc les plus susceptibles d’être toxiques. Toutefois, d’autres espèces et fractions de métaux comme la fraction labile peuvent être instables et mobiles. Cela engendre un risque pour l’organisme.

Certains métaux, dont le zinc, le cuivre et le fer, sont des éléments essentiels. Leur carence entraîne des troubles métaboliques graves bien qu’ils soient toxiques au-delà d’une certaine dose.

Plusieurs paramètres influencent la toxicité des métaux dans les sols, notamment :

• le niveau de saturation des sites d’adsorption : plus le niveau de saturation approche, plus le métal a tendance à se rendre biodisponible ou à se solubiliser ;
• la composition du sol : la matière organique et les argiles adsorbent les contaminants et les gardent sous forme de complexes stables (peu mobiles), tandis que les particules plus grosses comme le gravier ou le sable retiennent moins les métaux du sol ;
• le pH : un pH acide solubilise généralement les métaux normalement immobiles et accroît donc le risque de toxicité ;
• la durée d’une contamination chronique ou le temps passé après une contamination aiguë : un site fraîchement contaminé n’est pas plus toxique qu’un site ayant subi une contamination répandue, mais déployée sur plusieurs années.

Empreinte énergétique

Plusieurs étapes sont à respecter et beaucoup d’équipements consommant de l’énergie sont indispensables pour transformer le métal extrait d’une mine à un objet façonné. En effet, la rupture des liaisons chimiques correspondantes requiert de l’énergie pour transformer les métaux souvent sous forme d’oxydes ou de sulfures en matériaux métalliques. L’empreinte énergétique d’un métal correspond donc à la quantité de cette énergie nécessaire afin d’obtenir du métal pur.

En vue d’obtenir l’énergie contenue dans un métal « neuf », il convient de prendre en compte l’énergie d’extraction du minerai. Il faut aussi considérer l’énergie des traitements prémétallurgiques, celle de la première transformation et celle de la métallurgie d’élaboration. Il ne faut pas oublier l’énergie du transport éventuel entre les diverses étapes. Dans le tableau suivant, la quantité d’énergie nécessaire pour ces métaux est mesurée en tep (tonne d’équivalent pétrole) pour une tonne de métal pur.

(*) Source en MJ/kg avec 1 MJ = 2,38 × 10⁻⁵ tep

(**) Source en tec (tonne d’équivalent carbone). La conversion utilisée est : 1 tec = 1,3 tep (valeur moyenne européenne).

(***) Énergie injectée dans les procédés seulement : hors énergie d’extraction, des intrants (solvants, acides…), de transport.

Ainsi, la consommation énergétique totale requise pour produire des métaux bruts est de 730 à 1 070 Mtep. Cette valeur est l’équivalent de 7 à 10 % de l’énergie primaire mondiale. L’acier et l’aluminium en nécessitent le plus avec respectivement 544-680 Mtep et 147-288 Mtep.

Les grands métaux sont généralement recyclables et l’énergie requise à cette opération est moins importante que celle nécessaire à la production du métal neuf. Par exemple, l’énergie nécessaire au recyclage de l’aluminium représente uniquement 4 à 5 % de l’énergie requise pour la fabrication de l’aluminium primaire. Tel est également le cas de l’acier : l’énergie nécessaire pour son recyclage représente 25 à 45 % de l’énergie requise pour la production du métal primaire.

Astronomie

Planétologie

Dans ce domaine, les métaux sont les matériaux les plus lourds qui composent le cœur des planètes rocheuses. On parle notamment du fer et du nickel. Après eux viennent les gaz (hélium, hydrogène), les glaces (composés comportant de l’azote, de l’oxygène et du carbone tels que l’ammoniac, l’eau et le méthane) et les roches (silicates).

Cosmologie

Dans ce domaine, les métaux désignent tous les éléments autres que l’hélium et l’hydrogène. Par conséquent, leur teneur s’appelle la métallicité qui est notée Z. Y et X représentent respectivement la proportion d’hélium et d’hydrogène.