015 – Propriétés des métaux

Le tableau périodique est, avant toute chose, un résumé du comportement. Les éléments sont placés là où ils sont en raison de la manière dont ils conduisent, dont ils se déforment et de ce avec quoi ils réagissent, et ce sont ces mêmes propriétés qui indiquent à un ingénieur si un matériau a sa place dans un fil électrique, un dissipateur thermique, une poutre structurelle ou une batterie. Distinguer un métal d'un non-métal et d'un métalloïde est la première classification qu'un chimiste apprend, et elle se fait non pas en cherchant une réponse, mais par l'expérimentation.

Quatre propriétés physiques et deux propriétés chimiques séparent ces classes. Les métaux conduisent l'électricité parce que leurs électrons externes sont délocalisés et libres de se déplacer à travers le réseau ; ces mêmes électrons mobiles transportent la chaleur, confèrent à la surface son éclat réfléchissant et permettent aux plans du réseau de glisser les uns sur les autres sans se rompre, ce qui constitue la malléabilité. Les non-métaux retiennent leurs électrons dans des liaisons covalentes localisées et n'accomplissent rien de tout cela. Les métalloïdes se situent entre les deux : le réseau covalent du silicium transmet parfaitement la chaleur sous forme de vibrations mais ne libère pour ainsi dire aucun porteur de charge, ce qui en fait précisément un semi-conducteur. Sur le plan chimique, un métal situé au-dessus de l'hydrogène dans l'échelle d'activité le déplace des acides, et les métaux les plus réactifs — les familles des métaux alcalins et alcalino-terreux situés à gauche du tableau — le font de l'eau seule, laissant derrière eux un hydroxyde et par conséquent une solution fortement basique.

Dans ce laboratoire, vous testerez dix éléments. Cinq — le zinc, le soufre, le silicium, le fer et le plomb — sont examinés pour leur conductivité électrique et thermique, leur éclat, leur malléabilité et leur réaction avec l'acide chlorhydrique 1 M, puis classés d'après les résultats. Cinq autres — le lithium, le sodium, le potassium, le magnésium et le calcium — sont placés dans de l'eau distillée, observés pour leur effervescence et testés avec du papier tournesol rouge et bleu afin d'établir si une base s'est formée. Le tableau de résultats complété est une petite version expérimentale du bloc de gauche du tableau périodique.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Repérer et utiliser le matériel d'un banc d'essai de matériaux : le détecteur de conductivité électrique, les pinces, le papier émeri, les deux jeux de béchers, le compte-gouttes et les papiers tournesol ainsi que le diagramme de pH.

Utilisation d'équipements de protection et manipulation sûre des métaux réactifs

• Portez des gants et des lunettes de protection, et manipulez chaque échantillon de métal avec des pinces plutôt qu'à main nue.
• Expliquez pourquoi les métaux alcalins sont ajoutés à l'eau en petits morceaux et derrière une protection oculaire, et pourquoi l'acide chlorhydrique 1 M nécessite la même précaution.

Test des propriétés physiques

• Utilisez correctement le détecteur de conductivité et poncez d'abord un échantillon avec du papier émeri pour que l'oxyde de surface ne masque pas le métal sous-jacent.
• Évaluez la conductivité thermique, l'éclat métallique et la malléabilité, et décrivez chaque observation en termes qu'un autre étudiant pourrait reproduire.

Test des propriétés chimiques

• Observez la réaction de chacun des cinq éléments avec de l'acide chlorhydrique 1 M et notez s'il y a dégagement d'hydrogène.
• Placer les échantillons de métaux alcalins et alcalino-terreux dans de l'eau distillée, observer l'effervescence et utiliser du papier tournesol rouge et bleu pour déterminer si la solution obtenue est basique.

Classification d'éléments à partir de preuves

• Classez chaque élément dans la catégorie des métaux, des non-métaux ou des métalloïdes en vous basant sur les six critères plutôt que sur sa position dans le tableau périodique.
• Expliquez quelle caractéristique est la plus révélatrice, et quelles observations, prises isolément, pourraient induire en erreur.

Relier le comportement aux tendances périodiques

• La conductivité, l'éclat et la malléabilité sont liés aux électrons délocalisés dans un réseau métallique.
• Mettre en relation la réactivité vis-à-vis des acides et de l'eau avec la position dans la série d'activité et avec la facilité avec laquelle un atome perd son électron externe.

Saisie et interprétation d'une matrice de résultats

• Remplissez un tableau de dix éléments sur six propriétés et identifiez les tendances horizontales et verticales.
• Identifiez les entrées qui nécessitent une note explicative plutôt qu'un simple oui ou non.

Protocole

Partie A : Les propriétés des métaux, des non-métaux et des métalloïdes

Conductivité électrique

1. Prenez le détecteur à conductivité électrique (DCE) et allumez-le.
2. Prendre un échantillon de zinc avec la pince.
3. Placez les électrodes ECD sur la pièce de zinc (assurez-vous que les deux électrodes sont simultanément en contact avec la pièce).
4. Observer si l'ampoule ECD s'allume ou non, le résultat se trouve dans le tableau des résultats.
5. Répétez les étapes 2 à 4 avec les morceaux de soufre, de silicium, de fer et de plomb.

Conductivité thermique

1. Prendre un échantillon de zinc avec la pince.
2. Placez la paume de votre main libre sur la pièce de zinc. Le résultat de la sensation au toucher est consigné dans le tableau des résultats.
3. Répétez les étapes 1 et 2 avec les morceaux de soufre, de silicium, de fer et de plomb.

Briller

1. Prendre un échantillon de zinc avec la pince.
2. Avec l'autre main, frottez légèrement la pièce de zinc avec du papier de verre afin d'enlever toute trace de saleté ou d'oxydation sur l'une de ses parties.
3. Observez la zone frottée, l'observation se trouve dans le tableau des résultats, qu'elle présente ou non un éclat métallique.
4. Placez la pièce dans le bac de récupération.
5. Répétez les étapes 1, 2 et 3 avec les morceaux de soufre, de silicium, de fer et de plomb.

Malléabilité

1. Prendre un échantillon de zinc avec la pince.
2. Avec l'autre main, prenez la pince courbe et essayez de plier l'échantillon de zinc.
3. Notez la malléabilité dans le tableau des résultats. Si la pièce se plie légèrement, elle est malléable. Si elle se casse ou ne se plie pas, elle n'est pas malléable.
4. Placez la pièce dans le bac de récupération.
5. Répétez les étapes 1 à 4 avec les morceaux de soufre, de silicium, de fer et de plomb.

Réaction à l'acide

1. Placez un morceau de zinc, de soufre, de silicium, de fer et de plomb dans chacun des béchers de 50 mL déjà identifiés par leur nom.
2. À l'aide de la pipette, prélever la solution d'acide chlorhydrique (HCl 1 M) et déposer quelques gouttes sur le morceau de zinc.
3. Observer si une réaction effervescente se produit (présence de petites bulles). La réaction sera notée dans le tableau des résultats.
4. Répétez les étapes 2 et 3 avec les morceaux de soufre, de silicium, de fer et de plomb.

Partie B : Les propriétés des métaux alcalins et des métaux alcalino-terreux

Réaction avec l'eau

1. Dans les béchers identifiés lithium, sodium, potassium, magnésium et calcium, verser 50 mL d'eau distillée.
2. Trempez un morceau de papier tournesol rouge et un morceau de papier tournesol bleu dans chaque bécher pour confirmer la neutralité de l'eau utilisée dans les béchers.

Un milieu neutre ne changera pas la couleur des papiers de tournesol.

3. À l'aide de la pince, prélever un échantillon des substances lithium, sodium, potassium, magnésium et calcium et les déposer dans chacun des béchers de 50 mL (contenant l'eau distillée) déjà identifiés par leur nom.

Observer si une réaction effervescente se produit (présence de petites bulles). La réaction sera notée dans le tableau des résultats.

4. Trempez à nouveau un morceau de papier tournesol rouge et un morceau de papier tournesol bleu dans chaque bécher.

Résultats attendus

Le tableau des résultats complété. Six essais portant sur dix éléments. Les cinq éléments situés à gauche du tableau sont testés avec de l'acide chlorhydrique 1 M ; les métaux alcalins et alcalino-terreux situés à droite sont également testés avec de l'eau distillée.

Comment lire le tableau. La conductivité électrique est la colonne la seule et unique fois décisive : seuls le soufre et le silicium échouent, et tout ce qui la réussit présente également un éclat. La malléabilité sépare davantage l'ensemble — le magnésium et le calcium sont cassants plutôt que malléables bien qu'étant des métaux sans ambiguïté, un rappel que la malléabilité dépend de la façon dont les plans du réseau sont empilés, et pas seulement de la présence d'une liaison métallique. La réaction avec l'eau est la colonne qui isole les deux familles à l'extrême gauche : le lithium, le sodium, le potassium et le calcium réagissent, le magnésium ne réagit pas de manière appréciable à température ambiante, et aucun des cinq échantillons de transition ou post-transition ne le fait.

Pourquoi les métaux sont-ils conducteurs ?. Dans un réseau métallique, les électrons externes ne sont pas liés à des atomes individuels, mais occupent des états délocalisés qui s'étendent à l'ensemble du cristal. Une tension appliquée provoque la dérive de cette « mer d’électrons », ce qui correspond à la conduction électrique ; ces mêmes électrons se déplaçant rapidement transportent également de l’énergie cinétique des zones chaudes vers les zones froides, ce qui explique pourquoi les bons conducteurs électriques sont presque toujours de bons conducteurs thermiques, et ils réfléchissent la lumière visible sur l’ensemble du spectre, ce qui correspond à l’éclat métallique. Comme la liaison est non directionnelle, un plan d’ions peut glisser sur le suivant sans que la liaison ne soit rompue — d’où la malléabilité, à condition que la structure cristalline permette ce glissement.

Le silicium, le métalloïde. Le silicium en est un exemple révélateur. Il conduit bien la chaleur — environ 149 W/(m·K), mieux que le fer — car la chaleur se propage à travers son réseau covalent rigide sous forme de vibrations, qui ne nécessitent absolument pas d’électrons libres. Mais ces mêmes liaisons covalentes maintiennent chaque électron de valence en place, de sorte que le silicium pur ne conduit pratiquement pas de courant : à température ambiante, seule une fraction infime d’électrons possède suffisamment d’énergie pour franchir sa bande interdite. La conduction thermique par vibration du réseau cristallin et la conduction de charge par des électrons mobiles sont des mécanismes distincts, et le silicium possède l’un sans l’autre. C’est précisément cette propriété qui en fait un semi-conducteur et qui constitue le fondement de toute l’industrie électronique, puisque l’ajout délibéré d’impuretés augmente sa conductivité de plusieurs ordres de grandeur.

Le soufre, le non-métal. Le soufre est le seul échantillon ici à échouer à tous les tests. Ses molécules sont des atomes de soufre isolés (S)₈ des anneaux maintenus ensemble par de faibles forces de dispersion : pas d'électrons délocalisés, donc pas de conduction ni d'éclat ; pas de réseau cristallin continu permettant le glissement, ce qui fait qu'il se brise plutôt que de se déformer ; et aucune tendance à céder des électrons aux ions hydrogène, donc aucune réaction avec l'acide.

Les meilleurs conducteurs sont à gauche. Contre toute attente, les métaux alcalins et alcalino-terreux surpassent les métaux de structure bien connus de cette série. Le calcium atteint environ 3,0 × 10⁷ S/m et 201 W/(m·K), devançant ainsi le fer et le plomb. Ils ne sont pas utilisés comme conducteurs pour une raison évidente : ils se corrodent ou réagissent au contact de l'air et de l'eau. L'utilité en ingénierie réside dans une combinaison de propriétés, et non dans une seule.

Réaction avec un acide. Un métal déplace l'hydrogène d'un acide s'il se situe au-dessus de l'hydrogène dans la série d'activité, c'est-à-dire si son potentiel de réduction standard est négatif :

M(s) + 2 H⁺(aq) → M²⁺(aq) + H₂g)

Le zinc (E° = −0,76 V) et le fer (E° = −0,44 V) produisent tous deux un flux constant de bulles d'hydrogène. « Lead » est le terme qui nécessite une précision. Le plomb réagit avec l'acide chlorhydrique — il se situe au-dessus de l'hydrogène, à E° = −0,13 V — mais la réaction est très faible. Le chlorure de plomb(II) ainsi formé est très peu soluble, environ 10 g/L à température ambiante, de sorte qu'il se dépose presque aussitôt sur le métal et en isole la surface : quelques bulles d'hydrogène apparaissent et la réaction s'arrête alors presque complètement. Il faut s'attendre à une effervescence faible et de courte durée plutôt qu'au dégagement régulier observé avec le zinc ou le fer. Le tableau indique « oui » pour cela, car une réaction se produit effectivement, mais un élève doit noter qu'elle est faible et en expliquer la raison.

Réaction avec l'eau. Les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux plus lourds réduisent directement l'eau, libérant de l'hydrogène et laissant un hydroxyde métallique en solution :

2 Li(s) + 2 H₂O(l) → 2 LiOH(aq) + H₂(g) et Ca(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂g)

C'est pourquoi le test au papier tournesol fait partie du protocole et n'intervient pas après coup : l'effervescence vous indique que de l'hydrogène est produit, et le tournesol vous indique ce qui a été laissé. Chaque élément qui réagit avec l'eau dans ce laboratoire donne une solution dont le pH est supérieur à 12 — le tournesol rouge devient bleu, le tournesol bleu reste bleu. La réactivité augmente dans la colonne 1, car l'électron externe est progressivement plus éloigné du noyau et plus facilement perdu, de sorte que le potassium réagit plus vigoureusement que le sodium et le sodium plus vigoureusement que le lithium. Le magnésium est la seule exception de cette colonne : sa réaction avec l'eau froide est beaucoup trop lente pour être visible, bien qu'elle se déroule facilement avec de la vapeur ou de l'acide.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Focalisation les propriétés qui distinguent les métaux, les non-métaux et les métalloïdes, ainsi qu'un enregistrement minutieux des observations.
• Activités : exécuter les six tests sur les dix éléments et compléter le tableau des résultats ; classer chacun des cinq éléments du premier groupe comme métal, non-métal ou métalloïde et fournir les preuves ; utiliser du tournesol rouge et bleu pour indiquer si chaque réaction avec l'eau a produit une base ; indiquer quel test unique a été le plus utile et pourquoi.

11e année

• Focalisation la liaison métallique comme explication des propriétés physiques, et la série d'activité pour les chimiques.
• Activités : Explication de la conduction, de l'éclat et de la malléabilité par les électrons délocalisés : - Conduction : Les métaux possèdent une « mer » d'électrons dédelocalisés qui peuvent se déplacer librement et transporter rapidement une charge électrique (courant) ou de l'énergie thermique (chaleur) à travers le réseau cristallin. - Éclat métallique : Les électrons délocalisés à la surface du métal absorbent et réémettent (réfléchissent) la lumière incidente, ce qui donne aux métaux leur aspect brillant et lustré. - Malléabilité : Les liaisons métalliques sont non directionnelles. Lorsque le métal subit une contrainte mécanique, les plans d'ions positifs peuvent glisser les uns sur les autres sans briser la structure, car la mer d'électrons continue d'agir comme un « ciment » électrostatique maintenant les atomes liés. Équations pour les réactions avec l'acide et l'eau (exemple avec le sodium, Na) : - Réaction avec l'eau : 2 Na(s) + 2 H₂O(l) → 2 NaOH(aq) + H₂(g) - Réaction avec un acide (ex. HCl) : 2 Na(s) + 2 HCl(aq) → 2 NaCl(aq) + H₂(g) Pourquoi le silicium conduit la chaleur mais pas l'électricité : Le silicium est un semi-conducteur covalent. La conduction thermique s'effectue par des vibrations du réseau cristallin (les phonons), qui se propagent à travers la structure solide indépendamment des électrons libres. En revanche, pour la conduction électrique, les électrons sont fortement liés dans les liaisons covalentes covalentes à l'état fondamental et ne disposent pas de suffisamment d'énergie libre (bande interdite ou gap énergétique) pour se déplacer sous un champ électrique à température ambiante, contrairement aux électrons totalement libres d'un métal. Classement du lithium, du sodium et du potassium par réactivité et justification par la structure atomique : - Ordre de réactivité croissante : Lithium (Li) < Sodium (Na) < Potassium (K). - Justification : Descendant dans le groupe 1, le nombre de couches électroniques augmente, ce qui accroît le rayon atomique. L'électron de valence externe est donc de plus en plus éloigné du noyau et se trouve davantage « écranté » par les couches électroniques internes. L'énergie nécessaire pour arracher cet électron externe diminue, facilitant son don lors des réactions chimiques ; la réactivité augmente donc du lithium au potassium. Pourquoi le magnésium réagit « non » (pas de réaction visible rapide à froid) avec l'eau, mais « oui » avec l'acide : Le magnésium réagit très lentement avec l'eau froide car il se recrée immédiatement à sa surface une fine pellicule protectrice et insoluble d'oxyde de magnésium (MgO) qui bloque le contact. Avec l'acide (comme HCl), les ions hydrogène (H⁺) de l'acide dissolvent et éliminent cette couche d'oxyde protectrice, exposant directement le métal frais et permettant une réaction vive avec dégagement de dihydrogène.

12e année / Niveau universitaire

• Focalisation structure de bandes, potentiels d'électrode et limites d'une classification qualitative.
• Activités : rendre compte de la différence entre un métal, un semi-conducteur et un isolant en termes de bande interdite, et expliquer pourquoi la conductivité du silicium augmente avec la température tandis que celle d'un métal diminue ; utiliser les potentiels standard de réduction pour prédire lesquels des dix éléments devraient réagir avec du HCl 1 M, et comparer la prédiction avec les observations ; expliquer quantitativement pourquoi la réaction du plomb s'arrête, en utilisant la solubilité du PbCl₂₂; calculer le pH attendu d'une masse déclarée de lithium réagissant complètement dans un volume d'eau connu ; identifier quelles entrées du tableau changeraient si les échantillons n'étaient pas poncés, et concevoir un test qui permettrait de distinguer une réaction lente d'une absence totale de réaction.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Détecteur de conductivité électrique (DCE)
• Tongs
• Papier de verre
• Bêchers 50 mL ×5
• Bêchers 100 mL ×5
• Goutte
• Papier tournesol rouge et bleu
• Tableau du pH
• Essuie-tout
• Gants et protection oculaire

Produits

• Acide chlorhydrique, HCl 1 M (solution)
• Eau distillée
• Zinc (s)
• Soufre (s)
• Silicium (s)
• Fer
• Plomb (s)
• Lithium (s)
• Sodium (s)
• Potassium (s)
• Magnésium (s)
• Calcium (s)