Métal

Les métaux purs ont le plus souvent une conductivité électrique, une conductivité thermique et une masse volumique élevées. L'argent est ainsi le meilleur conducteur électrique (6,30 × 10⁷ S/m), suivi par le cuivre (5,96 × 10⁷ S/m), l'or (4,10 × 10⁷ S/m) et l'aluminium (3,50 × 10⁷ S/m). La conductivité électrique du fer est de 10⁷ S/m, tandis que celle de l'acier au carbone 1010 (fer à 0,10 % de carbone) est de seulement 5,9 × 10⁶ S/m, ce qui illustre l'effet des impuretés sur la conductivité des métaux.

Bien que la plupart des métaux aient une masse volumique supérieure à celle de la plupart des non-métaux, celle-ci est très variable selon les matériaux considérés. Parmi les corps simples métalliques, le lithium est le moins dense (0,534 g cm⁻³ à 25 °C) tandis que l'osmium est le plus dense (22,59 g cm⁻³). Les métaux alcalins (dont fait partie le lithium) et alcalino-terreux sont les moins denses des métaux ; ils sont également les moins durs, et les métaux alcalins ont un point de fusion particulièrement bas : hormis le lithium, ils sont tous liquides à 100 °C. La densité élevée de la plupart des métaux provient de leur structure cristalline compacte.

Les métaux sont en outre généralement caractérisés par une bonne malléabilité et une grande ductilité qui leur permettent de se déformer sans se briser. Ainsi, le cuivre pur peut être étiré pour former des fils électriques, des tuyaux (plomberie), être mis en plaque et martelé en forme de casseroles ; l'or pur peut également être mis sous forme de feuilles très fines. À l'inverse, certains éléments d'alliage permettent de durcir le métal : c'est par exemple le cas du carbone qui durcit le fer pour donner de l'acier, de l'étain qui durcit le cuivre pour donner le bronze, ou encore de l'argent et du cuivre qui durcissent l'or.

La force des liaisons métalliques est la plus élevée aux environs du centre de la famille des métaux de transition, au niveau des métaux réfractaires, car ces éléments ont un grand nombre d'électrons délocalisés dans leur structure. D'autres facteurs entrent cependant également en ligne de compte, comme le rayon atomique, le numéro atomique, le nombre d'orbitales liantes, la superposition des énergies des orbitales et le type de structure cristalline ; les structures cubiques centrées donnent ainsi des liaisons métalliques moins fortes que les structures cubiques à faces centrées et hexagonales compactes car ces dernières ont une coordinence plus élevée, c'est-à-dire qu'ils lient davantage d'atomes voisins que la première.

Les métaux ont une surface généralement brillante, et sont opaques dès que leur épaisseur dépasse quelques micromètres ; les feuilles d'or transmettent néanmoins une lumière verte.

Déformation plastique d'un métal.

La déformation élastique des métaux peut être modélisée par la loi de Hooke lorsque la déformation est une fonction linéaire de la contrainte. L'application de forces supérieures à la limite d'élasticité ou le chauffage peuvent conduire à une déformation permanente de l'objet, ce qui correspond à une déformation plastique. Cette modification irréversible de la disposition des atomes du matériau peut résulter de l'application :

• d'une force ou d'un travail en tension, en compression, en cisaillement, en flexion ou en torsion ;
• d'un chauffage, ce qui affecte la mobilité des défauts structurels du matériau, comme les joints de grains, les lacunes, les dislocations vis et coin, et les défauts d'empilement (en) des solides cristallins et non cristallins. Le mouvement de tels défauts requiert une énergie d'activation et est donc limité par la vitesse de diffusion atomique.

L'écoulement visqueux autour des joints de grains, par exemple, peut donner lieu au fluage ou la fatigue du métal. Il peut également contribuer à d'importants changements dans la microstructure, comme la croissance des grains et l'accroissement localisé de la densité du matériau par élimination de la porosité intergranulaire. De plus, la nature non directionnelle des liaisons métalliques pourrait contribuer de manière significative à la ductilité des métaux solides.

Quelques métaux présentent des propriétés magnétiques remarquables comme le ferromagnétisme. Ce sont notamment, à température ambiante, le fer, le cobalt et le nickel. Certaines terres rares (lanthanides dans la classification périodique) sont également ferromagnétiques à basse température. Les propriétés magnétiques varient avec les alliages, ce qui peut être mis à profit pour créer des aimants puissants ou annuler le magnétisme d'un métal comme le fer.

Les métaux ont tendance à former des cations en perdant des électrons. Le sodium peut ainsi perdre un électron pour former le cation Na⁺, le calcium deux électrons pour former le cation Ca²⁺, le fer deux électrons pour former le cation ferreux Fe²⁺ ou trois électrons pour former le cation ferrique Fe³⁺. Ces ions métalliques se retrouvent en solution ou dans des sels, comme le chlorure de lithium LiCl ou le sulfure d'argent Ag₂S.

Les métaux réagissent avec l'oxygène de l'air pour former des oxydes de façon plus ou moins rapide : le fer forme de la rouille en plusieurs mois, voire années, tandis que le potassium brûle en quelques secondes. Les réactions suivantes sont des exemples d'oxydation de métaux :

4 Na + O₂ → 2 Na₂O ;

2 Ca + O₂ → 2 CaO (chaux vive) ;

4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃ (corindon).

Les métaux de transition tels que le fer, le chrome, le cobalt et le nickel s'oxydent plus lentement car leur oxydation forme une couche de passivation qui protège l'intérieur du matériau. Certains forment une couche imperméable qui bloque complètement la progression de l'oxydation et permet de conserver pendant des décennies à la fois leur éclat métallique et leurs bonnes propriétés conductrices de l'électricité : ce sont par exemple l'aluminium, le magnésium, le chrome (utilisé dans l'acier inoxydable) et le titane. Les oxydes métalliques sont généralement basiques, par opposition aux oxydes des non-métaux, qui sont plutôt acides ; les oxydes métalliques acides se rencontrent avec les états d'oxydation très élevés, comme avec le trioxyde de chrome CrO₃, l'heptoxyde de dimanganèse Mn₂O₇ et le tétroxyde d'osmium OsO₄, qui présentent des réactions strictement acides. D'autres métaux, tels que le palladium, le platine et l'or ne réagissent pas du tout à l'air libre : pour cette raison, ils sont appelés métaux nobles.

La corrosion des métaux peut être empêchée par leur peinture, leur anodisation ou encore l'apposition d'un revêtement. S'agissant d'une réaction électrochimique, il faut, pour que la protection soit efficace, utiliser un métal plus réducteur que le métal, sinon le revêtement peut favoriser la corrosion, surtout en cas de rayures.

Comme indiqué précédemment, les métaux se trouvent en général naturellement dans des minerais ; ils sont à l'état oxydé. Par exemple, le fer se trouve à l'état Fe(III) dans l'hématite, à l'état Fe(II) et Fe(III) dans la magnétite, l'aluminium dans l'état Al(III) dans la bauxite… La métallurgie primaire consiste essentiellement en la réduction du minerai pour obtenir un état d'oxydation (0).

À l'inverse, en réagissant avec l'environnement, le métal va s'oxyder et se dissoudre dans l'eau ou bien se lier à d'autres atomes ou ions, en particulier l'oxygène et l'ion hydroxyle. C'est un des mécanismes principaux de la corrosion.

L'état d'oxydation des métaux dans un système influence leurs effets sur les organismes. Par exemple, le chrome(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. Dans d'autres cas, ce sont les formes moins oxydées qui sont toxiques, par exemple avec l'arsenic dont la toxicité est plus importante pour As(III) que pour As(V).

La composition isotopique de quelques éléments influence leur abondance ou leur toxicité dans l'environnement. Par exemple, le plomb comporte une vingtaine d'isotopes dont quatre sont stables : ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb et ²⁰⁸Pb. Les ²⁰⁶Pb et ²⁰⁷Pb proviennent de la désintégration de l'uranium et le ²⁰⁸Pb résulte de la désintégration 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[5] engendre la mort de ces animaux.

On peut chercher à trier les isotopes, par exemple pour enrichir la matière en isotopes radioactifs, comme dans le cas de l'enrichissement de l'uranium pour produire du combustible nucléaire. On peut à l'inverse chercher à appauvrir le métal, comme dans le cas des munitions à uranium appauvri.

Les isotopes métalliques sont utilisés comme traceurs pour les phénomènes de diffusion : on élabore un métal contenant une quantité notable d'isotope radioactif, et le profil de radioactivité permet de suivre la progression de ces atomes.

Les métaux s'allient souvent à des ligands inorganiques[6] 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.

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[7].

Certains composés organiques particuliers que l'on nomme chélateurs, comme l'EDTA, forment des complexes très stables avec les métaux. 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.

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[8].

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).

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 nucléiques ou les glycosaminoglycanes, se lient involontairement aux ÉTM et provoquent des mutagenèses dommageables pour l'organisme.

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 ligand 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 stœchiométriques 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⁺ + Ligandⁿ⁻ → 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.

Le développement de nombreuses industries telles que l'électronique, les technologies de l'information et de la communication, et l'aéronautique, et le pari du « tout technologique » dans la recherche du rendement et de l'efficacité, ont conduit à une augmentation sans précédent de la production et de la consommation de métaux. La période de croissance de 1990 à 2010 a conduit à un doublement de la production des principaux métaux. Alors que dans les années 1970, on utilisait moins de 20 métaux dans la table de Mendeleïev, on en consomme environ 60 depuis les années 2000[9].

Il y a une tendance à la baisse de concentration moyenne des minerais. Par exemple, la concentration moyenne des minerais de cuivre exploités est passée de 1,8 % dans les années 1930 à 0,8 % en 2010[10]. Parallèlement, les réserves, exprimées au niveau de production 2008, se situent pour la plupart des métaux entre 20 et 100 ans de production annuelle[11].

Depuis très longtemps les mines de certains métaux (précieux ou communs mais indispensables à l'industrie), les installations de raffinage, voire 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 (à titre d'exemple, en France, en 2010, RFF et la SNCF ont subi 2 100 vols de cuivre (quatre fois plus qu'en 2009) qui ont causé des dysfonctionnements et plusieurs dizaines de millions d'euros de préjudice par an pour la SNCF[12].

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), les métaux du groupe du platine (principalement 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[13] 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 trois 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.

La toxicité et l'écotoxicité des métaux dans les sols sont étroitement liées à leurs 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 certaine dose, mais une carence entraîne des troubles métaboliques graves.

Ainsi, plusieurs paramètres influencent la toxicité des métaux dans les sols[16] - [17]:

• 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.

Pour aller de la mine à un objet façonné, il faut passer par de nombreuses étapes et utiliser beaucoup d'équipements qui consomment de l'énergie. Les métaux étant pratiquement tous sous forme d'oxydes ou de sulfures dans la nature, il faut, pour les obtenir sous forme métallique, fournir l'énergie nécessaire à casser les liaisons chimiques correspondantes.

L'empreinte énergétique d'un métal est la quantité d'énergie nécessaire pour obtenir du métal pur. Dans ce qui suit, la quantité d'énergie est mesurée en tep (tonne équivalent pétrole), pour une tonne de métal pur.

Pour obtenir l'énergie « contenue » dans un métal « neuf », issu de la première transformation du minerai, il faut prendre en compte :

• l'énergie d'extraction du minerai ;
• l'énergie des traitements pré-métallurgiques (minéralurgie) ;
• l'énergie de la métallurgie d'élaboration ;
• l'énergie de la première transformation (fonte et affinage) ;
• l'énergie du transport éventuel entre les différentes étapes[18].

Énergie des métaux donnée par différentes sources

(en tep — tonne d'équivalent pétrole — par tonne de métal brut)

(*) Source en MJ / kg et 1 MJ = 2,38 × 10⁻⁵ tep.
(**) Source en tec (tonne équivalent carbone) ; conversion utilisée : 1 tec = 1,3 tep (valeur moyenne européenne).
(***) Énergie injectée dans les procédés uniquement : hors énergie d'extraction, des intrants (acides, solvants, etc.), de transport.

La consommation énergétique totale pour la production de métaux bruts est alors de 730 à 1 070 Mtep, soit 7 à 10 % de l'énergie primaire mondiale. L'acier et l'aluminium en représentent la plus grande part, soit respectivement 544-680 Mtep et 147-288 Mtep[19].

Impact du recyclage

Les grands métaux sont globalement recyclables, et l'énergie nécessaire au recyclage est bien moindre que l'énergie nécessaire à la fabrication du métal neuf. Par exemple, pour l'acier, l'énergie nécessaire au recyclage représente 25 à 40 % de l'énergie nécessaire à la production du métal primaire. Le recyclage de l'aluminium ne nécessite quant à lui que 4 à 5 % de l'énergie requise pour la production de l'aluminium primaire[20].

En planétologie, les métaux sont les matériaux les plus « lourds », comme le fer ou le nickel, qui composent le cœur des planètes rocheuses. C'est la catégorie des matériaux les plus lourds à côté des « gaz » (hydrogène, hélium), des « glaces » (composés contenant du carbone, de l'azote et/ou de l'oxygène, comme l'eau, le méthane et l'ammoniac) et des « roches » (silicates).

En cosmologie, on appelle métaux tous les éléments autres que l'hydrogène et l'hélium. La teneur en ces « métaux » s'appelle en conséquence la métallicité, notée Z (X et Y représentant respectivement la proportion d'hydrogène et d'hélium).

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• Philippe Bihouix et Benoît De Guillebon, Quel futur pour les métaux ? : Raréfaction des ressources : un nouveau défi pour la société, EDP Sciences, 2010
• Claude Birraux et Christian Kert, députés, Rapport sur les enjeux des métaux stratégiques : le cas des terres rares, Compte rendu de l'audition publique du 8 mars 2011 et de la présentation des conclusions, le 21 juin 2011.
• Christophe Bouillon et M. Michel Havard, Rapport d’information sur la gestion durable des matières premières minérales, Assemblée Nationale, octobre 2011, 146 p.
• Pierre-Noël Giraud et Thimothée Ollivier, Économie des matières premières, La découverte, 2015
• Michel Jebrak, Quels métaux pour demain, Dunod, 2015
• Bernadette Mérenne-Schoumaker et Claire Levasseur, Atlas mondial des matières premières : des besoins croissants, des ressources limitées, Autrement, 2015
• Philippe Chalmin, Cyclope : Les marchés mondiaux 2017, Economica, 2017 (édition annuelle)
• Guillaume Pitron, La guerre des métaux rares : La face cachée de la transition énergétique et numérique, Les liens qui libèrent, 2018

• Matières premières minérales critiques
• Comité pour les métaux stratégiques

• Ressource relative aux beaux-arts :
  • (en) Grove Art Online
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • Enciclopedia De Agostini
  • Store norske leksikon
  • Treccani
  • Universalis
• Notices d'autorité :

  • Japon
  • Tchéquie
• [PDF] Rapport de la Commission européenne au Parlement européen, au Conseil, au Comité économique et social européen et au Comité des régions, sur la mise en œuvre de l’initiative « Matières premières »
• (fr) Minéralinfo, le portail français des matières premières minérales primaires et secondaires non énergétiques
• (fr) Base de données de la Société française de chimie (SFC)
• (fr) ADEME, Étude du potentiel de recyclage de certains métaux rares
• (fr) Animation, applications et recherches liées au point de vue quantique sur les métaux (Université Paris Sud)
• (fr) Les métaux dans la vie quotidienne (Université de Lorraine)
• (en) UNEP (2011) Recycling Rates of Metals - A Status Report, A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel, Graedel, T.E. ; Allwood, J. ; Birat, J.-P. ; Reck, B.K. ; Sibley, S.F. ; Sonnemann, G. ; Buchert, M. ; Hagelüken, C.