Métal

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Un métal est un élément chimique qui peut former des liaisons métalliques et perdre des électrons pour former des cations (ions positifs) (et des liaisons ioniques dans le cas des alcalins). Les métaux sont un des trois groupes d'éléments distingués par leurs propriétés d'ionisation et de liaison chimique ; les deux autres sont les métalloïdes et les non-métaux. Bien que les métaux puissent être définis par leurs propriétés physico-chimiques (voir plus loin),
Métal

Un métal est un élément chimique qui peut former des liaisons métalliques et perdre des électrons pour former des cations (ions positifs) (et des liaisons ioniques dans le cas des alcalins). Les métaux sont un des trois groupes d'éléments distingués par leurs propriétés d'ionisation et de liaison chimique ; les deux autres sont les métalloïdes et les non-métaux. Bien que les métaux puissent être définis par leurs propriétés physico-chimiques (voir plus loin), il est également possible de les catégoriser en employant une caractérisation de leur structure de bande : les métaux possédent des bandes de valence et de conduction qui se recouvrent. Cette définition permet d'intégrer à la catégorie des métaux les polymères métalliques et autres composés organométalliques. Ce n'est cependant pas un critère toujours suffisant. Par exemple, le carbone n'est pas un métal mais il possède une phase nommée graphite (c'est d'ailleurs sa phase alpha) qui correspond à cette définition. Métal chauffé par un forgeron

Les métaux dans le tableau périodique

Dans le tableau périodique des éléments la diagonale partant du bore (B) et allant jusqu'au polonium (Po) sépare les éléments métalliques (en bas à gauche) des éléments non métalliques (en haut à droite). Les éléments placés sur cette ligne sont des métalloïdes. De plus, le caractère métallique des éléments d'une même colonne augmente avec le nombre d'électrons (c'est-à-dire lorsque l'on descend dans le tableau). Par exemple, le carbone-diamant (Z=6) est un isolant, le silicium (Z=14) est un semi-conducteur et l'étain (Z=50) est un métal .

Propriétés des métaux

Propriétés physico-chimiques

Les métaux sont en général des solides cristallins ; le mercure est toutefois une exception notable puisqu'il est le seul métal à l'état liquide dans les conditions normales (25 °C sous pression atmosphérique). Trois autres métaux sont liquides aux environs de la température ambiante : le césium, le gallium et le rubidium. Ils sont en général malléables et ductiles (on peut les déformer par exemple en les étirant ou en les martelant), ils conduisent bien la chaleur et l'électricité (mais pas tous), et ils reflètent la lumière (éclat métallique) sauf lorsqu'ils sont recouverts d'oxyde (corrosion). La plupart du temps, les métaux sont extraits sous forme minérale plus ou moins cristallisée (cristal) dans leurs minerais et presque toujours combinés à un ou plusieurs autres atomes. Ils sont souvent présents à l'état naturel sous forme d'oxyde, dans des minerais : bauxite pour l'aluminium, hématite pour le fer, ilménite ou rutile pour le titane... L'ilménite, par exemple, principal minerai du titane est un oxyde mixte de titane et de fer (pourcentage des deux métaux entre 30 et 70 %). D'autres peuvent se présenter sous forme de sulfures pyrite pour le fer ou de sulfates, voire sous forme plus compliquée et même sous plusieurs formes différentes comme on l'a vu pour le fer. Certains métaux sont présents à l'état non-oxydé, comme les métaux précieux (or, platine) ou bien dans des roches d'origine météoritique (nickel-fer). On les appelle alors natifs.

Propriétés électriques

Les métaux conduisent généralement bien l'électricité et la chaleur. En tête l'argent, le cuivre et l'or. La conduction électrique dans les métaux peut être analysée de manière microscopique ou macroscopique. D'un point de vue microscopique, la principale raison vient de la liaison métallique. Les atomes métalliques forment des structures 2D ou 3D qui se répètent, appelées mailles. À l'intérieur, des électrons à peu près libres circulent entourés des atomes dont ils sont issus. C'est ce mouvement électronique qui est responsable de la bonne conduction, et plus ces électrons sont libres, plus le métal est bon conducteur. Ces électrons plus ou moins libres sont appelés « électrons de conduction ». D'un point de vue macroscopique, c'est la théorie des bandes d'énergie qui fournit la réponse. En effet, dans les métaux la bande d'énergie la plus haute occupée et la plus basse vacante se chevauchent, ou au moins se touchent. Il faut ainsi peu d'énergie pour exciter un métal et plus il est facile de l'exciter, plus un métal pourra céder un électron et meilleur conducteur il sera.

Propriétés magnétiques

Quelques métaux présentent des propriétés magnétiques remarquables comme le ferromagnétisme, essentiellement le fer, le cobalt et le nickel à température ambiante. Les propriétés de magnétisme varient lorsqu'on fait des alliages ce qui peut être mis à profit pour créer des aimants puissants où annuler le magnétisme d'un métal (le fer typiquement).

Spéciation chimique

Les différents états d'oxydation, conformations, complexes ou formes transitoires représentent des espèces chimiques distinctes d'un élément et jouent un rôle majeur sur leur biodisponibilité et leur toxicité ou écotoxicité. Certaines espèces d'éléments traces métalliques (ÉTM) sont plus facilement assimilables par les organismes que d'autres, ce qui engendre des effets bénéfiques ou néfastes selon la nature et la concentration du métal (élément essentiel ou non). Il ne faut pas confondre la spéciation chimique d'un élément avec son fractionnement ou sa partition. La littérature scientifique confond quelquefois ces concepts ce qui complexifie les recherches dans ces domaines.
- Spéciation chimique: C'est la distribution d'un élément selon différentes catégories d'espèces chimiques dans un système
- Fractionnement: C'est la classification d'un élément ou d'un groupe analysé par rapport à ses propriétés physiques et/ou chimiques (grosseur de particules, solubilité, force de liaison, etc.)
- Partition: Répartition d'un composé dans les différentes phases d'un système (solide, liquide, atmosphère, matière organique, etc.) selon des coefficients de partition spécifiquesWalker C.H., Hopkin S.P. et al. 2006. Principles of Ecotoxicology. Boca Raton: CRC PRESS, Taylor and Francis Group. 315 p. Cette section décrit donc les principales catégories d'espèces chimiques relatives aux ÉTM et présente des exemples d'espèces chimiques de niveau toxique variéTempleton D.M., Ariese F. et al. 2000. Guidelines for Terms related to Chemical Speciation and Fractionation of Elements. Definitions, Structural Aspects, and Methodological Approaches. Pure Applied Chemistry, Vol.72, No.8, p. 1453-1470.

Oxydation et réduction

L'état d'oxydation ou de réduction des métaux dans un système influence leurs effets sur les organismes. Par exemple, le chrome oxydé Cr(III) est un élément essentiel (c'est-à-dire nécessaire pour le bon fonctionnement de l'organisme) et pénètre difficilement les membranes lipidiques des cellules. En revanche, le Cr(VI) s'avère toxique pour certains gènes, est cancérigène et pénètre facilement dans les cellules grâce à des transporteurs spécifiques. De plus, les formes les plus réduites de l'arsenic sont généralement les plus toxiques: toxicité de AsH3 > As(III) > As(V).

Composition isotopique

La composition isotopique de quelques éléments influence leur abondance ou leur toxicité dans l'environnement. Par exemple, le plomb comporte une vingtaine d'isotopes au total et quatre d'entre eux sont sous une forme stable: 204Pb, 206Pb, 207Pb et 208Pb. Les 206Pb et 207Pb proviennent de la dégradation de l'uranium et le 208Pb résulte de la dégradation du thorium, deux éléments radioactifs; ainsi, l'abondance de ces isotopes s'accroît dans le temps, et la composition isotopique du plomb évolue donc selon les sources d'émission stimulées. Un autre exemple intéressant de variation de la toxicité est lié à la composition isotopique de l'eau (H2O): remplacer 60 % de l'eau du corps de rongeurs par de l'H218O est sans effet alors qu'une substitution de 30-40 % de cette eau par du D2OLe deutérium est un isotope de l'hydrogène engendre la mort de ces animaux.

Composé et complexe inorganique

Les métaux s'allient souvent à des ligands inorganiquesSans atome de carbone pour former des composés ou complexes inorganiques possédant des propriétés physico-chimiques différentes. Par exemple, la charge, la solubilité, le coefficient de diffusion ou la force de liaison de ces composés influencent le transport et par conséquent la biodisponibilité et la toxicité des métaux dans les organismes. Par exemple, certains sels de nickel comme les chlorures (NiCl2) et les sulfates (NiSO4) sont solubles dans l'eau et de faible toxicité orale, alors que les sulfures de nickel (Ni3S2) sont pratiquement insolubles dans l'eau mais sont cancérigènes.

Composé organique

Les composés organiques tel les sucres, acides organiques, lipides ou autres composés organiques de faible poids moléculaire ont des affinités plus ou moins importantes avec les métaux. Certains d'entre eux, des acides organiques comme l'acide citrique et l'acide malique, contiennent un groupement fonctionnel (l'hydroxylcarboxyle) qui se lie facilement aux métaux et qui diminuent leur biodisponibilité; ces composés sont très étudiés en écotoxicologie terrestre car ils sont excrétés par les racines des plantes et les micro-organismes du sol, créant une synergie qui diminue la toxicité des métaux dans le solSauvé S. & Parker D.R. 2005. Chapter 14: Chemical Speciation of Trace Elements in Soil Solution. Dans Chemical Process in Soils, vol.8. Madison, Soil Science Society of America, p. 655-688 . Certains composés organiques particuliers comme l'EDTA forment des complexes très stables avec les métaux que l'on nomme chélateurs. Les chélateurs sont des ligands solubles polydentés faiblement acides qui forment des complexes chélateur-métal thermodynamiquement forts; ils sont quelquefois utilisés pour la restauration des eaux et des sols contaminés aux métaux ou dans les méthodes analytiques chimiques pour extraire les métaux d'une matrice.

Composé organométallique

Les composés organométalliques contiennent une liaison entre le carbone et le métal. Cette liaison peut être de nature covalente ou ionique; par exemple, les liaisons carbone-sodium et carbone-potassium sont fortement ioniques, les liaisons carbone-étain, carbone-plomb et carbone-mercure sont fortement covalentes et les liens carbone-lithium et carbone magnésium se situent entre la liaison ionique et la liaison covalenteSolomons G. & Fryhle C. 2000. Chimie organique. Mont-Royal, Modulo Éditeur, Traduction de Organic Chemistry, John Wiley & Sons, Inc.p. 483-484 . Par exemple, la bioalkylation, c'est-à-dire la formation d'un alkyle (CHx) 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).

Composé ou complexe macromoléculaire

Les composés ou complexes macromoléculaires sont à la limite de représentation des espèces chimiques. Ils forment malgré tout une catégorie distincte car ils jouent un rôle particulièrement important dans la biodisponibilité des métaux pour les organismes vivants. En effet, les acides humiques et fulviques résultant de la biodégradation de la matière organique sont des anions mobilisant les ÉTM contenus dans les sols et dans les eaux. Les acides humiques et fulviques ont des structures et une composition très variables et complexes mais joueraient un rôle significatif sur la spéciation des métaux. D'autres particules organiques et inorganiques tels la biomasse et les colloïdes adsorbent les métaux et diminuent ainsi leur toxicité en réduisant leur biodisponibilité. Par contre, d'autres macromolécules anioniques des organismes vivants, comme certains acides nucléïques ou les glycosaminoglycanes, se lient involontairement aux ÉTM et provoquent des mutagenèses dommageables pour l'organisme.

Paramètres influençant la spéciation des métaux

La spéciation des métaux dans les phases aqueuses et solides est influencée par plusieurs paramètres (Voir aussi section Environnement de cette page):
- Le pH: en général, un pH acide tend à solubiliser les métaux alors qu'un pH alcalin favorise leur adsorption;
- La matière organique: la matière organique adsorbe les métaux et est synonyme de stabilité (non biodisponibilité)
- La concentration des ligands: plus la concentrations des ligants inorganiques et organiques est élevée, plus le métal se lie à ce ligant et forme une espèce chimique populeuse
- La force du lien ionique ou covalent: plus le lien métal-composé est fort, plus l'espèce chimique associée à ce composé sera stable;
- La stoechiométrie: les principes stoechiométriques doivent évidemment être respectés pour engendrer la formation des composés. Cette spéciation implique que l'équilibre chimique est atteint. Or, la complexation des métaux avec les ligands inorganiques est très rapide car ils sont nombreux dans la phase aqueuse, mais la complexation des métaux avec les ligands organiques nécessite plus de temps car les sites d'adsorption ou d'attachement sont moins accessibles. Par conséquent, il est préférable d'analyser la spéciation d'une contamination métallique sur une matrice contaminée stable depuis plusieurs années qu'une matrice fraîchement contaminée avec une dynamique chimique évolutive, sans quoi les analyses risquent d'être biaisées. De plus, la constante d'équilibre relative à la notion d'équilibre chimique peut être illustrée par la réaction: Métaln+ + Ligandn- -> Métal-Ligand La constante d'équilibre Kéq associée à cette équation varie selon le type de lien:
- Lien ionique: ~ 100 < Kéq < 104
- Complexe: ~ 104 < Kéq < 108
- Chélateur: ~ 108 < Kéq < 1020 Ainsi, puisque Kéq est relativement faible pour les paires ioniques et plus élevée pour les complexes, les métaux préfèrent s'associer à long terme aux complexes stables qu'aux paires ioniques de plus faible énergie de liaison.

Environnement

Contrairement aux composés organiques, les métaux ne sont pas biodégradables par les micro-organismes. Cette caractéristique engendre certains problèmes de gestion de la contamination métallique. En effet, le sort des métaux dans l’environnement pose de grands défis analytiques; les métaux se retrouvent sous plusieurs formes dans le sol et dans l'eau (complexe avec la matière organique du sol, avec les minéraux, précipitation, ions libres, etc.) complexifiant les prédictions de toxicité et d'écotoxicité Ge Y., Murray P. et Hendershot W.H. 2000. Trace Metal Speciation and Bioavailability in Urban Soils. Environmental Pollution. Vol 107, no 1. p. 137-144.Cances B., Ponthieu M. et al. 2003. Metal Ions Speciation in a Soil and its Solution: Experimental Data and Model Results. Geoderma. Vol 113, no 3-4. p 341-355. .

Toxicité et écotoxicité terrestre

La toxicité et l'écotoxicité des métaux dans les sols sont étroitement liées à leur spéciation chimique et à la notion de biodisponibilité; plus l'espèce métallique est 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. En plus, certains métaux comme le fer, le cuivre et le zinc constituent des éléments essentiels auxquels de trop faibles expositions entraîneront des carences métaboliques; or, ces métaux peuvent aussi être toxiques si l'exposition des organismes excède la dose recommandée. Ainsi, plusieurs paramètres peuveut influencer la toxicité des métaux dans les solsNaidu R., Gupta V.V.S.R. et al. 2003. Bioavailability, Toxicity and Risk Relationships in Ecosystems. Endfield: Science Publishers, Inc. p. 58-82.L'Herroux L., Le Roux S. et al. 1997. Behavior of Metals following Intensive Pig Slurry Applications to a Natural Field Treatment Process in Brittany. Environmental Pollution. Vol 97, no 1-2. p. 119-130.:
- 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 vieillissement de la contamination: un site fraîchement contaminé est normalement plus toxique qu'un site qui subit une contamination diffuse (lente) depuis un certain temps
- le niveau de saturation des sites d'adsorption: plus les sites capables de fixer les métaux approchent leur niveau de saturation, plus le métal aura tendance à se solubiliser

Astronomie

On appelle métaux les produits des réactions qui ont lieu au cœur des étoiles, ce qui signifie que, astronomiquement parlant, tous les éléments sauf l'hydrogène sont des métaux. (bien que sous certaines conditions de température et de pression, l'hydrogène peut avoir un comportement métallique : voir hydrogène métallique)

Liste des principaux métaux

- aluminium (Al)
- argent (Ag, métal précieux)
- cuivre (Cu)
- étain (Sn, du latin stanium)
- fer (Fe)
- mercure (Hg, du latin hydragyrium la planète Mercure))
- nickel (Ni)
- or (Au, métal précieux, du latin aureum)
- platine (Pt, métal précieux)
- plomb (Pb)
- titane (Ti)
- zinc (Zn) Les mélanges de métaux forment des alliages, comme l'acier (alliage fer-carbone), les alliages de cuivre (bronze, laiton), les amalgames (alliages de mercure)... Beaucoup de métaux sont toxiques directement ou par l'intermédiaire de leurs composés, en particulier les métaux lourds (plomb, mercure... et bien d'autres et encore.. le maximium).

Notes et références

Voir aussi

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Sujets connexes
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