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Les métaux

On regroupe sous le terme "métaux" des corps qui ont certaines propriétés communes. Leurs différences permettent de les identifier et de les choisir pour l'utilisation que l'on veut en faire. Quasiment tous réagissent avec les solutions d'acide chlorhydrique.

I

Généralités

A

Les propriétes communes des métaux

Les métaux sont tous :

  • De bons conducteurs électriques
  • De bons conducteurs de chaleur
  • De bons réflecteurs de lumière

On choisit les métaux, le cuivre surtout, pour constituer les fils électriques, car les métaux sont de bons conducteurs électriques.

Une tige de métal chauffée à une extrémité sera rapidement chaude à son autre extrémité, car les métaux sont de bons conducteurs de chaleur.

Tous les métaux, lorsqu'ils sont polis, brillent, c'est-à-dire qu'ils réfléchissent une grande partie de la lumière qu'ils reçoivent.

B

Les métaux courants

Les métaux ont une place très importante dans la vie quotidienne, car ils possèdent des caractéristiques propres et indispensables à la vie courante.

Métal Caractéristiques Domaines d'utilisation
Cuivre

Très bon conducteur électrique et thermique

Malléable

Électricité
Plomberie
Or Inaltérable
Rare
Cher
Déformable
Industrie du luxe (bijouterie)
Technologie de pointe
Argent Bon réflecteur de lumière
Conducteur électrique
Peu résistant aux frottements
Oxydation rapide
Miroir
Radiologie
Photographie
Fer Solide
Très présent
Peu cher
Oxydation rapide
Industrie
Bâtiment
Zinc Très résistant à l'eau et à l'humidité Industrie automobile
Secteur du bâtiment (toitures)
Aluminium Peu dense
Résistant
Quasi inaltérable
Véhicule
Bâtiment
Aérospatial
Emballage
-

Divers métaux

Wikimedia Commons

II

Les tests de reconnaissance de quelques métaux

A

Le test de couleur

Le premier test possible est celui de la couleur du métal. Même si la plupart n'ont pas une couleur caractéristique, il permet de distinguer différents métaux.

L'or est un métal jaune.

Le cuivre est un métal orangé.

B

Le test à l'aimant

Seul le fer est attiré naturellement par un aimant.

Dans les installations de recyclage, le fer est attiré par un électro-aimant pour être séparé des autres métaux.

C

La masse volumique et la densité

Masse volumique

La masse volumique d'un corps (solide ou liquide) est la masse d'une unité de volume de ce corps. Elle se note \(\displaystyle{\rho}\) (se prononce rho) et peut s'exprimer avec plusieurs unités : kg/L, g/cm3 ou encore kg/m3.

La masse d'un litre d'eau étant d'un kilogramme, la masse volumique de l'eau est :

\(\displaystyle{\rho_{eau} = 1}\) kg/L

Masse volumique

La masse volumique d'un corps correspond au rapport de la masse d'un échantillon de ce corps par le volume de cet échantillon :

\(\displaystyle{\rho_{corps} = \dfrac{m_{corps}}{V_{corps}}}\)

  • Elle est exprimée en kg/L si la masse est exprimée en kilogrammes (kg) et le volume en litres (L).
  • Elle est exprimée en kg/m3 si la masse est exprimée en kilogrammes (kg) et le volume en mètres cube (m3).
  • Elle est exprimée en g/cm3 si la masse est exprimée en grammes (g) et le volume en centimètres cube (cm3).

Un échantillon d'aluminium de \(\displaystyle{20}\) cm3 a une masse de \(\displaystyle{54}\) g, sa masse volumique est donc :

\(\displaystyle{\rho_{aluminium} = \dfrac{m_{aluminium}}{V_{aluminium}}}\)

\(\displaystyle{\rho_{aluminium} = \dfrac{54}{20}}\)

\(\displaystyle{\rho_{aluminium} = 2,7}\) g/cm3

Il est utile de savoir convertir les unités :

  • \(\displaystyle{1}\) kg = \(\displaystyle{1\ 000}\) g
  • \(\displaystyle{1}\) m3 = \(\displaystyle{1\ 000}\) L
  • \(\displaystyle{1}\) L = \(\displaystyle{1\ 000}\) cm3
  • \(\displaystyle{1}\) mL = \(\displaystyle{1}\) cm3

Puisque 1 kg = 1000 g et 1 L = 1000 cm3, on a :

1 g/cm3 = 1 kg/L

La masse volumique de l'aluminium peut donc s'écrire :

\(\displaystyle{\rho_{aluminium} = 2,7}\) g/cm3

Ou encore

\(\displaystyle{\rho_{aluminium} = 2,7}\) kg/L

On peut aussi utiliser la densité, qui a l'avantage d'être une grandeur sans unité.

Densité

La densité d'un corps est le rapport de sa masse volumique par celle de l'eau. Elle se note d et n'a pas d'unité.

\(\displaystyle{d_{corps} = \dfrac{\rho_{corps}}{\rho_{eau}}}\)

Avec \(\displaystyle{\rho_{eau} = 1}\) kg/L, soit \(\displaystyle{\rho_{eau} = 1}\) g/cm3.

La densité de l'aluminium est :

\(\displaystyle{d_{aluminium} = \dfrac{\rho_{aluminium}}{\rho_{eau}}}\)

\(\displaystyle{d_{aluminium} = \dfrac{2,7}{1}}\)

\(\displaystyle{d_{aluminium} = 2,7}\)

La densité de l'eau est de 1 et les corps plongés dans l'eau réagissent différemment selon leur densité :

  • Les corps dont la densité est supérieure à 1 coulent.
  • Les corps dont la densité est inférieure à 1 flottent.

L'aluminium ayant une densité de \(\displaystyle{2,7}\), donc supérieure à \(\displaystyle{1}\), il coule.

Les métaux ayant tous des masses volumiques (et donc des densités) différentes, la mesure de ces grandeurs permet de les identifier.

Voici les masses volumiques et les densités des métaux les plus courants (à 20°C et à la pression atmosphérique normale) :

Métal aluminium zinc fer cuivre argent or
Masse volumique en g/cm3 2,7 7,1 7,9 8,9 10,5 19,3
Densité 2,7 7,1 7,9 8,9 10,5 19,3
III

La réaction entre les solutions acides et les métaux

A

La réaction entre l'acide chlorhydrique et le fer

1

La réaction

Réaction entre l'acide chlorhydrique et le fer

Dans un tube à essai, on mélange une solution d'acide chlorhydrique et de la poudre de fer. On observe que le fer est consommé et qu'un gaz se dégage.

-
Réaction entre l'acide chlorhydrique et le fer
2

La mise en évidence des produits formés

Analyse du gaz produit

On approche une allumette enflammée à la sortie du tube à essai. Une détonation a lieu, le gaz produit est donc du dihydrogène \(\displaystyle{\ce{H2}}\).

-
Analyse du gaz produit
Analyse de la solution restante

On teste des ions métalliques dans la solution restante en y versant quelques gouttes de soude. On observe la formation d'un précipité vert, la solution restante contient donc des ions fer(II) \(\displaystyle{\ce{Fe^{2+}}}\).

-
Analyse de la solution restante
3

Le bilan de la transformation chimique

Lorsque l'acide chlorhydrique réagit avec le fer, des ions fer (II) \(\displaystyle{\ce{Fe^{2+}}}\) et du dihydrogène \(\displaystyle{\ce{H2}}\) sont formés. D'après la loi de conservation des réactions chimiques, on en déduit que des atomes de fer \(\displaystyle{\ce{Fe}}\) et des ions hydrogène \(\displaystyle{\ce{H+}}\) sont consommés.

Les réactifs de cette transformation chimique sont donc :

  • Les atomes de fer \(\displaystyle{\ce{Fe}}\)
  • Les ions hydrogène \(\displaystyle{\ce{H+}}\)

Et les produits sont :

  • Les ions fer (II) \(\displaystyle{\ce{Fe^{2+}}}\)
  • Le dihydrogène \(\displaystyle{\ce{H2}}\)

L'équation de la réaction chimique s'écrit donc :

\(\displaystyle{\ce{Fe} + 2 \ce{H+} \ce{- \gt } \ce{Fe^{2+}} + \ce{H2}}\)

B

Les réactions entre l'acide chlorhydrique et d'autres métaux

Une solution d'acide chlorhydrique réagit avec le zinc et l'aluminium, mais pas avec le cuivre, l'argent et l'or.

Une solution d'acide chlorhydrique réagit avec le zinc de la même manière qu'avec le fer :

  • Des atomes de zinc \(\displaystyle{\ce{Zn}}\) et des ions hydrogènes \(\displaystyle{\ce{H+}}\) sont consommés.
  • Des ions zinc (II) \(\displaystyle{\ce{Zn^{2+}}}\) et du dihydrogène \(\displaystyle{\ce{H2}}\) sont formés.

Le bilan de la transformation chimique est donc :

Atomes de zinc + ions hydrogènes \(\displaystyle{\ce{- \gt }}\) ions zinc (II) + dihydrogène

Soit l'équation de la réaction chimique :

\(\displaystyle{\ce{Zn} + 2 \ce{H+} \ce{- \gt } \ce{Zn^{2+}} + \ce{H2}}\)

Une solution d'acide chlorhydrique réagit avec l'aluminium de la même manière qu'avec le fer et le zinc :

  • Des atomes d'aluminium \(\displaystyle{\ce{Al}}\) et des ions hydrogènes \(\displaystyle{\ce{H+}}\) sont consommés.
  • Des ions aluminium (III) \(\displaystyle{\ce{Al^{3+}}}\) et du dihydrogène \(\displaystyle{\ce{H2}}\) sont formés.

Le bilan de la transformation chimique est donc :

Atomes d'alumium + ions hydrogènes \(\displaystyle{\ce{- \gt }}\) ions aluminium (III) + dihydrogène

Soit l'équation de la réaction chimique :

\(\displaystyle{2\ce{Al} + 6 \ce{H+} \ce{- \gt } 2\ce{Al^{3+}} + 3\ce{H2}}\)

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