Des cristaux de gallium, un métal.
Il vient d’être observé (en février 2020) de l’hydrogène métallique. Je viens également de publier un article avec une liste de quelques métaux aux propriétés étonnantes.
À cette occasion, un lecteur me pose la question suivante : Qu’est-ce qu’un métal ?

C’est le genre de questions qui semble triviale mais à laquelle on a du mal à répondre au premier abord : si on nous donne une série de matériaux, on saura tout de suite dire lesquels sont des métaux et lesquels n’en sont pas.

Mais comment définit-on un métal de façon concrète ? Comment pourrait-on expliquer à quelqu’un qui n’aurait jamais vu de matériaux de sa vie comment différentier un métal d’un non-métal ?

Parmi les propriétés partagées des métaux, on peut citer la conduction électrique, la conduction thermique, le fait de briller ou encore d’être opaque, malléables, ductiles…
Ceci dit, on peut trouver des contres-exemples à chaque fois :

  • le graphite conduit l’électricité et la chaleur, mais ce n’est pas un métal ;
  • le tungstène, bien qu’étant un métal, est très peu malléable et on pourrait le confondre ;
  • l’argent, un métal, est brillant quand il est pur, mais il s’oxyde et se matit naturellement
  • etc.

Il faut donc être plus spécifique, et pour ça, il faut plonger plus profondément dans la matière.

Des liaisons métalliques dans un métal

On apprend à l’école que l’électricité est conduite par les électrons libres des matériaux conducteurs. Les isolants n’ont pas d’électrons libres et ne peuvent donc pas conduire l’électricité.

Ceci est à la base des phénomènes de conduction électrique, mais aussi de conduction thermique, d’opacité ou de brillance des métaux. Ces propriétés ne sont pas exactement exclusives aux métaux : le graphite ou le graphène sont conducteurs et ont des électrons libres, mais ce ne sont pas des métaux (en l’occurrence, on parle plutôt de semi-métaux pour ces deux-là).

La présence d’électrons libres est fondamentale.

Normalement, les électrons appartiennent à un atome en particulier auquel ils sont liés. Dans un métal, certains électrons ne sont pas liés à un atome et bien qu’ils pourraient, ils ne participent pas à une liaison chimique à proprement parler : ils sont libres et peuvent se déplacer d’atome en atome dans tout l’échantillon de métal.

Dans le cas du cuivre, par exemple, chaque atome de cuivre « libère » un électron dans l’échantillon métallique. Chaque atome de cuivre est donc ionisé positivement : tous devraient se repousser, mais l’ensemble baigne dans un océan d’électrons libres, ce qui les maintient tous ensemble. Ces liaisons électroniques particulières n’appartiennent pas réellement à deux atomes mais plutôt à l’ensemble du cristal : ce sont des liaisons métalliques.

Ce qui fait d’un métal « un métal », c’est précisément ces liaisons métalliques, cet océan d’électrons libres.

Pour imager cela, on peut prendre une foule de gens. Dans un cristal non métallique, les gens se tiennent tous par la main. Si l’on présente un ballon à la foule, personne ne peut le prendre car tout le monde a ses mains occupées pour se tenir les uns les autres.

Dans un métal, les gens ne se tiennent pas la main et ils sont libres de partir, mais on peut imaginer un ensemble de policiers qui passent entre les gens pour les maintenir rapprochés et les rappeler de rester en place. Les policiers se baladent entre les gens : ce sont les électrons libres. Si l’on présente un ballon à la foule, leurs mains étant libres, les gens peuvent le transmettre à leur voisin et le ballon peut aller de l’autre côté de la foule. Le ballon constitue le courant électrique.

C’est ce second cas qui présente le mieux l’état d’un métal : un ensemble d’atomes maintenus en place et serrés les uns contre les autres par un ensemble d’électrons qui se baladent où ils veulent dans le cristal.

En les maintenant collés entre eux, cette mer d’électrons pousse les atomes à adopter une structure la plus compacte possible, ce qui se traduit généralement par une structure cristalline, bien ordonnée.

Implication pour les propriétés des métaux

Les métaux sont un empilement cristallin compacte d’atomes ionisés positivement dans une mer d’électrons libres.

Ces électrons libres se déplacent et sont responsable de la conduction électrique des métaux : il suffit d’une faible tension électrique pour que les électrons se déplacent. La résistance électrique est donc très faible dans un métal.

Ceci distingue les métaux des semi-conducteurs, qui sont à la base des isolants, mais dont la conductivité n’est possible que lorsque l’on excite les électrons à l’aide d’un apport extérieur d’énergie (chaleur, tension électrique, lumière…).
Seulement là un semi-conducteur devient-il conducteur. L’apport d’énergie permet alors de briser une liaison atomique et de pousser l’électron à former une liaison métallique et à se promener dans le cristal.

Dans un isolant, les électrons sont trop liés à leur atome et ne se détacheront pas de leur atome. Le courant électrique ne passera pas.

Cette même propriété des électrons libres est responsable de leur conduction thermique : la chaleur n’est autre que de l’énergie sous forme de vibration des électrons et des atomes. Si les électrons sont libres de se déplacer, ils transmettent cette vibration, d’un bout à l’autre du métal très rapidement.

Les électrons d’un métal formant une mer lisse entre les atomes permet également d’expliquer la brillance des métaux contrairement à d’autres matériaux. Les électrons renvoient le rayonnement de là où ils viennent en agissant localement sur le champ électromagnétique. Dans le cas des métaux, les rayons sont intégralement renvoyés et non transmis ni diffusés, d’où leur brillance miroir.

Enfin, vu que les électrons maintiennent les atomes ensembles et qu’ils sont mobiles, un métal est généralement très ductile : si l’on brise la structure cristalline dans une tige métallique, les électrons peuvent combler les vides et permettre à l’ensemble de rester soudé. Ceci est le contraire du verre, par exemple, où, une fois la liaison brisée, elle ne se reconstitue pas.
Deux pièces métalliques mises en contact peuvent même se souder entre elles sans nécessiter d’être fondues ou même chauffées : on parle alors de soudure froide.

Pour résumer

Pour conclure cet article, un métal se différencie macroscopiquement de la plupart des autres matériaux par ses propriétés conductrices ou mécaniques (ductilité…). Cependant, certains non-métaux partagent également ces propriétés, qui ne sont donc pas exactement spécifiques aux métaux.

Pour définir ce qu’est un métal, il faut alors passer par une description microscopique.

Sous cet aspect, le métal se distingue par un ensemble d’atomes compactés ensembles et baignant dans une mer d’électrons : ce sont les fameux électrons libres.

Ces électrons appartiennent au cristal entier et non plus à un atome en particulier. Ils assurent, par le fait de leur charge attractive sur les atomes, le maintien en place de toute la structure cristalline. Ils assurent également la conduction thermique, électrique, la ductilité et la forte réflectivité optique du métal.

(Merci à Pataboul qui m’a posé cette question et suggéré l’idée de cet article !)

image d’en-tête de foobar

9 commentaires

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galex-713 wrote:

Mais heu du coup pourquoi le carbone/graphite n’en est pas ? parce qu’il a pas tous ses électrons libres (après tout il renvoie pas toute la lumière) ? c’est pour ça qu’il est pas cassant ?

Et les métaux colorés, le cuivre… pourquoi ils sont pas gris comme les autres ? ils absorbent une partie de la lumière ? pourquoi ? c’est moins des métaux ? ya des électrons libres anti-orange/rouge peut-être (ironie) ?

Puis ça répond pas explicitement à la question qu’on pouvait se poser en début d’article : pourquoi et comment l’hydrogène peut être un métal alors que normalement non ? donc, contrairement à ce que je pensais, c’est pas un atome donné qui est un métal, mais en matériau ? théoriquement, si ça s’emboîtait bien, on pourrait faire un métal à partir de n’importe quel élément du tableau périodique tant qu’ya assez (tous ?) d’électrons libres ? est-ce que cet hydrogène est gris ? est-ce qu’il reflète ? est-ce que c’est l’état normal de l’hydrogène solide ou juste une certaine cristallisation ?

PS : j’en viens à me demander quel est le rapport trouvable avec la choucroute^Wles batteries/moteurs à hydrogène… c’est stable le métal d’hydrogène ? ça explose pas trop ? ça réagit comment à la conduction ? aux champs magnétiques ? est-ce que ça brûle !? EST-CE QU’ON VA REMPLACER LE PÉTROLE AVEC DU MÉTAL WESH !!?

bonne journée ^^ (btw ça fait longtemps)

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galex-713 wrote:

Non en fait c’est mieux que je le pensais :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrog%C3%A8ne_m%C3%A9tallique#Supraconductivit%C3%A9

https://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrog%C3%A8ne_m%C3%A9tallique#Recherche_sur_la_fusion_nucl%C3%A9aire

Bon, le premier est pas prouvé, et le second est une simple potentialité… et chacun ne serait qu’un petit pas… mais en vrai : je pense que ça prendrait probablement plus d’énergie, de temps et d’infra à charger qu’une batterie au graphène… mais imagine si ça lévite ? combiné au freinage régénératif ? on se déplacerait avec le frottement d’air comme seul dépense d’énergie (histoire de faire le con : dans les régions plus élevées, plus chaudes (peut-être plus avec le réchauffement climatique ?) l’air est moins dense, donc le frottement d’air c’est moins d’énergie ?)

Puis pour la fusion nucléaire… ça fait longtemps… c’est coûteux avance à petits pas et à gros-budgets-pas-assez-gros… mais n’importe quel apport est bon à prendre pour en voir le bout… si on peut mieux comprendre l’hydrogène c’est génial…

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galex-713 wrote:

(en fait l’hydrogène pour les gros trucs locomotifs/véhicules, et le graphène pour des petits trucs portables, ça me semble une bonne répartition)

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Le Hollandais Volant wrote:

@galex-713 : Beaucoup de questions intéressantes !

pourquoi le carbone/graphite n’en est pas ?

Dans un métal, comme dans un semi-métal, la bande de conduction [électrique] et la bande de valence (chimique) se recouvrent. Dans les semi-conducteurs et les isolants, ils ne se recouvrent pas.

Le graphite (comme quelques autres éléments : antimoine, bismuth, arsenic…) sont des semi-métaux : la bande de conduction recouvre seulement faiblement la bande de valence (voir ce schéma). Il en résulte que les électrons sont principalement soit conducteurs, soit de valence, mais rarement les deux à la fois. Dans un métal, la « mer » d’électrons assure à la fois la conduction et la cohésion (ie : valence) du bloc métallique.
Dans le graphite, ce n’est pas le cas : les électrons ont chacun un rôle bien précis et la « mer » d’électrons n’est que très peu là.

D’où le terme de semi-métal : il n’a pas cette caractéristique qu’on attribue aux métaux, mais ça ne les empêche pas d’être conducteurs pour autant. Après tout, si tu veux un conducteur encore « moins métallique » que le graphique, prends du plasma : ce n’est ni solide, ni un métal, mais ça conduit le courant. Une flamme (pas un vrai plasma, mais presque) placée entre deux électrodes haute tension trop éloignées pour amorcer un arc permettra à un arc de s’amorcer, parce qu’elle conduit le courant.

Et les métaux colorés, le cuivre… pourquoi ils sont pas gris comme les autres ? ils absorbent une partie de la lumière ? pourquoi ? c’est moins des métaux ? ya des électrons libres anti-orange/rouge peut-être (ironie) ?

Alors j’ai un article sur ça, justement : Pourquoi l’or a t-il cette couleur dorée ? (ça vaut aussi pour le cuivre qui est rouge/orange, l’osmium ou le césium qui sont bleus et pour pas mal d’alliages).

Pour résumer : les métaux réfléchissement toutes les longueurs d’ondes normalement. Mais dans certains atomes, la structure nucléaire et la structure du cortège électronique sont telles que les électrons vont plus ou moins vite. Certains vont si vite qu’ils subissent des effets relativistes, en particulier une augmentation de leur masse apparente.
Les électrons qui normalement vibrent dans les UV (invisibles) sous l’effet de l’éclairement vont alors vibrer moins vite et dans le visible : l’or émet du jaune, le cuivre du rouge-orangé, etc.

C’est un de ces phénomènes relativiste et quantique à la fois. La liquidité du mercure à température ambiante est également dû à ça.

comment l’hydrogène peut être un métal alors que normalement non ?

La réponse est la même qu’à la question « Pourquoi l’eau peut-être un solide alors que normalement non ? » : les éléments changent leur structure moléculaire en fonction de la pression et de la température.
L’hydrogène métallique est obtenue à très (très) haute pression. Les noyaux 1H sont alors comprimés et les électrons se libèrent et nagent autour. C’est un peu comme un plasma d’hydrogène, mais condensé et solide (pas gazeux).

On pense que l’hydrogène métallique compose le cœur de Jupiter ou de Saturne, là où il subit des pressions de plusieurs millions d’atmosphères.

contrairement à ce que je pensais, c’est pas un atome donné qui est un métal, mais en matériau ?

Totalement !
D’ailleurs, le caractère magnétique (ou magnétisable) de certains matériaux n’existe que parce qu’on a à faire à un ensemble d’atomes et non pas un seul atome isolé.

Le fer est attiré par un aimant, par exemple, mais un atome de fer seul ne l’est pas. C’est précisément pour ça que le fer dans l’hémoglobine du sang n’est pas attiré par un aimant (encore heureux, étant donnée que l’on vit dans le champ magnétique terrestre !)

théoriquement, si ça s’emboîtait bien, on pourrait faire un métal à partir de n’importe quel élément du tableau périodique tant qu’ya assez (tous ?) d’électrons libres ?

Oui, ça peut être possible.
Après, chaque atome a sa propre structure cristalline, structure moléculaires, structure atomique, et il n’est pas dit que tous aient une phase métallique.

À ce sujet, si tous les matériaux deviennent successivement liquides puis solides quand on les refroidit, l’hélium peut rester liquide jusqu’au zéro absolu (asymptotiquement). Ce n’est que si on le comprime qu’il devient solide.

est-ce que cet hydrogène est gris ? est-ce qu’il reflète ? est-ce que c’est l’état normal de l’hydrogène solide ou juste une certaine cristallisation ?
PS : j’en viens à me demander quel est le rapport trouvable avec la choucroute^Wles batteries/moteurs à hydrogène… c’est stable le métal d’hydrogène ? ça explose pas trop ? ça réagit comment à la conduction ? aux champs magnétiques ? est-ce que ça brûle !? EST-CE QU’ON VA REMPLACER LE PÉTROLE AVEC DU MÉTAL WESH !!?

Je ne sais pas, et je pense que personne ne l’a vu directement : généralement, on obtient ces états de la matière avec des presses avec une pointe en diamant et on détecte l’état de la matière à l’aide de réfractomètes à rayons X. Les échantillons obtenus sont de l’ordre de quelques micro-grammes de matière, voire moins. Il faudrait les prédictions théoriques sur le sujet.

Produire de l’hydrogène solide est trop compliqué (dans nos labos en tout cas) pour permettre d’en avoir assez pour jouer avec, voire trouver des applications.

Il en va de même pour les atomes super-lourds que l’on produit (les éléments 110 et au dessus) : ils sont si instables qu’ils ont une durée de vie en micro-secondes et on est content si l’on arrive à détecter 1 ou 2 atomes par leur produits de désintégration nucléaire.

Pour les batteries, pour l’instant on a déjà beaucoup de mal à stocker l’hydrogène normal : l’hydrogène est un atome si petit et la molécule de H2 est si petite également qu’elle se faufile entre le réseau d’atomes du contenant dans lequel on le stocke.
Un réservoir d’hydrogène d’une voiture à hydrogène n’est pas juste une bouteille comme pour l’essence, c’est plutôt un matériaux poreux au niveau moléculaire : les atomes de H2 sont alors piégés dans la structure du matériau et libéré quand on baisse la pression. L’hydrogène est pratique dans les voitures, mais son stockage est son plus gros problème actuellement.

Même problème pour l’hélium : pour les ballons d’hélium, on utilise des ballons spéciaux (au revêtement métallique), car un ballon de baudruche rempli d’hélium finira par se vider : l’hélium est également une petite molécule et elle diffuse à travers le caoutchouc du ballon !

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Les jumeaux JFP/Jean-François POULIQUEN wrote:

▬JFP¦¦20200614¦¦Bonjour. Bel article très simple car concis mais très clair, car nous comprenons très rapidement ce que peut-être un métal. Par une questions simple et des réponses aussi claires que simples et précises, nous nous posons des questions sur les différences entre un solide, un liquide ou un gaz, sans parler de ce 4e état qui est le plasma. Si nous comprenons très clairement ce que peut être les métaux, qu'est-ce qui diffère des états solide, liquide ou gazeux ? Le mercure est un métal et en même temps un liquide, donc pourquoi ce métal de mercure est liquide ?
▬Les jumeaux JFP/Jean-François POULIQUEN

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Les jumeaux JFP/Jean-François POULIQUEN wrote:

▬JFP¦¦20200614¦¦RE Bonjour. Nous sommes désolé d'avoir posé notre question qui est qu'est-ce qui fait la différence entre un solide, un liquide et un gaz, car dans vos réponses de ce même article, des indices de réponses sont déjà donnés, et sont liés à la température et à la pression. Ainsi comme on nous dit que ce centre de la terre est un noyau de fer liquide, nous comprenons maintenant que cela est lié à la température mais moins sûr sur la pression. Nous comprenons aussi qu'un gaz sous pression devient liquide, car cela se voit tous les jours pour certains fumeur et leur briquets transparents, mais est-ce que ce gaz liquide pourra être mis en solide ?
▬Ce que nous comprenons aussi est que l'on nous parle d'état fondamental de la matière, mais cet état est en fait une convention humaine qui tourne en fonction de notre contexte sur terre avec sa température moyenne comme encore sa pression moyenne qui est liée à la masse de terre donnant un certain champ gravitationnel et agissant sur la matière. Normalement un état fondamentale devrait être celui où peu de matières se trouve dans le vide et loin de toute matière afin qu'il n'y est pas de champ gravitationnel induisant sur ce peu de matière. Et puis même dans ce vide absolu, la température n'est pas du tout le zéro absolu, mais de quelques degré kelvins supplémentaires. Donc l'état fondamentale d'un atome, d'une molécule définissant la matière, devrait être dans les conditions sans température et donc du zéro absolu, et sans gravitation, mais est-ce le cas de cette notion d'état fondamental ?
▬Les jumeaux JFP/Jean-François POULIQUEN

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galex-713 wrote:

Ah donc c’est comme je pensais : ya pas tous les électrons qui sont libres !

C’est con je l’avais lu l’article sur l’or, mais n’ayant pas tout compris (quantique, toussa, ça me parle pas toujours, trop de concepts et d’éléments), j’avais oublié u.u

L’hélium qui ne se solidifie pas au zéro absolu (ou presque, asymptoptiquement), ça me semble censé… je veux dire… on a bien des nébuleuses de gaz dans l’espace… et le vide ça doit être proche du zéro absolu (en fonction de la concentration d’autres molécules (typiquement de gaz) dans le coin) nan ? d’autant plus s’il y fait aussi peu dense, l’hydrogène y est, il me semble, gazeux aussi.

Sinon j’ai relu par-ci par-là et découvert que l’hydrogène était « censé » être dans les métaux alcalins d’après sa classification originelle (et que ça avait été postulé, mais jamais vérifié, d’où le doute)… donc en fait, jusque là, ça semble aller de paire avec l’élément…

Après j’ai lu par mal de trucs sur des molécules bi-atomiques, mais est-ce qu’un *élément simple* et pur (matériau produit d’un atome seul, sans alliages à plusieurs molécules type dihydrogène pour l’hydrogène) est nécessairement potentiellement un métal, ou jamais un métal, en fonction de sa place dans le tableau périodique ?

Pour l’hydrogène je me rend bien compte que « quelques microsecondes » comme ce qui a été « observé » (je me doute que c’est en bardant de capteurs autour), c’est pas suffisant pour savoir quelle couleur ça donnerait à l’œil nu… quoi qu’on aurait peut-être pu envoyer et émettre une ou plusieurs longueur(s) d’onde ? chépa… après tout si j’ai bien compris, on a même pas confirmé que c’était vraiment conducteur (même si ça devrait)…

Pour le truc du carburant, c’est notamment à cause de la potentialité d’en fabriquer du métastable… à partir de là, si on « sait » que ça peut-être stable et utile, ça devient intéresser de dépenser des fortunes en matos de compression en diamant (probablement artificiel, de toute façon) pour fabriquer des batteries à usage unique, mais à super grande densité, qui en plus pourraient léviter à température ambiante…

J’ai même lu comme quoi ce serait aussi maléable que l’alu mais plus léger, mais bon à partir de là, même ça faudrait voir (faut le trouver l’état métastable), et ce que je disais juste avant reste moins probable, forcément (faut que ce soit un supraconducteur aussi).

À priori, si c’est un métal, donc solide… et métastable, pas de raison qu’il s’« échappe »…

(d’ailleurs je savais qu’il se stoquait dans des structures poreuses, mais je pensais que c’était pour que ce soit plus stable, et que ça explose moins facilement, pas pour éviter qu’il s’échappe… mais comme c’est le plus petit atome, c’est logique qu’il passe à travers tous les autres)

Enfin bref, c’est beau comme de nos jours nos technologies s’orientent (peut-être) moins vers des matériaux rares que des matériaux abondants, mais aussi « extrême » que le plus solide, conducteur et thermorésistant (chépa comment dire qu’il fond pas avant une très haute température (s’il fond)) comme le carbone (et son allotrope le diamant), et le plus répandu, léger, petit et puissant (pour stockage) que l’hydrogène, et le plus solide/conducteur comme le carbone… et qu’on en arrive à avoir besoin du premier pour comprimer ce dernier… j’ai comme l’impression que la boucle est bouclée *.*

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blux wrote:

@Le Hollandais Volant :
Totalement !
D’ailleurs, le caractère magnétique (ou magnétisable) de certains matériaux n’existe que parce qu’on a à faire à un ensemble d’atomes et non pas un seul atome isolé.

Avec cependant des surprises que l'on peut maitriser.
Il existe de l'acier (donc à base de fer) non-magnétique à température ambiante (nommé austénitique)... C'est sa composition (avec plus ou moins de carbone, de nickel et de chrome), le traitement de chauffe et de refroidissement plus ou moins rapide qui ré-arrange le placement des atomes les uns par rapport aux autres, donnant ou non un matériau magnétisable...

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Le Hollandais Volant wrote:

@Les jumeaux JFP/Jean-François POULIQUEN : Oui, l'état de la matière (gaz, solide, liquide) dépend de la température et de la pression, mais constitue l'arrangement et l’interaction des particules (atomes ou molécules) entre-elles. Dans un solide, chaque atome a une place définie et il est lié aux autres. Dans un liquide, les atomes sont liés aux autres mais peuvent se déplacer. Dans un gaz, les atomes sont libres, non liés aux autres.

Le fait que ce soit un métal dépend de la nature des liaisons entre les atomes, pas de leur état physique.

mais est-ce le cas de cette notion d'état fondamental ?

C'est l'état où plus aucune énergie ne peut être retirée , et donc l'état où la matière ne peut pas en émettre spontanément : son état le plus stable.

@blux : Exact !
Mais c’est comme tu dis : « le placement des atomes les uns par rapport aux autres, donnant ou non un matériau magnétisable ». C’est bien l’amas d’atomes qui est magnétique (ou non), pas un atome seul.


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