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 différencier 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.
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 vient 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 !)
