métal (suite)

Atome

Transmutation des métaux

Les métaux occupent de façon complète un très grand secteur du tableau de classification périodique et, par conséquent, de nombreux métaux contribuent à former des suites simples dont le nombre atomique varie unité par unité : comme de très nombreuses réactions nucléaires ont pour effet de modifier le noyau d’un élément d’un ou de quelques nucléons, il en résulte qu’un certain nombre de réactions nucléaires provoquent la transmutation des métaux en modifiant d’un ou de quelques protons la composition de leurs noyaux.

Cela n’a reçu de grande application industrielle que pour la transmutation de l’uranium (Z = 92) en plutonium (Z = 94) selon le processus usuel

Mais un certain nombre de transmutations sont utilisées pour doser des éléments (et en particulier des métaux) en provoquant par irradiation accompagnée de transformation nucléaire l’apparition de radionucléides faciles à identifier ou à doser grâce à leur rayonnement. Ainsi, on peut doser de très faibles quantités de cuivre dans l’aluminium.

Enfin, un certain nombre de transformations nucléaires de métaux (avec ou sans transmutation) sont employées pour fabriquer des radionucléides utilisés grâce à leur rayonnement radio-actif en médecine, dans des mesures ou dans l’industrie.

Le vieux rêve alchimiste de la transmutation de métaux en or est parfaitement réalisable et a été effectivement matérialisé de plusieurs façons, qui sont toutes actuellement sans intérêt économique. Il faut d’ailleurs noter que ces transmutations et transformations nucléaires ne sont pas l’apanage des métaux et sont également observées avec des non-métaux.

Ionisation des atomes

Les atomes correspondant aux différents métaux ont dans leur état fondamental des structures électroniques différentes, mais ces structures ont des configurations externes présentant des couches peu garnies et des énergies de première ionisation relativement faibles.

Tous les atomes présentant les plus faibles énergies de première ionisation sont des atomes de métaux ; tels sont les atomes alcalins ou alcalino-terreux, dont l’énergie de première ionisation va de 4,2 eV pour le césium à 6,1 eV pour le calcium. Pour les autres métaux qui n’appartiennent pas à ces deux familles, on observe des énergies de première ionisation relativement faibles, qui peuvent même être un peu inférieures à celle du calcium avec certains métaux ; ainsi, on a 5,6 eV pour la première ionisation du lanthane, 5,95 eV pour l’aluminium. On a une valeur de 7,90 eV pour le fer et l’on ne dépasse pas 9,32 eV avec le zinc, le béryllium et l’iridium ; ce sont les métaux qui (mis à part le mercure, si particulier) ont la plus forte énergie de première ionisation. Le mercure atteint 10,5 eV comme énergie de première ionisation, valeur comparable à celle qui est observée avec les métalloïdes, iode et soufre, mais inférieure à celle qui est observée avec l’hydrogène, les gaz inertes, le carbone, le phosphore ainsi qu’avec les atomes des métalloïdes des colonnes du phosphore, du soufre et de l’iode et de nombres atomiques respectivement inférieurs. Le bore, le silicium, le germanium ainsi que les éléments intermédiaires entre métaux et métalloïdes, As, Sb, Bi, Se, Te, ont des énergies de première ionisation de l’ordre de 8,0 à 10,0 eV.

Cette relative facilité d’ionisation des atomes confère aux métaux un caractère électropositif qui peut être très développé ; cela se traduit encore par une tendance à fournir des cations monoatomiques dans de nombreuses solutions de sels ; les métaux alcalins et alcalino-terreux participent à la formation de couples élémentaires d’oxydoréduction métal-cation monoatomique, auxquels sont associés les potentiels normaux les plus bas. Des valeurs nettement positives et ainsi relativement élevées pour ces potentiels normaux d’oxydoréduction se rencontrent surtout avec des couples associés aux métaux nobles.

Corps simples

Les métaux (le minerai mis à part) sont tous solides dans les conditions normales de température et de pression. L’état métallique ne peut exister que pour de la matière à l’état condensé ; c’est donc ce qui est réalisé avec les corps simples métaux à la température ordinaire.

À l’état solide cristallisé, les structures rencontrées sont diverses, et plusieurs métaux présentent le phénomène d’allotropie cristalline, mais trois structures particulièrement compactes jouent un rôle important : ce sont la structure cubique à faces centrées et la structure hexagonale compacte, qui sont les deux structures associées à l’empilement le plus compact de sphères de même rayon (donc d’atomes identiques), et la structure cubique centrée, correspondant à un empilement un peu moins compact de sphères de même rayon.

Le rapprochement des atomes perturbe les niveaux énergétiques de leurs électrons. De même que le rapprochement de deux atomes d’hydrogène amène un dédoublement des niveaux d’énergie de l’atome isolé, de même le rapprochement à très courte distance d’un grand nombre d’atomes identiques fait apparaître, à la place d’un niveau particulier d’énergie d’un de ces atomes, une bande de N niveaux très proches d’énergie pour la matière condensée formée de ces N atomes. Cela a pu être examiné par la mesure des longueurs d’onde des rayons X émis par les corps simples solides, en particulier les métaux. Tandis que les rayons X durs correspondant aux transitions entre niveaux profonds de l’atome, tels ceux qui sont associés aux couches K et L, sont indépendants pratiquement de l’état physique et de l’espèce chimique dans laquelle est engagé l’atome, l’étude des rayons X provenant d’une transition mettant en jeu un niveau externe de l’atome occupé par au moins un électron montre que, dans ces associations denses d’atomes, le niveau externe s’est scindé en une bande de niveaux discrets et proches. L’état de garnissage en électrons de la bande de niveaux d’énergie la plus élevée comportant des électrons commande la conductibilité électrique du solide considéré.