métal (suite)

Dans les bons conducteurs électriques comme le sont les métaux, la bande supérieure de niveaux d’énergie contenant des électrons n’est pas totalement garnie ; il y a dans cette bande de niveaux très voisins des niveaux d’énergie inoccupés. Si l’on applique un champ électrique à ce solide, les électrons peuvent facilement passer des niveaux qu’ils occupent sur de nouveaux niveaux proches de cette même bande d’énergie auparavant non occupés ; d’où un mouvement résultant unidirectionnel de charge dans le solide qui correspond au passage d’un courant électrique. On s’est d’ailleurs aperçu que des bandes issues de deux niveaux proches, mais différents d’énergie, d’un atome peuvent se recouvrir partiellement, créant une large bande de très nombreux niveaux d’énergie pour le solide résultant du très fort rapprochement de tels atomes : c’est le cas en particulier des niveaux associés aux sous-couches ns et np des atomes alcalino-terreux (n étant le nombre quantique principal le plus élevé associé aux électrons présents dans l’état fondamental de l’atome considéré).

Par contre, lorsque la bande de niveaux supérieurs d’énergie occupés par des électrons est totalement garnie et se trouve distincte de la plus proche bande de niveaux d’énergie supérieure par un intervalle énergétique important, l’application d’un champ électrique à un tel solide ne peut provoquer le déplacement de charges électriques, et le solide est un isolant.

Dans certains cas, la bande supérieure de niveaux électroniques occupés et la bande de niveaux possibles, mais normalement inoccupés d’énergie, ne sont séparées que par un faible intervalle énergétique (par exemple de plusieurs dixièmes d’électron-volt, mais inférieurs à plusieurs électrons-volts) ; on constate que, dès la température ordinaire et, à plus forte raison, à plus haute température, une certaine fraction des électrons occupant la bande supérieure garnie peut passer sous l’effet de l’agitation thermique dans la bande supérieure, totalement inoccupée à très basse température ; il en résulte à température suffisante des niveaux inoccupés dans ces deux bandes et, par là, un caractère semi-conducteur intrinsèque. Les impuretés présentes dans le cristal peuvent créer de nouveaux niveaux d’énergie venant se placer dans l’intervalle énergétique vide de niveaux pour le corps pur. Cela permet un garnissage incomplet de bandes et, par là, une certaine conductivité électrique. La présence de ces impuretés a fait apparaître un caractère semi-conducteur extrinsèque que l’on différencie encore en n ou p, et cette propriété a reçu une très importante application dans l’industrie des semi-conducteurs utilisés en électronique.

Les métaux se présentent généralement sous la forme d’agrégats de cristallites ou de grains orientés au hasard, mais il arrive que le façonnage des pièces métalliques introduise des orientations privilégiées.

Un ensemble intéressant de propriétés mécaniques qui a reçu de nombreux emplois est manifesté par les métaux, en particulier dans le domaine de la dureté, de la malléabilité et de l’élasticité.

Il se trouve que les métaux ont une grande facilité (du moins pour de nombreuses associations de métaux différents) à former des alliages dont les phases constituantes sont souvent des solutions solides et quelquefois un métal pur de base ainsi que des composés définis. Cette aptitude de nombreux métaux à former des alliages, en particulier après un simple passage par l’état liquide, permet d’avoir une beaucoup plus vaste gamme de propriétés mécaniques qu’avec les métaux purs et explique l’usage prépondérant des alliages métalliques lorsque la conductivité élevée électrique ou thermique n’est pas le caractère principal recherché.

Le type de liaison entre atomes de métaux est spécifique de l’état métallique et se différencie des types de liaisons rencontrés dans les composés minéraux. Les deux liaisons atomiques typiques rencontrées dans ces composés formés au moins de deux métalloïdes ou d’un métalloïde et d’un métal sont :
— soit la liaison hétéropolaire ou ionique, dans laquelle l’atome de métalloïde, ayant une couche périphérique riche, la complète, à saturation de 8 électrons, par captage des électrons de la couche externe du métal, faisant ainsi apparaître les ions de signes contraires (anion^– et cation⁺) ;
— soit la liaison homopolaire ou de covalence, dans laquelle la mise en commun d’électrons permettant de saturer la couche périphérique n’est possible que pour des atomes voisins possédant la même couche externe à compléter.

Dans les métaux, la liaison atomique est différente, et la structure cristalline est considérée comme un assemblage d’ions positifs ou atomes dépourvus de leur cortège électronique externe, baignant dans un « nuage électronique » formé de ces électrons libres. Sous l’action d’une élévation de température ou d’une différence de potentiel, les vibrations du flux d’électrons s’intensifient, ce qui explique les conductions thermique et électrique.

Pour de nombreux éléments, les liaisons atomiques ne sont pas aussi rigoureuses et parfaites ; elles sont une juxtaposition de deux liaisons types ; ainsi, le germanium possède une liaison à caractère de covalence à température ambiante qui explique sa propriété de semi-conducteur, alors qu’à haute température une tendance métallique prédomine.

La liaison relativement faible des électrons périphériques de l’atome des métaux avec le reste de l’atome explique la formation de très nombreux dérivés métalliques, même avec les métaux nobles et même si l’on met à part les très nombreux alliages entre métaux. Ces principaux dérivés métalliques (oxydes, sulfures, halogénures, carbures, sels) sont examinés généralement à l’occasion de la présentation de leurs principaux dérivés.

H. B.

Propriétés mécaniques

Sous l’effet de sollicitations extérieures, les métaux se déforment de différentes façons, ce qui permet et facilite à la fois leur mise en forme ainsi que leur utilisation dans de nombreux organes mécaniques.

L’élasticité d’un métal est la propriété qu’il possède de pouvoir reprendre, au moins partiellement, ses dimensions initiales (forme et volume) après avoir subi une déformation sous l’action d’un effort limité, ce qui s’avère être appréciable pour de nombreux emplois.